Синтез силовой схемы в отношении бокового удара

Глава ВКР: Исследование прочности и жесткости автомобильного кузова с помощью 3-D моделирования


Самаркин, А. А. 2019 год

Синтез конструкции кузова, обеспечивающей требуемые жесткостные показатели В настоящее время описанные в таблице 1.2 процедуры расчетного сопровождения проектирования автомобиля детально не разработаны. Ниже в разделе 1.3 приводится проект технического задания на разработку соответствующих проектных процедур (описаны входные и выходные данные, основные результаты работы, предполагаемый перечень необходимых для выполнения работы ресурсов). 1.3. ТЗ на методику расчетного сопровождения проектирования силовой схемы кузова Ниже приведен набор ТЗ на разработку основных расчетных процедур. Процедуры пронумерованы в соответствии с таблицей 1.2 (С0-С6). В каждом разделе указаны : — перечень исходных данных, необходимых для проведения работы — основные результаты работы — перечень выходных данных — по необходимости – описание содержания работы — предполагаемый состав исполнителей. С.0. Разработка концепции безопасности автомобиля. Содержание работы. Назначение документа “Концепция безопасности автомобиля” – определить методы и средства обеспечения требований безопасности для проектируемого автомобиля. Используемые проектные решения должны с одной стороны обеспечить безусловное выполнение целей по безопасности, с другой – согласовать применяемые средства безопасности с другими целями разработки. На первом этапе работы целевой уровень соответствия требованиям по безопасности транслируется в целевые показатели травмирования и целевые уровни деформации кузова автомобиля. На втором этапе работы определяются конструктивные мероприятия, за счет которых достигаются целевые показатели по конкретным типам ударов. Исходные данные: — Цели разработки и приоритет целей. — Перечень требований по безопасности, которым должен соответствовать автомобиль. — Целевой уровень соответствия требованиям по безопасности. — Фронтальный удар. — Боковой удар. — Наезд сзади. — Безопасность столкновения с пешеходом. — Требования к безопасности интерьера. — Требования страховых компаний. — Наезд на столб. Результаты работы. Документ “Концепция безопасности автомобиля”, содержащий концептуальную проработку конструкции автомобиля по всем направлениям безопасности. 1. Защита при боковом ударе — Целевые показатели травмирования манекена и деформации кузова автомобиля — Планируемые конструктивные мероприятия, обеспечивающие целевые показатели безопасности — Защита головы. — Защита груди — Защита брюшной полости и таза 2. Защита автомобиля при низкоскоростных ударах (тесты страховых компаний). — Цели разработки. — Планируемые конструктивные мероприятия, обеспечивающие целевые показатели безопасности 3. Дополнительные средства безопасности Таблица 1.3 – Выходные данные работы Выходные данные Примечание Целевой уровень соответствия автомобиля требованиям по безопасности Боковой удар Голова, HIC Грудь, сжатие Грудь, VC Брюшная полость, кН Таз, кН Деформация стойки на уровне верхнего ребра Деформация двери на уровне верхнего ребра Максимальная скорость внедрения двери в салон Максимальная скорость внедрения столба в салон Целевой график ускорения автомобиля Целевой график замедления телеги Перечень конструктивных мероприятий, обеспечивающих выполнение требований по боковому удару Тесты страховых компаний Стоимость восстановления автомобиля (работа) при фронтальном ударе Стоимость запчастей, необходимых для восстановления автомобиля при фронтальном ударе Стоимость восстановления автомобиля при наезде сзади Стоимость запчастей, необходимых для восстановления автомобиля при наезде сзади Перечень конструктивных мероприятий, обеспечивающих выполнение требований страховых компаний С.1. Предварительный анализ посадки манекена Исходные данные: — целевой уровень соответствия автомобиля требованиям по безопасности при фронтальном и боковом ударе — схема вместимости с посадкой 95% манекена — импульс замедлений автомобиля при фронтальном ударе — импульс замедления тележки и импульс ускорения автомобиля при боковом ударе — деформации кузова автомобиля при целевых ударах — критерии травмирования манекена при целевых ударах — перечень конструктивных мероприятий, обеспечивающих требования при фронтальном и боковом ударах Результаты работы. — документ «Схема посадки 50% манекенов