ANDERSON DE LIMA DESENVOLVIMENTO DE UM VEÍCULO URBANO SEGURO UTILIZANDO ...

376 Pages·2016·20.07 MB·Portuguese

ANDERSON DE LIMA

DESENVOLVIMENTO DE UM VEÍCULO URBANO SEGURO UTILIZANDO
OTIMIZAÇÃO BASEADA EM METAMODELOS

São Paulo

2016

ANDERSON DE LIMA

DESENVOLVIMENTO DE UM VEÍCULO URBANO SEGURO UTILIZANDO
OTIMIZAÇÃO BASEADA EM METAMODELOS

Trabalho apresentado à Escola Politécnica da
Universidade de São Paulo para obtenção do
título de doutor em Engenharia Mecânica

Área de Concentração:
Engenharia Mecânica de Projeto e Fabricação

________________________________
Orientador: Prof. Dr. Marcílio Alves – USP

________________________________
Co-Orientador: Prof. Dr. Rogério José Marczak
– UFRGS

São Paulo
2016
ii
Agradecimentos

A minha amada esposa Cláudia Lanhi por seu apoio e incentivo diários, essenciais para minha
dedicação neste projeto. Por sua compreensão nos momentos difíceis durante esta árdua
trajetória. Ao nosso filho Murilo Henrique, maior benção que pode existir na vida, muitas vezes
ele ficou sentado comigo vendo o desenvolvimento do veículo. Seu sorriso sempre traz brilho
e esperança para minha vida.

Ao orientador Prof. Dr. Marcílio Alves por sua orientação, crítica e dedicação durante a
realização deste trabalho. Por compartilhar seus conhecimentos. Suas críticas e comentários
fizeram meus pensamentos se expandirem. Pelos desafios que me impôs no desenvolvimento
do projeto.

A todos os familiares e colegas da General Motors do Brasil que contribuíram ou incentivaram-
me na realização deste projeto.

A minha mãe Carmen T. K. de Lima sinônimo de fortaleza e prudência que foram os alicerces
da família. Muitas foram as discussões, que após diálogos acirrados sempre terminaram em
entendimentos e aprendizados, pois discussões sensatas geram conclusões eficazes.

Ao meu pai Vanderley de Lima que sempre foi uma pessoa muito humilde e de enorme coração,
sempre ajudando a todos. Sua habilidade em matemática e lógica sempre me inspiraram. Pode
não ter tido o privilégio de ter estudado o quanto gostaria, devido a motivos adversos, mas sua
dignidade e honradez me ensinaram mais do que palavras em papéis. Meu pai sempre será
minha fonte de inspiração para o sucesso.

Aos meus avós pelo exemplo de vida e união. A Deus e Nossa Senhora, pois a convicção nos
auxilia a transpor os desafios.

iii
Mensagem

“Educai as crianças e não será preciso punir os homens”
Pitágoras

“Nunca, jamais desanimeis, embora venham ventos contrários”
Santa Paulina

iv
Resumo

O trabalho tem por objetivo desenvolver um veículo com massa inferior a 500 kg e que atenda
aos requisitos estruturais e biomecânicos conforme regulamentações das Nações Unidas
referentes a segurança dos ocupantes, para tal serão aplicadas metodologias de otimização
usando metamodelos, que são modelos substitutos aos modelos em elementos finitos.
O trabalho apresenta o desenvolvimento de um veículo completo para dois ocupantes, o mesmo
é conceitual pois é mais curto e estreito se comparado a um veículo convencional, propiciando
a redução do espaço ocupado em centros urbanos. Por meio de simulação numérica
computacional será avaliada a capacidade da estrutura em proteger os ocupantes, bem como
serão utilizados manequins virtuais para obter as respostas do corpo humano aos diferentes
eventos de colisão veicular.
São apresentadas técnicas para criação dos metamodelos e definida a melhor aproximação que
foi aplicada no processo otimização da estrutura do veículo, objetivando atingir a menor massa
possível. Além disto, o veículo precisa cumprir aos requisitos de proteção dos ocupantes em
casos de impacto frontal, lateral e traseiro. Também serão avaliadas as respostas biomecânicas
dos ocupantes, respostas do corpo humano a forças internas e externas, em impactos veiculares
não regulamentados pelas Nações Unidas, mas são procedimentos de teste empregados para
avaliar e comparar os resultados entre diferentes veículos.
O estudo é inovador pois na formulação dos problemas de otimização são utilizadas funções
objetivo e restrições tanto estruturais quanto biomecânicas. O veículo projetado servirá de base
para o desenvolvimento de futuros estudos em diferentes áreas e disciplinas da Universidade,
podendo ser utilizado na definição, aplicação e validação de novos conceitos.
Finalmente, por meio da otimização numérica computacional baseada em metamodelos,
demonstra-se que o veículo pode ser melhorado, satisfazendo os requisitos estabelecido e
promovendo redução no tempo e no custo de desenvolvimento de um novo veículo.

