Tesis Doctorales

154 Pages·2012·3.69 MB·Spanish

UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
TESIS DOCTORAL
DESARROLLO DE UNA NUEVA HERRAMIENTA BASADA
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EN REDES NEURONALES PARA EL DISENO DE
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PROTECCIONES LIGERAS CERAMICA-METAL FRENTE A
IMPACTO DE ALTA VELOCIDAD
Autor: David Fern´andez Fern´andez
Director: Profesor D. Ram´on Zaera Polo
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DEPARTAMENTO DE MECANICA DE MEDIOS CONTINUOS Y
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TEORIA DE ESTRUCTURAS
Legan´es, marzo de 2007
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TESIS DOCTORAL
DESARROLLO DE UNA NUEVA HERRAMIENTA BASADA EN
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REDES NEURONALES PARA EL DISENO DE PROTECCIONES
´
LIGERAS CERAMICA-METAL FRENTE A IMPACTO DE ALTA
VELOCIDAD
Autor: David Fern´andez Fern´andez
Director: Profesor D. Ram´on Zaera Polo
Firma del Tribunal calificador
Presidente:
Vocal:
Vocal:
Vocal:
Secretario:
Calificaci´on:
Legan´es, de de 2007
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AGRADECIMIENTOS
Quiero agradecer al Profesor D. Ram´on Zaera toda la comprensi´on y dedicaci´on
profesional y humana que ha mostrado conmigo desde que llegu´e al Departamento.
Atodosmiscompan˜erosdeDepartamento,demaneramuyespecialaJos´eFern´andez
Sa´ez, por los buenos consejos y sugerencias y por su apoyo en momentos clave. A Jorge
L´opezPuente,porsusbuenasideasysuincondicionalsoporteinform´atico.AJos´eAntonio
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Loya y a Angel Arias por sus pr´acticas sugerencias. A mis compan˜eros de despacho,
Rolando, Guadalupe y Carlos, por lo bien que nos hemos entendido en estos an˜os y por
u´ltimo, a los t´ecnicos de laboratorio, Pepe Puerta y Sergio Puerta, por la ayuda dispuesta
que siempre nos han prestado.
A los alumnos de Trabajo Dirigido de la Titulaci´on de Ingenier´ıa Industrial de la
Universidad Carlos III de Madrid, Jose Mar´ıa Garc´ıa Serrano y David Bordas Mart´ınez
por su colaboraci´on en algunas de las tareas de simulacio´n num´erica y postproceso de
resultados.
Por u´ltimo, se desea agradecer a la Comunidad Aut´onoma de Madrid la financiaci´on
de los proyectos 07N/0040/2002 titulado Estudio de la influencia de la oblicuidad de la
trayectoria del proyectil en la respuesta de protecciones contra impacto de alta veloci-
dad. Predicci´on de la respuesta de la protecci´on mediante redes neuronales y GR/MAT/
0507/2004 titulado Predicci´on de la respuesta frente a impacto de elementos estructurales
de absorci´on de energ´ıa utilizando t´ecnicas basadas en redes neuronales.
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RESUMEN
Se ha desarrollado una nueva herramienta para el disen˜o de protecciones ligeras
cer´amica-metalfrenteaimpactodealtavelocidadbasadaenRedesNeuronalesArtificiales.
La herramienta predice, en tiempo real, el comportamiento de la protecci´on frente a un
impacto de alta velocidad, determinando si se produce la parada del cuerpo impactador o
la perforaci´on de la protecci´on, y en ese caso, la velocidad y la masa residuales del cuerpo.
Para el entrenamiento y verificacio´n de la Red Neuronal se ha generado, mediante
simulaci´on num´erica, un amplio conjunto de casos de impacto abarcando diferentes ge-
ometr´ıas y materiales del cuerpo impactador y de la protecci´on y diferentes velocidades
de impacto, dentro del rango habitual de variaci´on de estas variables en los problemas de
impacto de alta velocidad.
Para la simulacio´n del comportamiento frente a impacto de la cer´amica se han mo-
dificado las ecuaciones constitutivas del modelo de Cort´es et al. y se han implementado
´estas, junto con un algoritmo de integracio´n desarrollado a tal efecto, en un c´odigo com-
ercial de simulaci´on num´erica. Posteriormente se han ajustado los par´ametros del modelo
para diferentes materiales cer´amicos y por u´ltimo se ha validado ´este, junto con el algo-
ritmo de integraci´on y el modelo de elementos finitos, para un amplio rango de energ´ıas
de impacto.
LaRedNeuronal desarrolladahamostrado unamuynotablecapacidadde predicci´on
del comportamiento de protecciones ligeras frente a impacto, por lo que su uso puede
constituir una alternativa para el disen˜o de estos sistemas.
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ABSTRACT
A new tool based on Artificial Neural Networks (ANNs) has been developed for the
design of lightweight ceramic-metal armors against high velocity impact of solids. The
developed tool predicts, in real-time, the response of the armor: impact body arrest or
target perforation are determined and, in the last case, the residual mass and velocity of
the impacting body are obtained.
A large set of impact cases has been generated, by numerical simulation, in order to
train and test the ANN. The impact cases consider different impacting body and target
geometries, materials and impact velocities, all these parameters varying in a wide range
that covers common impact situations.
In order to simulate the behavior of the ceramic material under impact, the constitu-
tive model proposed by Cort´es et al. has been modified and a new algorithm to integrate
it has been developed and implemented in a finite element code.
The parameters of the material model have been determined by inverse analysis for
different ceramic materials and finally, the modified constitutive model, its integration
algorithm and the finite element model have been validated for a large range of impact
energies.
The ANN developed has shown a remarkable prediction ability of the impact beha-
vior of lightweight ceramic-metal armors and therefore it could be an alternative to the
conventional design methodologies.
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