HYBRIDIII для анализа фронтального удара» — документ «Схема посадки 50% манекена EuroSID для анализа бокового удара» — геометрия зон панели приборов и щитка передка, по которым устанавливаются геометрические и жесткостные характеристики, ограничения на деформации элементов и их внедрение в кузов — геометрия зон центральной стойки и обивки двери, по которым устанавливаются геометрические и жесткостные характеристики, ограничения на деформации элементов и их внедрение в кузов — сценарий поведения манекена и его элементов при фронтальном ударе автомобиля — сценарий поведения манекена и его элементов при боковом ударе Таблица 1.4 – Выходные данные работы Выходные данные Примечание Боковой удар Схема посадки манекена EuroSID, 50% мужчина Описание геометрии зоны возможного удара головой Координаты наиболее вероятного расположения пятна контакта для головы Глубина проникновения головы в обивку центральной стойки, требования к структуре на всю глубину проникновения Описание геометрии зоны удара грудью Координаты наиболее вероятного расположения пятна контакта для груди Глубина деформации обивки стойки и двери с внутренней стороны при ударе грудью Описание геометрии зоны возможного удара животом Координаты наиболее вероятного расположения пятна контакта для живота Глубина проникновения живота в обивку центральной стойки и двери, требования к структуре на всю глубину проникновения Описание геометрии зоны возможного удара тазом Координаты наиболее вероятного расположения пятна контакта для таза Глубина проникновения таза в обивку центральной стойки и двери, требования к структуре на всю глубину проникновения Перемещения зон обивки двери и стойки при ударе С.2. Синтез формы передка и конструкции передней части силового каркаса (ноги пешехода, Даннер) Исходные данные — приоритет целей (требования страховых компаний – законодательство по пешеходу – законодательство по фронтальному удару – цена автомобиля – капитальные затраты) — эскизная компоновка передка автомобиля — положение снаряженного автомобиля относительно земли — целевой уровень соответствия требованиям по безопасности пешехода — целевой уровень соответствия требованиям страховых компаний — стоимость восстановления автомобиля (работа) при фронтальном ударе — стоимость запчастей, необходимых для восстановления автомобиля при фронтальном ударе — стоимость восстановления автомобиля при наезде сзади — стоимость запчастей, необходимых для восстановления автомобиля при наезде сзади — габариты автомобиля, массово-инерционные характеристики автомобиля (масса, моменты инерции) — перечень конструктивных мероприятий, обеспечивающих требования при низкоскоростных ударах — семейство кривых, определяющих энергетику удара бедром в зависимости от формы автомобиля — обобщенная зависимость уровня травмирования бедра от минимального расстояния до жестких элементов и энергии удара Результаты работы — конструкция и материал балки бампера — конструкция и материал энергопоглощающих вставок для защиты ног — параметры травмирования нижней части ног при столкновении — параметры травмирования бедра при столкновении — конструкция и материалы элементов передка, обеспечивающих результаты по удару бедром — ограничения на внешнюю форму автомобиля — связь между внешней формой автомобиля и критериями травмирования — конструкция и материал энергопоглощающего элемента (крэш- бокса) Таблица 1.5 – Выходные данные работы Выходные данные Примечание Целевой уровень соответствия автомобиля требованиям по безопасности Геометрия ударных зон Защита ног пешехода Максимальное замедление голени Максимальное перерезывающее перемещение в колене Максимальный угол изгиба в колене Размеры энергопоглощающей вставки для ног пешехода Характеристика ‘деформация-усилие’ энергопоглощающей вставки для ног пешехода Конструкция элемента, предохраняющего от больших перегибов в колене (нижний элемент бамперной части) Защита бедра пешехода Максимальный изгибающий момент бедра Максимальное усилие на бедре Минимальное расстояние от поверхности капота до жестких элементов подкапотного пространства в зоне удара бедром Конструкция энергогасящих элементов в зоне удара бедром Характеристика “деформация-усилие” для энергогасящих вставок в зоне удара бедром Уточненная зависимость необходимых размеров зоны гашения энергии при ударе бедром от энергии удара (в соответствии с заданным семейством кривых) С.3. Синтез