Colisão entre veículos e peões com projecção frontal

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CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011 | CIBEM 10, Porto, Portugal, 2011 V Actas

Actas del

X Congreso Iberoamericano

de Ingeniería Mecánica – CIBIM 10

Oporto, Portugal

4-7 septiembre 2011

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VI CIBEM 10, Porto, Portugal, 2011 | CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011 Actas

Ficha Técnica

Titulo: Actas do X Congresso Ibero-americano em Engenharia Mecânica - CIBEM10

Editado por: R.M. Natal Jorge; João Manuel R.S. Tavares; José Luis Alexandre; António JM

Ferreira; Mário Vaz

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, Porto, Portugal

Data: Agosto 2011

Execução gráﬁca: Tipograﬁa Nunes Lda - Maia

Depósito Legal: 332096/11

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CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011 | CIBEM 10, Porto, Portugal, 2011 VII Actas

Prefácio ………

XIII

A. Ciências Aplicadas

1. Métodos numéricos - Mecânica Computacional e Simulação ……… 1

2. Mecânica geral - Mecânica Experimental ……… 341

3. Vibrações mecânicas e acústica ……… 477

5. Mecânica de ﬂuidos ……… 609

6. Termotecnia - termodinâmica ……… 955

7. Energia - Energia Eólica - Energia Solar ……… 1201

8. Sistemas de Representação - CAD - Interfaces e Visualização - Processamento e Análise de Imagem ……… 1539

9. Estruturas ……… 1591

10. Mecatrónica - Electromecânica - Robótica ……… 1691

11. Instrumentação ……… 1709

12. Materiais e Metalurgia ……… 1723

13. Tribologia ……… 2265

14. Biomecânica - Mecanobiologia - Bioengenharia ……… 2379

B. Desenho e Concepção de Máquinas e Componentes 15. Sinteses e análises de mecanismos - Desenvolvimento do Produto ……… 2659

16. Veículos automóvel ……… 2747

17. Maquinário de transporte ……… 2999

18. Máquinas ferramenta ……… 3027

19. Desenho de elementos de máquina ……… 3087

20. Outras máquinas ……… 3169

C. Fabricação de Componentes e Máquinas 21. Processos de fabricação ……… 3205

22. Planejamento e controle da fabricação ……… 3577

23. rodução industrial - Gestão de Produção ……… 3597

24. Fabricação automatizada (CAM) ……… 3651

25. Controle de Qulidade ……… 3661

26. Ensaios e veriﬁcações ……… 3717

ÍNDICE

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VIII CIBEM 10, Porto, Portugal, 2011 | CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011 Actas 27. Metrologia ……… 3809 D. Exploração de Máquina 28. Manutenção ……… 3869 29. Aspectos ambientais ……… 3927 30. Reacondicionamento ……… 3975 E. Métodos e Técnicas para a Formação em Engenharia

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CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011 | CIBEM 10, Porto, Portugal, 2011 2907 COLISÃO ENTRE VEÍCULOS E PEÕES COM PROJECÇÃO FRONTAL

CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011 CIBEM 10, Porto, Portugal, 2011

RM Natal Jorge, JMRS Tavares, JL Alexandre, AJM Ferreira, MAP Vaz (Eds)

COLISÃO ENTRE VEÍCULOS E PEÕES COM PROJECÇÃO FRONTAL

Sérgio D. L. Rodrigues 1_{, Diogo E. C. Brites} 2_{, Paulo A. G. Piloto} 3

1-Instituto Politécnico de Bragança, Campus Santa Apolónia, Bragança, Portugal, email: sdlrodrigues@hotmail.com 2- Instituto Politécnico de Bragança, Campus Santa Apolónia, Bragança, Portugal, email: diogobrites@live.com 3- Instituto Politécnico de Bragança, IDMEC, Campus Santa Apolónia, Bragança, Portugal, email: ppiloto@ipb.pt

Palavras chave: Atropelamento, Colisão, Veículos, Peões, Projecção frontal.

