Modelo multicuerpo para la simulación de ensayos en una Máquina de Choque de Peso Medio

Resumen

La máquina de ensayos de choque de peso medio, más conocida como Medium Weight Shock Machine (MWSM), es una máquina de ensayos de choque diseñada para validar equipos de 250 a 6000 lb que se instalan en buques de guerra. La máquina consta de una bancada de hormigón de 90000 lb flotante dispuesta sobre unos resortes, y sobre ella se disponen un martillo a modo de péndulo y una mesa yunque. El equipo a probar se monta sobre la mesa de yunque mediante unas estructuras intermedias que añaden flexibilidad al conjunto. En una prueba de choque, el martillo se eleva a una altura específica definida según MIL-DTL-901E y, una vez liberado, realiza un movimiento de péndulo hasta que golpea la mesa de yunque desde abajo, impartiéndole una aceleración vertical. El recorrido de la mesa de yunque está limitado por topes superiores e inferiores, que también permiten pequeñas rotaciones.

La simulación de un ensayo de choque en una MWSM se ha abordado tradicionalmente mediante modelos unidimensionales simplificados que no incluyen fuerzas de contacto y aproximan la flexibilidad de las estructuras intermedias mediante fuerzas de tipo muelle-amortiguador lineales. En este trabajo, la simulación de los ensayos de choque en una MWSM se logra utilizando un modelo multicuerpo flexible 3D sometido a fuerzas de contacto.

El modelo multicuerpo propuesto considera la bancada, la mesa yunque y el martillo como cuerpos rígidos, mientras que las estructuras intermedias (canales o accesorios) y los equipos a ensayar se modelan como cuerpos rígidos o flexibles en función de la relevancia de su deformación elástica en un ensayo de choque. La elasticidad de los cuerpos flexibles se tiene en cuenta mediante un conjunto de modos de deformación calculados en un preproceso previo a la simulación dinámica.

El contacto de la mesa yunque con el martillo y con los topes superiores e inferiores se modela mediante un modelo de contacto Hunt-Crossley con coeficientes de restitución estimados a partir de experimentos en una máquina real. Para la simulación dinámica, se ha extendido la formulación Augmented Lagrangian index-3 (ALI3-P) con proyecciones de velocidad y aceleración en coordenadas naturales para soportar cuerpos flexibles en el contexto del método de referencia flotante o Floating Frame of Reference (FFR).

La simulación dinámica del modelo multicuerpo propuesto se ha comparado con datos experimentales de la máquina real, obteniéndose una buena convergencia en términos de Espectros de Respuesta a Choque o Shock Response Spectrums (SRS). Los datos experimentales también se han utilizado para ajustar el amortiguamiento estructural y otros parámetros dinámicos del modelo.