формы передка и компоновки подкапотного пространства с точки зрения безопасности пешехода (голова) Исходные данные — приоритет целей (требования страховых компаний – законодательство по пешеходу – законодательство по фронтальному удару – цена автомобиля – капитальные затраты) — эскизная компоновка передка автомобиля — положение снаряженного автомобиля относительно земли — целевой уровень соответствия требованиям по безопасности пешехода — обобщенная зависимость уровня травмирования головы от минимального расстояния до жестких элементов Результаты работы — расчет уточненной зависимости критериев травмирования головы от внешней формы автомобиля — определение ограничений на внешнюю форму автомобиля (эскизное расположение капота) — разработка конструкции капота (форма, размеры и материалы элементов) — разработка конструкции крыльев в зоне разъема капота — разработка конструкции петел и расположения стеклоочистителя — разработка конструкции и подбор материала энергопоглощающих вставок для защиты головы. Таблица 1.6 – Выходные данные работы Выходные данные Примечание Геометрия ударных зон Характеристика “деформация-усилие” для энергопоглощающих вставок (капота) Уточненная зависимость уровня травмирования головы от минимального расстояния до жестких элементов С.4. Синтез силовой схемы в отношении фронтального удара 40% Исходные данные — эскизная компоновка передка автомобиля — положение снаряженного автомобиля относительно земли — целевой уровень соответствия требованиям по фронтальному удару — требования к деформациям кузова и перемещениям элементов в салон при целевом фронтальном ударе — габариты автомобиля, массово-инерционные характеристики автомобиля (масса, моменты инерции) — перечень конструктивных мероприятий, обеспечивающих требования при фронтальном ударе — конструкция балки бампера — конструкция крэш-бокса — эскизная проработка силовой схемы автомобиля — целевой график замедлений автомобиля на порогах при фронтальном ударе Результаты работы — упрощенная конечно-элементная модель автомобиля для расчетов на фронтальный удар — конструкция элементов силовой схемы — конструкция специальных элементов, обеспечивающих требования по перемещениям руля — конструкция специальных элементов, обеспечивающих требования по перемещению педалей — расчетный график замедления автомобиля при целевом фронтальном ударе Таблица 1.7 – Выходные данные работы Выходные данные Примечание Таблица поглощения энергии удара деформирующимися элементами передка Графики замедлений автомобиля на порогах Конструкция деформирующихся при ударе элементов силовой схемы С.5. Синтез силовой схемы в отношении бокового удара Исходные данные — эскизная компоновка пассажирской ячейки, структуры боковины, порога, крыши и переднего пола — положение снаряженного автомобиля относительно земли — целевой уровень соответствия требованиям по боковому удару — требования к деформациям кузова и перемещениям элементов в салон при целевом боковом ударе — габариты автомобиля, массово-инерционные характеристики автомобиля (масса, моменты инерции) — перечень конструктивных мероприятий, обеспечивающих требования при боковом ударе — целевой график ускорений автомобиля и замедлений тележки при боковом ударе Результаты работы — упрощенная конечно-элементная модель автомобиля для расчетов на боковой удар — конструкция элементов силовой схемы — конструкция специальных элементов, обеспечивающих требования по перемещениям обивки дверей и стойки — расчетный график ускорений автомобиля и замедлений тележки при целевом боковом ударе Таблица 1.8 – Выходные данные работы Выходные данные Примечание Таблица поглощения энергии удара деформирующимися элементами боковины С.6. Синтез конструкции кузова, обеспечивающей требуемые жесткостные показатели. Исходные данные — эскизная компоновка кузова — целевой уровень жесткостных показателей кузова на кручение и изгиб — габариты автомобиля, массово-инерционные характеристики автомобиля (масса, моменты инерции) — жесткостные характеристики подвески. Результаты работы — упрощенная конечно-элементная модель автомобиля для расчетов на боковой удар — конструкция элементов силовой схемы — Перестройка исходной гибридной модели по результатам оптимизационного расчета. — Построение вспомогательных элементов для анализа балочных сочленений. — Формализация оптимизационной задачи для анализа балочных сочленений и ее