El problema
En el desarrollo de un vehículo eléctrico de altas prestaciones, la seguridad pasiva debe convivir con objetivos muy ambiciosos de ligereza, rigidez e integración de sistemas complejos, como el paquete de baterías y las limitaciones de packaging. Cuando la estructura portante está fabricada con materiales compuestos, la complejidad aumenta aún más: el comportamiento frente al impacto no depende únicamente de la geometría, sino también de la arquitectura del laminado, de los materiales del núcleo (como las espumas estructurales), de las zonas reforzadas y de las uniones híbridas con componentes metálicos.
En el ámbito del motorsport, este equilibrio forma parte del día a día. Los monocascos y chasis de fibra de carbono demuestran que es posible alcanzar una capacidad muy elevada de absorción de energía, siempre que el diseño tenga en cuenta desde el inicio los mecanismos de rotura progresiva, las inestabilidades locales, las delaminaciones y la viabilidad del proceso de fabricación.
El reto no consiste únicamente en superar un ensayo de homologación, sino en desarrollar una estrategia de diseño que reduzca el número de iteraciones físicas, minimice los costes de desarrollo y permita obtener rápidamente una solución robusta, repetible y compatible con los procesos de fabricación propios de los materiales compuestos.
El desafío
El desafío de ingeniería consistió en desarrollar un modelo de simulación de crash fiable para un monocasco de materiales compuestos formado por múltiples subconjuntos, en el que conviven elementos estructurales de CFRP monolítico con componentes tipo sandwich de núcleo de espuma, además de refuerzos localizados e insertos metálicos.
La carrocería está formada por subconjuntos con funciones y tecnologías diferentes —paneles laterales con volúmenes rellenos y refuerzos localizados, techo con estructura sandwich, suelo monolítico, travesaños traseros reforzados, estructura metálica del paquete de baterías y uniones atornilladas y adhesivas—, cuya interacción condiciona directamente los caminos de carga durante el impacto y los mecanismos de colapso.
Además, los vehículos eléctricos introducen un requisito fundamental: controlar la intrusión y la deformación en la zona de la batería y del piso del vehículo, evitando que las concentraciones de carga provoquen daños localizados difíciles de controlar.
Para validar el concepto se analizaron distintas configuraciones de impacto basadas en normativas y protocolos de referencia, incluyendo impacto frontal completo, impacto frontal descentrado contra barrera deformable, impacto lateral contra poste, impacto trasero y ensayo de aplastamiento del techo. El objetivo era identificar de forma temprana las zonas críticas y orientar la evolución de la geometría, las uniones y el laminado.
Nuestra contribución
SmartCAE abordó el proyecto siguiendo la metodología utilizada habitualmente en el motorsport para el desarrollo de estructuras de materiales compuestos: partir de la geometría CAD y convertirla en un modelo FEM capaz de reproducir fielmente el comportamiento real de los materiales y las limitaciones de fabricación, evitando simplificaciones que oculten problemas y generen resultados poco representativos.
El modelo se desarrolló por subconjuntos, definiendo las características de los laminados —espesores, orientaciones y zonas reforzadas— y representando los componentes sandwich con núcleo de espuma, las zonas de rigidización y las integraciones híbridas, como refuerzos localizados y componentes metálicos en áreas estratégicas.
Se prestó especial atención a las uniones. Allí donde la estructura compuesta trabaja conjuntamente con elementos metálicos y con el paquete de baterías, la calidad del modelo de unión —adhesivos estructurales, uniones atornilladas y contactos— resulta determinante para conseguir una disipación progresiva de la energía en lugar de roturas prematuras.
A partir de las simulaciones de crash realizamos un análisis detallado de los mecanismos de fallo, identificando los comportamientos característicos de las estructuras de CFRP: daños por compresión en el suelo y las subestructuras, rotura de las pieles y colapso del núcleo en impactos laterales, así como la sensibilidad de las zonas rigidizadas, donde las transiciones de rigidez pueden favorecer la aparición de fallos localizados.
La experiencia adquirida por SmartCAE en el desarrollo de monocascos y componentes de materiales compuestos de altas prestaciones permitió transformar los resultados numéricos en decisiones de diseño concretas, equilibrando el comportamiento frente al impacto, la rigidez global y la fabricabilidad, incluyendo procesos como el RTM de alta presión y la integración de refuerzos e insertos metálicos.
Beneficios para el cliente
El principal beneficio para el cliente es disponer de un proceso de desarrollo guiado por la simulación y el comportamiento físico real de la estructura, en lugar de depender exclusivamente de costosas iteraciones sobre prototipos físicos.
Cuando la simulación de crash se desarrolla correctamente para estructuras de materiales compuestos, permite identificar desde las primeras fases dónde la estructura absorbe eficazmente la energía y dónde, por el contrario, tiende a colapsar de forma no deseada.
Este aspecto resulta especialmente importante en un vehículo eléctrico, donde la protección del paquete de baterías y el control de las intrusiones deben formar parte de la arquitectura estructural desde el inicio del proyecto y no resolverse mediante modificaciones posteriores.
La experiencia de SmartCAE en el diseño de estructuras compuestas para el motorsport aporta además una ventaja competitiva. Somos capaces de interpretar correctamente los resultados del daño progresivo y transformarlos en soluciones de diseño realmente fabricables, optimizando el equilibrio entre refuerzos localizados, continuidad de las fibras, transiciones de rigidez e integración de componentes metálicos únicamente donde aportan valor.
En definitiva, el cliente obtiene un proceso de desarrollo más rápido y fundamentado, reduce el número de iteraciones costosas, minimiza el riesgo de incidencias durante la validación experimental y consigue una estructura más robusta frente a las variaciones inherentes a los materiales compuestos, como las tolerancias de fabricación, los espesores o la calidad de las uniones adhesivas, manteniendo al mismo tiempo el elevado nivel de prestaciones esperado en un vehículo de estas características.
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