Resumo

A investigação na reconstituição de acidentes é frequentemente confrontada com atropelamentos de peões por veículos. Grande parte dos acidentes ocorrem por impacto frontal do veículo com o peão, [1], podendo em alguns casos ser considerado um impacto com projecção frontal. Neste trabalho será estabelecida uma relação entre a velocidade de pré-impacto e a distância de projecção, utilizando dois métodos de cálculo.

O método simpliﬁcado [1], considera o movimento do peão descrito por três fases distintas; impacto com transferência da quantidade de momento linear do veículo para o peão; queda por movimento plano geral de corpo rígido, descrito pelas equações de equilíbrio dinâmico; deslizamento com imobilização, descrito pelo princípio do trabalho e energia. Este modelo permite determinar a distância de projecção para cada uma das fases.

O método avançado de cálculo utiliza dois modelos de corpos rígidos para o peão [2]. O método A é constituído por um modelo de corpo rígido único e o método B é constituído por um modelo antropométrico de corpos rígidos articulados, ambos para descrever um movimento com impacto entre o veículo e o peão.

Neste trabalho será apresentado um estudo paramétrico para avaliação da inﬂuência dos principais parâmetros intervenientes neste tipo de acidentes (velocidade de pré-impacto do veículo, massa do peão e massa do veículo).

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2908 CIBEM 10, Porto, Portugal, 2011 | CIBIM 10, Oporto, Portugal, 2011 Sérgio D. L. Rodrigues, Diogo E. C. Brites, Paulo A. G. Piloto

1. Introduç Os atropelam peões depend ocorrem. Os última décad particular aqu com uma red segurança ro Portugal ocup por milhão d ocupa a 1º lug de vítimas m número total 16.1% no ano Neste artigo colisão, com quando são v veículos de el veículos de p crianças). No âmbito atropelament assume-se co de acidentes projecção do velocidade d factores que projecção e a mecanismos do veículo co Nas secções cálculo para d método simp método simp fundamentais que o métod dos mesmos segmentos an 2. Atropelam Este tipo de três fases, ve impacto do v tempo muito manterem o superiores a segunda fas movimento p da gravidade. em contacto de atrito. Figu ção mentos ocorrid dem do local (r s atropelament da, sofreram u ueles que se v dução de 50 [3 odoviária da pa a 13º lugar de habitantes

gar com meno mortais por a l de vítimas em o de 2006. é analisado u projecção fro verificadas dete levada altura f passageiros co o dos estu tos, a velocida omo factor ma rodoviários. o peão é det de pré-impacto influenciam a velocidade d de colisão que om o peão e do seguintes são determinação d plificado e o m plificado de s da dinâmica do avançado d s fundamento natómicos artic mento com p e atropelamen er figura 1. N veículo com o o curto [5], c o contacto c sofrerem ro e, mais pro plano geral, co . Na fase final com o solo, e ura 1: Representaç Sérgi

dos por colisão rural ou urban tos ocorridos uma variação verificaram for 3]. Nos dados Europa (19 em número d (14.8), enquan or número (6.1 atropelamento m acidentes r um tipo de at ontal. Estes a erminadas con frontal com pe m peões de b udos de i ade de pré im ais importante A medição terminante pa o do veículo a relação entr de pré-impact e se podem ve o peão com o o utilizados d da velocidade método avança cálculo deriv a de corpos r de cálculo res os, mas com