решение. — Обработка и анализ коэффициентов чувствительности. — Формирование итогового отчета. Таблица 1.9 – Выходные данные работы Выходные данные Примечание Балочно-оболочечная концептуальная модель автомобиля Геометрические параметры силовых элементов кузова Расчетные жесткостные показатели кузова и автомобиля в целом Таблица чувствительности, определяющая в приоритетном порядке конструктивные элементы, влияющие на жесткость автомобиля на изгиб и кручение Конструкция элементов, обеспечивающих целевые жесткостные параметры 2 Методика расчетного сопровождения проектирования силовой схемы кузова 2.1 Проектирование силовой схемы автомобиля с учетом требований по низкоскоростным ударам Автомобиль, помимо технических параметров, характеризуется своими потребительскими свойствами. Одним из таких свойств является отношение стоимости затрат на восстановление автомобиля после аварии к общей стоимости автомобиля. Для того, чтобы количественно оценить показатель стоимости затрат на восстановление автомобиля проводят испытания автомобиля на малой скорости. По повреждениям автомобиля, полученным в результате испытания, определяют объем восстановительных работ и перечень деталей, подлежащих замене. На основании анализа повреждения автомобиля рассчитывают стоимость затрат на запчасти и на ремонт автомобиля. В качестве оценочных параметров применяют параметры стоимости восстановления относительно его цены. Эти показатели используют страховые компании для определения стоимости страховой суммы автомобиля. Чем ниже показатели стоимости восстановления автомобиля, тем более привлекательно этот автомобиль выглядит в глазах потребителя. Кроме того, в Европе, США и Канаде существуют законодательные требования по ударам транспортного средства на малой скорости в другое транспортное средство или жесткое препятствие. Требования по результатам этих испытаний обычно везде одинаковые — сохранение функциональности кузова транспортного средства, важнейших внутренних систем и осветительных приборов, достаточное чтобы безопасно продолжить движение после удара. Все известные на сегодняшний день требования к методикам проведения испытаний легковых автомобилей на малых скоростях делятся на: законодательные требования и потребительские требования (требования страховых компаний). Тесты страховых компаний предъявляют к конструкции автомобиля более жесткие требования, чем текущее законодательство. Поэтому рассмотрим случай доводки автомобиля с учетом требований по низкоскоростным ударам на примере применяющихся европейскими страховыми компаниями тестов Даннера. Зарубежные страховые компании для определения суммы страхового взноса пользуются понятием класса страхования, который определяется как функция двух переменных: величины затрат на ремонт поврежденного после аварии автомобиля и индекса частоты повреждений (статистического значения объединения страховых компаний, свидетельствующего о том, насколько часто конкретный тип автомобиля попадает в аварии). Ниже проведена методика определения класса страхования. Этап 1: определение среднего значения повреждений «SD» На основании данных, полученных после испытаний автомобиля на малых скоростях, определяется, путем подстановки в формулу (2.1), показатель «SD». (54 % П 16 % Б 30 % З ) *100 *1.13 (2.1) » SD» , СЗ где П – затраты на ремонт повреждений передней части автомобиля; Б — затраты на ремонт повреждений боковой части автомобиля; З — затраты на ремонт повреждений задней части автомобиля; СЗ – средние затраты на ремонт всех повреждений, регистрируемых страховыми компаниями (это значение ежегодно изменяется и на 2019 год составляло 2100 Е); 1.13 – коэффициент (индекс) предполагаемых накладных расходов в результате аварии (например, стоимость проката автомобиля или буксировка попавшего в аварию автомобиля). Этап 2: определение индекса частоты повреждений «SH» Индекс частоты повреждений – это статистическое значение объединения страховых компаний, свидетельствующее о том, насколько часто конкретный тип автомобиля (с привязкой к торговой марке) попадает в аварии. Эти цифры не раскрываются общественности, и у каждого изготовителя имеется информация только по значениям для собственных торговых марок. Этап 3: определение востребованности повреждений «SВ» По данным, полученным в процессе выполнения этапа 1 и этапа 2, определяется востребованность повреждений по формуле (2.2): SD * SH * 0.94 (2.2) » SB» , где 0.94 – поправка для индекса частоты повреждений (по мере повышения изготовителем восстанавливаемости автомобилей). Этап 4: определение класса страхования «VK» Решение о присвоении автомобилю определенного класса страхования (а следовательно и величины страхового взноса) принимается на основании данных таблицы 2.1 и рисунка 2.1. Таблица 2.1 – Зависимость класса страхования от востребованности повреждений SB 10-39 40-49 50-59 . . . 