v
Abstract

The work aims to develop a vehicle with mass less than 500 kg and it meets the structural and
biomechanical requirements according to the United Nations regulations regarding the
occupant protection. To achieve these goals will be applied optimization processes based on
metamodels that are surrogate models for finite elements models.
The work presents the development of a conceptual full vehicle for two occupants, it is shorter
and narrower compared to a conventional vehicle, allowing the reduction of occupied space in
urban centers. Through computational numerical simulation will evaluate the ability of the
structure to protect the occupants and will be used virtual mannequins to assess the human body
responses to different types of vehicular collisions.
Techniques to create metamodels will be presented and setting the best approximation that was
applied to the optimization process of the vehicle structure with the objective to obtain the
lowest possible mass. Furthermore, the vehicle must meet the occupants’ protection
requirements in events of frontal, lateral and rear impact. Also, it will be evaluated the
occupants’ biomechanical responses in case of vehicular impacts not regulated by United
Nations. However, these test procedures are applied to assess and comparing results among
different vehicles.
The study herein developed presents significant contributions since in the optimization
problems are used both structural and biomechanical responses as objective and constraint
functions. The vehicle designed will be a basis for the development of future studies in different
areas and disciplines of the University. It will be used in the definition, implementation and
validation of new concepts.
Finally, it is shown that the application of numerical optimization based on metamodels is an
effective process to improve the vehicle performance by meeting the requirements and
promoting a reduction in time and cost of developing.

vi
SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO AO IMPACTO DE VEÍCULOS ............................................................. 1
1.1. RESISTÊNCIA ESTRUTURAL A IMPACTO – CRASHWORTHINESS ................... 2
1.2. GERENCIAMENTO DE ENERGIA CINÉTICA ........................................................ 10
1.3. PULSO DO IMPACTO ................................................................................................. 19
1.4. INTERAÇÃO VEÍCULO – OCUPANTE – SISTEMA DE RETENÇÃO ................... 20
1.5. HISTÓRICO E CRONOLOGIA DOS MANEQUINS ANTROPOMÓRFICOS PARA
TESTE (ANTROPOMORPHIC TEST DEVICES – ATD’S) .......................................... 22
1.6 ACIDENTES DE TRÂNSITO NO BRASIL E NO MUNDO ....................................... 30
1.7 OBJETIVOS DA TESE .................................................................................................. 31
1.8 ORGANIZAÇÃO DA TESE .......................................................................................... 32

2. PROJETO DE UM AUTOMÓVEL URBANO SEGURO (AUS) ................................. 34
2.1. COMO NASCEU O PROJETO DO AUTOMÓVEL URBANO SEGURO ................ 34
2.2. MATERIAIS .................................................................................................................. 42

3. NORMAS, REGULAMENTAÇÕES E LEGISLAÇÕES MUNDIAIS E
PROGRAMAS DE AVALIAÇÕES VEICULARES QUANTO A SEGURANÇA
VEICULAR ......................................................................................................................... 48
3.1. IMPACTO FRONTAL – REGULAMENTAÇÃO BRASILEIRA ............................... 48
3.2. IMPACTO TRASEIRO – REGULAMENTAÇÃO BRASILEIRA ............................. 52
3.3. IMPACTO LATERAL – REGULAMENTAÇÃO BRASILEIRA ............................... 54
3.4. IMPACTO FRONTAL – ECE R94 – PROCEDIMENTO DE TESTE E
REQUISITOS.................................................................................................................... 73
vii
3.5. IMPACTO FRONTAL – ECE R12 – PROCEDIMENTO DE TESTE E
REQUISITOS .................................................................................................................... 77
3.6. IMPACTO LATERAL – ECE R95 – PROCEDIMENTO DE TESTE E
REQUISITOS .................................................................................................................... 78
3.7. IMPACTO TRASEIRO – ECE R32 – PROCEDIMENTO DE TESTE E
REQUISITOS .................................................................................................................... 80
3.8. IMPACTO FRONTAL, LATERAL E TRASEIRO – ECE R34 – PROCEDIMENTO
DE TESTE E REQUISITOS ............................................................................................. 81
3.9. IMPACTO FRONTAL – FMVSS 208 – PROCEDIMENTO DE TESTE E
REQUISITOS .................................................................................................................... 82
3.10. IMPACTO LATERAL – FMVSS 214 – PROCEDIMENTO DE TESTE E
REQUISITOS .................................................................................................................... 86
3.11. IMPACTO FRONTAL, TRASEIRO E LATERAL – FMVSS 301 –
PROCEDIMENTO DE TESTE E REQUISITOS ............................................................. 89
3.12. RESISTÊNCIA DO TETO AO ESMAGAMENTO – FMVSS 216 –
PROCEDIMENTO DE TESTE E REQUISITOS ............................................................. 92

4. MECANISMOS E CRITÉRIOS DE LESÕES .............................................................. 105
4.1. MECANISMOS DE LESÃO NA CABEÇA. .............................................................. 105
4.2. CRITÉRIO DE LESÃO NA CABEÇA ....................................................................... 105
4.3. MECANISMOS DE LESÃO NO PESCOÇO. ............................................................ 110
4.4. CRITÉRIOS DE LESÕES NO PESCOÇO.................................................................. 113
4.5. MECANISMOS DE LESÃO DA CAIXA TORÁCICA ............................................. 117
4.6. CRITÉRIOS DE LESÃO DA CAIXA TORÁCICA ................................................... 118
viii