culados. projecção fron to pode ser c Numa primeir o peão, durant com os mem com o solo otações indep olongada, o m o corpo em l, considera-se estando subme ção do movimento io D. L. Rodrigue o de veículos c no) e do país o em Portugal, significativa, ra das localidad estatísticos so 9 membros) de vítimas mor nto que a Su 1). A percentag o em relação rodoviários foi tropelamento cidentes ocorr ndições: colisão eões ou colisão baixa estatura investigação mpacto do veíc na reconstitui da distância ara o cálculo . Existem vá re a distância to, para além erificar na rela solo. dois métodos de pré impacto ado de cálculo va das equaç rígidos, enqua sulta da aplica a utilização ntal caracterizado ra fase ocorr te um período bros inferiore e os memb pendentes. Nu peão entra m queda por ac o corpo do p etido a uma ac o do peão. es, Diogo E. C. Br com onde , na em des, obre [4], rtais uécia gem ao i de por rem o de o de (ex: de culo ição de da ários a de dos ação de to: o o. O ções anto ação de por re o o de es a bros uma em cção peão cção Par con ma coe coe 3. Ne mé rep fas def cor No mo ana po per Em dif tip (M ide ma Fo As nas rites, Paulo A. G. P ra análise d nhecimento d assa e a posiç eficientes de r eficiente de atr Métodos de

esta secção são étodo simplif presentado po

es definidas. P finido um mo rpo rígido, util

Figura 2: o método ava odelo antropom atómicos, arti ssível expressa rcentagem da m Figura 3: Re m todos os m ferentes massas os de veículos Mp) tiveram em eais, considera assa [7]. ram ainda co tabela 1 apre s simulações. Tabela 1 Mv [kg] Mv1=2 Mv2=3 Mv3=20 Mv4=30 Piloto as fases des da geometria ção do peão, restituição entr rito entre o peã

análise o apresentados ficado consi r um único c Para o método odelo semelha izando o prog Representação do nçado de cálc métrico, consti culados entre ar a massa de massa corpora epresentação do m métodos de a s para os veícu (mistos e pes m consideração ando a altura nsideradas vár esenta um resu

: Variação dos par

] Vcol [km/h] 000 000 000 000 Vcol1 Vcol2 Vcol3 Vcol4 Vcol5 Vcol6 Vcol7 Vcol8= Vcol9= Vcol10= scritas, é fu e da massa a duração do tre os diferent ão e o solo. s três métodos idera o cor corpo rígido, o avançado de ante ao anter grama Interacti o corpo rígido do culo B foi co tituído por vár si, [6]. Nest e cada segmen al total, ver figu

multi-corpo rígido análise foram ulos (Mv), cons sados). As mas o os dados an a (2h) adequa rias velocidad umo das variá

râmetros de simul h] Mp [k/2h [ =30 2=40 3=50 4=60 5=70 6=80 7=90 =100 =110 =120 p1=30 p2=43 p3=47 p4=56 p5=59 p6=66 p7=70 p8=75 p9=79 p10=84 undamental o do veículo, a o impacto, os tes corpos e o s de análise. O rpo humano sujeito às três e cálculo A foi rior, com um ive Physics. peão. nsiderado um rios segmentos te modelo foi nto como uma

ura 3.

do peão.

consideradas siderando dois ssas dos peões tropométricos ada para cada des de colisão. áveis utilizadas lação. kg] [m] .9/1.37 .0/1.45 .6/1.50 .8/1.60 .1/1.63 .0/1.70 .6/1.75 .1/1.80 .7/1.85 .3/1.91 o a s o O o s i m m s i a s s s s a . s

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3.1. Método Neste método corpo human determinadas utilizando o m Durante a fa quantidade d Mv, e o peão v col vv M M � A relação ent vcol) e depois pelo coeficien col p pr p proj v v v v v e � � � O valor do co velocidade d por Wood e Lucchini e W � � � � � 0 . 0 12 . 0 e

Esta fase dese (timp), assumin equação 4. P médio de con proj p imp v t S � � No final da completa de interacção, e posteriores. Durante a fas uma velocida mantém os p implica a ex responsável p o simplificado o foi determin no (Stotal), at s pelas três fa manipulador si ase de impacto de momento li de massa Mp, proj p p proj v M v v � tre as velocidad s do impacto nte de restituiç roj oeficiente de r de colisão, con Walsh [8] sob Weissner [9], ver 006 . v se v se vcol envolve-se dur ndo um movi ara este movim ntacto de 0.056 imp t fase de impac momento lin entre o veícu se do movime ade inicial vp pés em contac xistência de pela rotação do Figura 4: Repr Sérgi o nada a distânci través da som ases (Simp., S imbólico Mapl o verifica-se a inear entre o ver equação 1 j

des dos dois c (vp proj e vv pro

ção (e), ver equ

restituição vari nforme estud bre os testes d r equação 3. � � / [ 20 / [ 20 s m v m v col col rante o curto p imento rectilín mento foi assu 6 [s], [5].