130-139 140-149 и т. д. VK 10 11 12 . . . 20 21 и т. д. Рисунок 2.1 – Зависимость суммы страхового взноса от класса страхования Рассмотрим выборку показателей стоимости восстановления для автомобилей различных классов зарубежных изготовителей. Средние показатели стоимости восстановления автомобиля самые высокие для автомобилей малого класса, самые низкие – для автомобилей класса SUV. Это объясняется тем, что в среднем для разных классов цены на автомобили отличаются в порядке возрастания, самые низкие для автомобилей малого класса, самые высокие – для автомобилей класса SUV. Кроме того, отличается характер повреждений автомобилей различных классов. Снижения стоимости ремонта повреждений автомобиля при низкоскоростном фронтальном столкновении можно достичь с помощью специальных энергоемких съемных элементов, которые предотвратили бы деформацию несъемных деталей кузова автомобиля. Проектирование начинается с определения силовой структуры передней части автомобиля для эффективного энергогашения в ходе фронтального столкновения по методике теста Даннера. Требуется минимизировать деформацию несъемных узлов автомобиля. На рисунке 2.2 приводятся две характерные схемы энергогашения: В первой схеме гашение энергии удара происходит за счет деформации балки бампера. Во второй — за счет деформации крэш-бокса. Основным параметром, который требуется определить, является длина «L» энергоемкого элемента. Схема 1 Балка Передний бампера лонжерон Удар L Схема 2 Балка Крэш-бокс Передний бампера лонжерон Удар L Рисунок 2.2 – Схемы энергогашения при низкоскоростном ударе Определение длины энергоемкого элемента для приведенных схем энергогашения одинаково: эффективная деформация определяется из равенства энергии деформации энергоемкого элемента энергии удара и составляет 70% от полной длины элемента. Исходными данными являются: Скорость удара V=4.17м/с — требования испытаний; Масса автомобиля — тех. задание; Критическое продольное усилие для переднего лонжерона при динамическом нагружении — проектные рекомендации. На рисунке 2.3 приведены результаты расчетов длины энергоемкого элемента в зависимости от массы автомобиля и критического усилия переднего лонжерона. F=80кН 200 F=90кН F=100кН 180 F=110кН F=120кН F=130кН 160 F=140кН L, мм 120 1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 Масса, кг Рисунок 2.3 – Полная длина энергоемкого элемента в зависимости от массы автомобиля и критической нагрузки переднего лонжерона Одним из первых этапов синтеза силовой схемы перспективного автомобиля является моделирование низкоскоростного удара и выбор оптимальной конструкции балки бампера. Традиционно используемый материал для изготовления балки бампера – сталь. Основные преимущества применения стали – дешевизна и высокая энергоемкость, однако такие недостатки стали как большой удельный вес, и сложность технологического процесса выявляют необходимость поиска новых материалов. Некоторые зарубежные производители для изготовления балки бампера применяют алюминий, который обладает сравнительно низким удельным весом, простотой технологии изготовления (литая балка) и достаточной по сравнению со сталью удельной энергоемкостью. В данной работе проводилось исследование энергопоглощающих свойств алюминиевых бамперов. В качестве базовой была принята силовая схема легкового автомобиля с типичными силовыми элементами каркаса. Удар автомобиля о недеформируемый барьер на скорости 15 км/ч проводится согласно предписаниям теста Даннера с 40%-ным перекрытием. Анализ производился в несколько этапов: Динамический расчет для шести алюминиевых балок бампера с различными поперечными сечениями (рисунок 2.4). Этот этап позволил оценить зависимость энергопоглощающих свойств от конфигурации поперечного сечения Динамический расчет балки бампера типа «а» (рисунок 2.4) с ее разбиением на характерные участки (продольные зоны — горизонтальные и вертикальные ребра и четыре поперечные зоны, принципиально отличающиеся по величине энергопоглощения ). Этот этап позволил выявить участки балки, обладающие наибольшей энегопоглощающей способностью, а также оценить энергоемкость каждой части балки. Динамический расчет балки бампера типа «а» (рисунок 2.4) с круглым вырезом напротив лонжерона. Данный вариант расчета позволил оценить потери в энергопоглощении, которые необходимо скомпенсировать вводом дополнительного элемента – крэш-бокса. Динамический расчет балки бампера типа «а» (рисунок 2.4) со вставленным в нее алюминиевым крэш-боксом в зоне, расположенной напротив лонжерона. Расчет производился для нескольких типов крэш- боксов. Динамический расчет балки бампера типа «а» (рисунок 2.4) с различным набором толщин вертикальных и горизонтальных ребер. На этом этапе шел поиск наилучшего варианта конструкции, обладающего оптимальной жесткостью, которая с одной стороны наиболее энергоемка, с другой стороны достаточно мала для того, чтобы, полностью деформируясь, не передавать усилие на лонжерон кузова. Динамический расчет прямой балки бампера с поперечным сечением, аналогичным поперечному сечению балки бампера типа «а». На данном этапе оценивалось влияние кривизны балки на ее энергопоглощающие свойства. Критерием оценки момента потери устойчивости лонжерона был выбран рост усилий в сечении лонжерона. Характеристики алюминия: Плотность – 2.8е-6 кг/мм3 Модуль Юнга – 70 ГПа Коэффициент Пуассона – 0.3 Напряжение текучести – 0.245 ГПа Модуль упрочнения – 0.5 Гпа Энергия удара автомобиля равна: E=mV2/2, где m- масса автомобиля, V- скорость автомобиля. Масса автомобиля принята равной 1150 кг. Скорость автомобиля 4.17 м/с. Таким образом, энергия удара Е=1150*4.172/2=9998.6175=10(кДж). а) б) в) г) д) е) Рисунок 2.4 – Типы поперечного сечения балки бампера Толщина ребер балок всех типов была задана по 2мм. Все типы балок бампера имеют высоту 100мм. Динамический расчет балок бампера различных поперечных сечений позволил определить: Момент потери устойчивости переднего лонжерона, т.е. момент окончания эффективного энергопоглощения балки бампера. Энергию, поглощенную бампером до начала деформации лонжерона. Остаточную кинетическую энергию и скорость автомобиля в момент времени, соответствующий окончанию эффективного энергопоглощения балки. Результаты расчетов сведены в таблице 2.2. Таблица 2.2 – Результаты расчетов различных вариантов поперечного сечения балки бампера Момент Остаточная Энергия, Остаточная Тип потери скорость поглощенная кинетическая балки устойчивости автомобиля, бампером, кДж энергия, кДж лонжерона, мс мс а 26 5.81 4.15 2.69 б 25.5 2.40 7.60 3.64 в 24 3.51 6.49 3.36 г 23 4.67 5.33 3.04 д 24 3.85 6.15 3.27 е 25 5.54 4.46 2.79 В результате расчетов становится очевидным, что при толщине стенок 2мм наиболее энергоемкой из рассмотренных является балка бампера с сечением типа «а». Для оценки энергоемкости каждой части балки был произведен динамический расчет с разбиением балки на 16 частей. Каждое ребро, находящееся в зоне 40%ного перекрытия, было разбито на три части: внутреннюю (ближайшую к оси симметрии), среднюю (напротив лонжерона) и крайнюю, а также в отдельную группу была выделена часть балки, не находящаяся в зоне перекрытия. Внешние горизонтальные ребра были взяты в группы попарно (рисунки 2.5 — 2.7). Результаты расчета приведены в таблице 2.3. 5 11 14 8 Рисунок 2.5 – Разделение балки на характерные участки 6 12 3 Рисунок 2.6 – Разделение средней части балки на характерные участки 13 16 10 Рисунок 2.7 – Разделение крайней части балки на характерные участки Таблица 2.3 – Распределение внутренней энергии деформации по частям балки бампера Поглощенная энергия № части % от общей энергии (Дж) 1 19 0.33 2 262 4.50 3 172 2.96 4 67 1.15 5 1035 17.81 6 1585 27.27 7 340 5.85 8 493 8.48 9 710 12.21 10 235 4.04 11 141 2.42 12 133 2.28 13 22 0.38 14 271 4.66 15 260 4.47 16 66 1.14 Всего 5811 100 Если проанализировать картину энергопоглощения по поперечным частям (внутренней, средней и крайней), нетрудно увидеть , что основную долю энергии гасит часть балки, находящаяся напротив лонжерона (средняя). Еобщ.внутр=2202 Дж=37.89% Еобщ.средн=2860 Дж=49.22% Еобщ.