cto é assumid near, não assu ulo e peão, ento plano gera

p proj, assumin

cto com o sol uma força d o corpo do peã resentação da fase io D. L. Rodrigue a de projecção ma das distân Sdin., Satrito) le. a transferência veículo de ma . corpos, antes (v oj), é caracteriz uação 2. ia com o valor os desenvolvi desenvolvidos ] ] s s período de tem neo uniforme, umido um tem da a transferên umindo qualq nas duas fa al, o peão adq ndo que o p lo. Este conta de atrito e s ão, ver figura 4

2. es, Diogo E. C. Br o do ncias [1], a da assa (1) (vp e zada (2) r da idos por (3) mpo ver mpo (4) ncia quer fases quire peão acto será 4. O est equ

�

A r o p equ ent (�) � y As equ po

�

� � � �� k Ne do rep cen atri um tra O util qua � � t t Es pel ger po Na cor dad � � y Du dim hor vel vproj rites, Paulo A. G. P peão estará su te período, sen uações 5-6. CM a m F��

�

CM CM H M� � ��

�

restrição ao m peão se manté uação 7. Esta tre o movimen . �) cos( � � h equações 5-7 uações difere sição do centr

�

� � � � ) sin( s 1 1 2 2 � � � � � h k x estas equações centro de presenta o raio ntro de massa, ito. Os invest m valor para o balho de dez g sistema foi s lizando o mét arta-quinta ord , 0 0 , 0 � � � � � _v_p_proj x x ta solução pe lo corpo rígid ral. A simula sição angular a a terceira fase rpo rígido co da pela equaçã �� º90��h��

urante este pro minuição da qu rizontal, que locidade horizo ��90�� x_� � f oj � Piloto ujeito à acção ndo o equilíbri ovimento do p ém em contact equação perm nto vertical (y)

� � � � � _�_y_� _h �� 7 podem ser re nciais acoplad o de massa e a

�

� ) cos( ) cos( ) sin( ) sin( � � � � � � � � � � � � _h h s a componen massa está o de giração do , enquanto � tigadores Woo coeficiente de grupos de inve er resolvido todo numérico dem, com as se 0 0 � � � � � rmitiu determ do “Sdin”, du ação deverá atingir 90º. deste método m o solo, pa ão 10. ocesso (impac uantidade de m se traduz num ontal. ��90� y� da gravidade io dinâmico tr

peão serve par cto com o solo mite efectuar o e a rotação do � � sin _� _� 2 � � � _h eagrupadas nu adas 8, que a posição angu

�

� � � c ) cos( 2 2 2 � � � � � � � � h gh g nte horizontal representada o corpo rígido representa o od e Simms [ e atrito de 0.5 estigação difere em ordem a o de Runge K eguintes condi minar a distân urante o mov ficar concluíd o, verifica-se ara uma veloc

cto vertical), v momento line ma diminuição durante todo raduzido pelas (5) (6) ra garantir que o, utilizando a o acoplamento o corpo rígido � cos 2_� (7) um sistema de relacionam a ular do corpo.