крайн=749 Дж=12.89% Энергетика ребер средней части балки приведена в таблице 2.4. Таблица 2.4 – Распределение внутренней энергии деформации по ребрам балки бампера % от суммарной Номер Поглощенная Название ребра энергии части энергия, Дж средней части Внешнее вертикальное 3 172 6.01 Внешние 6 1585 55.42 горизонтальные Внутреннее 9 710 24.83 горизонтальное Внутреннее 12 133 4.65 вертикальное Заднее 15 260 9.09 Таким образом, становится очевидным, что наиболее энергоемкими являются внешние горизонтальные ребра. Расчет балки бампера с поперечным сечением типа 1 с отверстиями под крэш-боксы напротив лонжеронов (рисунок 2.8) проводился для оценки потери энергоемкости балки бампера с крэш-боксом. Рисунок 2.8 – Общий вид балки с отверстием под крэш-бокс напротив лонжерона В результате динамического расчета были получены следующие данные: Момент начала деформации лонжерона – 23 мс. Энергоемкость бампера – 4825 Дж. Остаточная кинетическая энергия – 5175 Дж. Остаточная скорость автомобиля – 3м/с. Потеря энергоемкости балки бампера с отверстиями относительно первоначального варианта составила ∆Е=0.99кДж(17%). Данный этап расчетов позволил оценить возможность включения дополнительного энергогасящего элемента. Для этого в отверстие напротив лонжерона был вставлен крэшбокс с крестообразным поперечным сечением и прямой образующей (рисунок 2.9). Толщина стенок крэш-бокса – 2мм. Рисунок 2.9 – Первый вариант конструкции крэш-бокса Расчет показал, что жесткость конструкция балки бампера с крэш- боксом выше продольной жесткости лонжерона. Потеря устойчивости лонжерона произошла в самом начале ударного процесса. Для уменьшения жесткости энергогасящей системы проводились следующие мероприятия по изменению данной конструкции крэш-бокса: Уменьшение толщины стенок до 1 мм. Конструкция крэш-бокса без внутренних переборок. Крэш-бокс без переборок с дном навстречу удару и толщиной соединителя балки бампера и лонжерона — 4мм. Попытки снизить жесткость крэш-бокса не дали положительного эффекта. Следующим шагом стало включение в схему новой конструкции крэш- бокса, показанной на рисунке 2.10. При той же толщине стенок (2 мм) эта конструкция обладает меньшей жесткостью, т.е. большей податливостью во время удара. Результаты расчета оказались существенно лучше по сравнению с предыдущими, но качественно значительно уступали результатам расчетов варианта конструкции балки без крэш-бокса: Момент начала деформации лонжерона – 14 миллисекунд. Поглощенная балкой и крэш-боксом энергия – 3.5 кДж. Динамика деформации усовершенствованного крэш-бокса и лонжерона представлена на рисунке 2.11. Рисунок 2.10 – Второй вариант конструкции крэш-бокса 10мс 15мс 20мс 25мс 30мс 50мс Рисунок 2.11 – Динамика деформации крэш-бокса и лонжерона По результатам, полученным на данном этапе, можно сделать вывод: использование дополнительного энергогасящего элемента в рамках рассматриваемой конструкции балки бампера неэффективно. На данном этапе расчетов была выявлена зависимость энергоемкости конструкции от толщины горизонтальных и вертикальных ребер алюминиевой балки типа 1 (рисунок 2.4). Было рассчитано три варианта: 1с – толщина горизонтальных ребер 2.5 мм, 1d – толщина горизонтальных ребер 3 мм, 1е – толщина всех ребер 2.5 мм. Оказалось, что увеличение толщины горизонтальных ребер до 2.5 мм повысило энергоемкость балки до 7.1 кДж (∆= 1.3 кДж). Однако, увеличение толщины горизонтальных ребер до 3 мм как и увеличение толщины всех ребер до 2.5 мм повлекло повышение жесткости конструкции балки по сравнению с лонжероном, что заметно ухудшило энергогашение. Результаты расчетов сведены в таблице 2.5. Таблица 2.5 – Результаты расчетов балки бампера с различными толщинами ребер Момент начала Внутренняя Остаточная Остаточная № деформации энергия бампера, кинетическая скорость, лонжерона, мс кДж энергия, кДж м/с 1с 27 7.100 2.900 2.25 1d 17 5.36 4.64 2.84 1е 3.5 0.55 9.45 4.05 Таким образом, наиболее оптимальным вариантом соотношения толщины ребер является вариант 1с – вертикальные ребра толщиной 2 мм, горизонтальные ребра 2.5 мм. Динамика деформации балки бампера и лонжерона для варианта 1с представлена на рисунке 2.12. Длина деформированной части лонжерона составила 71 мм. 5мс 10мс 15мс 20мс 25мс 30мс 35мс 40мс 50мс Рисунок 2.12 – Динамика деформации балки и лонжерона Для включения в силовую схему прямой балки бампера была изменена геометрия лонжеронов, поэтому произвести объективную сравнительную оценку энергопоглощения сложно (рисунок 2.13). Момент окончания эффективного энергопоглощения балки определялся по изменению энергопоглощения лонжеронов. Энергия, погашенная изогнутой балкой – Е(29мс)=6.4кДж, энергия погашенная прямой балкой – Е (31,5мс)=6.6кДж. На рисунках 2.14 и 2.15 показаны диаграммы поглощенной балками энергии в зависимости от времени и деформации балки. Общая энергоемкость выше у изогнутой балки, полезная – у прямой, поэтому дать однозначную оценку изменения энергоемкости нельзя. Рисунок 2.13 – Сравнение деформации балок бампера прямой и изогнутой на 30мс 8000 Внутренняя энергия,Дж 7000 6000 5000 4000 3000 2000 Прямая балка бампера Изогнутая балка бампера 1000 0 10 20 30 40 50 Время,мс Рисунок 2.14 – Диаграммы энергопоглощения прямой и изогнутой балок 8000 Поглощенная энергия,Дж 7000 6000 5000 4000 Прямая балка 3000 Изогнутая балка 2000 1000 0 20 40 60 80 100 Деформация балки,мм Рисунок 2.15 – Зависимость поглощения энергии от деформации балки Вывод: данная кривизна балки бампера не оказывает существенного влияния на энергопоглощающие свойства. По результатам проведенного анализа можно сделать следующие выводы: Наибольшей энергоемкостью при толщине стенок 2мм обладает балка типа «а» (рисунок 2.4). Самой энергоемкой частью являются внешние горизонтальные ребра; Отверстие напротив лонжерона ухудшает поглощение энергии на 17%; Использование дополнительного энергогасящего элемента в рамках рассматриваемой конструкции балки неэффективно; Наилучшее соотношение толщин ребер балки типа «а» — горизонтальные ребра 2.5мм, вертикальные ребра 2 мм; Кривизна балки в рассматриваемой силовой схеме не оказывает влияния на энергопоглощающие свойства. 3 Проектирование силовой схемы автомобиля с учетом бокового удара Авария, при которой один из автомобилей ударяет своей передней частью другой автомобиль в боковую часть кузова, является одним из наиболее распространенных дорожно-транспортных происшествий. И хотя скорость сближения автомобилей в этом случае меньше, чем при фронтальном столкновении, т.к. один из автомобилей не двигается навстречу другому, последствия такой аварии весьма опасны для пассажиров того автомобиля в бок которого происходит удар. Ведь они оказываются непосредственно в зоне удара и не защищены продленными в направлении удара, подобно передним лонжеронам, энергогасящими элементами. В таких условиях к узлам боковины кузова и деталям интерьера, взаимодействующим с пассажирами, предъявляются высокие требования по энергоемкости и деформированию. Для оценки защищенности водителя и переднего пассажира при ударе в бок применяют методику, разработанную европейским комитетом усовершенствования безопасности автомобилей (EEVC). До 2000 года этой методикой пользовались при испытаниях автомобиля по программе EuroNCAP, не имеющей статуса законодательства и влияющей только на потребительский рейтинг. Но в 2000 году было введено в действие Правило №95 ЕЭК ООН, касающееся удара автомобиля в бок. Без удовлетворения требованиям этого правила автомобиль не будет иметь возможности продаваться, т.к. не пройдет процедуры омологации и сертификации. В нашей стране 01.07.2000 принят ГОСТ Р 41.95-99, который повторяет требования Правила №95 ЕЭК ООН. В недалеком будущем планируется введение в законодательство удара столбом, предъявляющего еще более жесткие требования к защите пассажиров. В настоящее время этот удар как опциональный включен в программу EuroNCAP и уже выполняется многими европейскими автопроизводителями. На АвтоВАЗе проводились работы по доводке автомобиля ВАЗ для выполнения требований Правила №95. В процессе выполнения этой доводки была создана и опробована методика расчетного сопровождения данного вида испытаний. Накопленный за это время опыт позволяет подобрать для заново проектируемых автомобилей такие элементы и параметры конструкции, которые с запасом обеспечат выполнение всех требований по боковому удару. В данном разделе: рассмотрены требования программы EuroNCAP и европейского законодательства; разработана методика применения программы MADYMO для проведения расчетных испытаний автомобиля по удару в бок; проведено исследование типовых элементов силовой схемы, влияющих на травмирование манекена на примере удара в бок автомобиля ВАЗ; разработана и сертифицирована математическая модель деформируемого барьера для проведения расчетных испытаний автомобиля в программе LSTC Ls-Dyna; проведен расчет и сравнение с натурными испытаниями удара в бок существующей дискретной модели автомобиля ВАЗ 2123 и выданы рекомендации по дальнейшей валидации модели.