�

) cos(� (8) da aceleração por x��, k em relação ao coeficiente de [10], propõem 8, baseado no entes. “x” e a "�”, Kutta, Fehlberg ições iniciais. (9) cia percorrida vimento plano da quando a o impacto do cidade vertical (10) verifica-se uma ar na direcção o do valor da (11) o s ) ) e a o o ) e a ) o o e m o , g ) a o a o l ) a o a )

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Por aplicaçã determinado 2 1 2 _� f proj pv M Depois dest distância tota total S S �S_imp.� Nas figuras distância perc para o atrope distância aum da massa do v distância de aumento da m Figura 5: Distânc Figura 6: Distânc Figura 7: Distânc ão do princíp o valor da dist

�

��(_M_p_g)

�

�_S te último pas al percorrida “S atrito din S S �. 5-9 estão re corrida em fu elamento dos menta com a v veículo é seme projecção d massa do peão cia de projecção e pe cia de projecção e pe cia de projecção e pe Sérgi pio do trabal tância percorri 0 � atrito S sso, é possív Stotal”. epresentados o unção da veloc peões p2, p4 velocidade de elhante mas em diminui ligeir . em função da velo eão (p2). em função da velo eão (p4). em função da velo eão (p6). io D. L. Rodrigue lho e energia ida nesta fase.

vel determina os resultados cidade de coli , p6 p8 e p10 colisão. O ef m menor escala ramente com ocidade de colisão ocidade de colisão ocidade de colisão es, Diogo E. C. Br a, é (12) ar a (13) da são, 0. A feito a. A m o para para para Figu Figu 3.2 Ne Me veí me Vc (co O rep com (Vc Na de vel Fo de de (p1 rites, Paulo A. G. P ura 8: Distância d ura 9: Distância d 2. Método av este método fo erson para det ículo com o p esmas condiçõ col, Mp, 2h) oeficiente de r tempo de int presentado o m veículo de m col1). Figura 1 a figura 11 est um peão p1 locidade de co Figura 1 ram determina projecção, con resultados d 1,p3,p5,p7,p9), Piloto e projecção em fu peão (p e projecção em fu peão (p vançado A oi utilizado o m terminação do peão. Neste m es iniciais dos e os mesmo estituição) e a egração foi de resultado da s massa Mv1 e 10: Simulação da p tá representad 1, com veícul lisão (Vcol1). 1: Simulação da p ados valores s nforme se pod das distâncias , ver figura 12. unção da velocidad (p8) unção da velocidad p10). método numér o movimento modelo foram s corpos interv os parâmetros atrito (coeficie e 1 [ms]. Na simulação de baixa velocida projecção para Vc do o resultado lo de massa projecção para Vc semelhantes pa de verificar pel de projecçã . de de colisão para de de colisão para rico de Kutta-de colisão do m definidas as venientes (Mv, s de impacto ente de atrito). figura 10 está um peão p1, ade de colisão col1. da simulação Mv1 e baixa ol10. ara a distância la comparação ão dos peões

a a -o s , o . á , o o a a o s

(19)

Figura 12: Co Resultados colisões dos foi de 3%. 3.3. Método Neste méto integração, p do veículo co mesmas cond Vcol, Mp, 2h massa foi dis Algumas ar pescoço, etc comportamen Na figura 13 do atropelam Mv1 e baixa v Fig Na figura 14 do atropelam massa Mv1 e Figu As soluções origem a ma devido ao aum pela rotação d 4. Conclusõ Neste artigo análise de atr Estes método distância de veículos. omparação de resu ava semelhantes restantes peõe o avançado B do foi utiliz para determina om o peão. Ne dições iniciais h) e os mesm stribuída pelos rticulações (t c.) possuem l nto do corpo h está represen mento de um p velocidade de gura 13: Simulação 4 está represen mento do mes elevada veloci ura 14: Simulação obtidas com aiores distânci mento da quan de alguns segm ões foram aprese opelamentos d os permitem e projecção e Sérgi

ultados entre méto nçado A. foram encon es. O erro má B zado o mes ação do movim este modelo fo dos corpos in mos parâmetro s vários segme tornozelo, jo limites na ro humano. ntado o resulta peão p1, com colisão (Vcol1 o da projecção par ntado o resulta smo peão p1, idade de colisã da projecção para m o método ias de projecç ntidade de mo mentos anatóm entados difere de peões, com estabelecer um a velocidade io D. L. Rodrigue odo simplificado e ntrados para áximo encontr mo método mento de coli foram definida ntervenientes (M os de impacto entos anatómic oelho, cotov otação, confor ado da simula veículo de ma 1). ra Vcol1. ado da simula com veículo ão (Vcol10). a Vcol10. avançado B ção. Este fact omento produz micos. entes métodos m colisões front ma relação entr e de colisão es, Diogo E. C. Br e as rado de isão as as Mv, o. A cos. velo, rme ação assa ação o de dão to é zido s de tais. re a dos An res Mp Mv Vc e:= Vp tim Sim L:= k:= h:= dsy sin h*( t, t) t))^ t))) 9.8 init D( dso me Xte Vte Vro Sfa Vv Vp Sar Sto Re [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] rites, Paulo A. G. P nexo (instruçõ start; p:=43; v:=2000; col:=((30*1000 =0.12-0.006*V proj:=((Mv)/(M mp:=0.056; mpact:=Vproj* =1.45; =(0.23)*L; =L/2; ys1:={((9.81*h n(f(t)))*(-h*(dif (diff(f(t), t))^2* ))*sin(f(t))))+( ^2*cos(f(t)))=( )-(h*sin(f(t))*(d 81}; t1 :={x(0)=Sim (f)(0)=0}; ol1 := dsolve(d ethod=rkf45, o empo:=4.3835 empo:=8.1364 ottempo:=4.95 allover:=Xtem v:=h*Vrottemp projf:=Vtempo rrasto:=(Vproj otal:=Simpact+ eferências D P Wood, pedestrian co impact and p J. Automobile E MSC Softwa 2000. Autoridade “Principais in Observatório de SafetyNet, “T Road Safety O Aldman, B., Romanus, B. of lower leg impacts”,Int Injury conferenc Raquel Santo Pós Graduação Évora, Fever Devine BJ, Pharm, 8: 650 Wood, D. P. projection im 305, 2002. Lucchini, E.. kinematics a Piloto ões Maple) 0)/3600); col; Mv+Mp))*(1+ *timp; h*sin(f(t)))+(9. ff(f(t), t, t))*sin *cos(f(t)))+(h* (h*(0.58))*cos( (diff(f(t), t, t))* diff(f(t), t, t)))= mpact, D(x)(0) dsys1 union ini output=array([ 58360095493; 46013287423; 504713668296 po-Simpact; po; o-(0.58*Vv); f)^2/(2*0.58* +Sfallover+Sar C K Simms, a ollisions: valid projection ", Pr Engineering, IM are, "Interactiv Nacional d ndicadores de e Segurança Rod Traffic Safety B bservatory, Octo , Thorngren, ., “An experim g and knee ternational Resea ce, pp. 180–193 os & Carlos Fu o: Técnico Superi eiro 2003. “Gentamicin 0-655, 1974. . and Walsh, D mpact”, Int. J. Weissner, D. and loadings +e)*Vcol; .81*h*(0.58))*c n(f(t)))+(h*sin( *0.58*cos(f(t)) (f(t))*(-h*(diff( *(k)^2,(1/(.58) =h*(diff(f(t), t) )=Vproj, f(0)= nit1, numeric, [0,0.01,…,0.49 66; *9.81); arrasto; and D G Wal dated models roc. IMechE. V MechE, 2005 ve physics, us de Segurança e sinistralidade doviária, 2011. Basic Facts 20 ober 2008. L., Bunketo mental model injuries in c arch Council on 3, 1980. ujão, “Antropo rior de HST, Un therapy”, D D. G.; “Pedes . Crashworthine ., “Difference of impacte cos(f(t)))+(h* (f(t)))*(-*(-h*(diff(f(t), (f(t), )*((diff(x(t), t, ))^2*cos(f(t))-=0, 9,])); sh, " Vehicle– for pedestrian Vol. 219 Part D: ser’s manual", a Rodoviária, e continente”, 008”,European

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ometria”, Curso

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