Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Особенности построения конечно-элементных моделей кабин для исследования пассивной безопасности при ударе в соответствии с правилами ЕЭК ООН №29

# 03, март 2013
DOI: 10.7463/0313.0542301
Файл статьи: Зузов_P.pdf (3060.48Кб)
авторы: Шабан Б. А., Зузов В. Н.

УДК 629.113

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

bshaban4@yahoo.com

zuzvalery@rambler.ru

 

Введение

В настоящее время проблема пассивной безопасности транспортных средств относится к наиболее сложным и трудоёмким задачам. Эти задачи все интенсивнее решают на стадии проектирования, на базе метода конечных элементов (МКЭ), стремясь повысить качество и эффективность проектирования. При этом приходится вносить многочисленные изменения в конструкцию и рассчитывать множество вариантов.

В свою очередь такие задачи являются супер-нелинейными, поэтому даже на современных компьютерах длятся часы. Отсюда актуальным является разработка рациональных конечно-элементных моделей (КЭМ) кабины грузовых автомобилей, обеспечивающих получение заданной точности результатов при минимальных затратах времени на подготовку и решение задачи МКЭ.

Целью данной статьи является разработка рациональных конечно-элементных моделей кабины грузовых автомобилей для исследований пассивной безопасности, их оценка с позиций погрешностей результатов и трудозатрат на разработку и решение, а также анализ влияния конструктивных факторов на результаты решения (двери, панели обшивки и др.).

Анализ результат расчётов МКЭ дают исчерпывающую информацию о процессе аварийного нагружения, необходимого для проведения оценки пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей, а именно: о характере деформирования, о зонах пластических деформаций, о характере изменения скорости и перемещения ударного элемента и изменения ударной нагрузки, необходимых для определения относительной поглощённой энергии  конструкции и др. Для выполнения этой цели необходимо было решить ряд типовых примеров для кабин, результаты которых можно сопоставить как с известными решениями, так и с экспериментальными данными [1, 2]. При этом ставились задачи:

·             получить и сравнить данные о точности разных по сложности КЭМ применительно к конструкциям типа кабин и оценить затраты времени на подготовку данных и расчёт;

·             выбрать наилучший характер «разбиения» конструкции на конечные элементы (варьируя густотой конечно-элементной сетки), и определить наиболее предпочтительный размер и тип элемента;

·             отработать подходы для решения нелинейных задач, которые будут использованы в дальнейшем на базовых моделях кабин применительно к проблеме пассивной безопасности.

Методики экспериментального определения характеристик пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей

Методики испытаний на пассивную безопасность кон­струкции призваны моделировать сценарии реальных аварийных ситуаций. Применительно к грузовым автомобилям  такими ситуациями являются лобовой удар, удар по кабине сзади сорвавшимся при торможении грузом и опрокидывание автомобиля. Согласно требованиям ГОСТа Р 41.29-99 (идентичным правилу ЕЭК ООН № 29 "Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении защиты лиц, нахо­дящихся в кабине грузового транспортного средства"), эти ситуации сведены к трём видам испытаний, про­иллюстрированных на рис. 1а.

   

Рис. 1. Виды испытаний кабины по ГОСТу Р 41.29-99 (а) и по VVFS 2003:29 (б) («Шведские нормы»)

 

При испытании «А» по кабине, установленной на транспортном средстве, производится фронтальный удар маятником с заданными размерами и кинетической энергией. При испытании «В» через жёсткую плиту к конструкции статически прикладывается вертикальная нагрузка заданной величины. При испытании «С» задняя стенка кабины через жёсткую плиту нагружается горизонтальной силой. После проведения каждого вида испытаний в кабине должно оставаться остаточное пространство, в котором на сиденье, установленном в среднем положении, может поместиться, не приходя в соприкосновение с жёстко закреплёнными частями, антропометрический манекен. В деталях крепления кабины к раме могут наблюдаться деформации и изломы, однако кабина должна оставаться прикреплённой к раме.

Характеристики пассивной безопасности кабины в соответствии со шведскими нормами VVFS2003:29 прове­ряются проведением следующих испытаний (рис. 1б):

- испытание А. Статической нагрузки на крышу кабины;

- испытание В. Удара цилиндрическим маятником спереди по перед­нему верхнему углу кабины;

- испытание С. Удара прямоугольным маятником по задней стенке кабины под прямым углом.

Кабина считается выдержавшей все виды испытаний при следующих условиях:

·     в несущей конструкции кабины или деталях, а также узлах крепления не произошло разрушений, и не образовались значительные трещины или деформации;

·     в кабине остаётся жизненное пространство для водителя и пассажиров.

·     при динамическом нагружении (ударе) вся энергия удара расходуется (поглощается) кабиной, при этом не происходит проскальзывания маятника по крыше.

В настоящее время в рамках Женевского соглаше­ния идёт разработка новой серии поправок к между­народному Европейскому стандарту правил № 29 ЕЭК ООН, который регламентирует процедуру испытаний и технические требования, предъявляемые к кабинам грузовиков в отношении их ударно-прочностных свойств для обеспечения безопасности водителя и пассажиров в условиях столкновения и опрокидывания [34, 5] и есть добавление 28 к Правилам № 29 [6].

 

Моделирование испытания В. Удара цилиндрическим маятником спереди по перед­нему верхнему углу кабины по требованиям VVFS 2003 №29

В качестве первого объекта была выбрана кабина грузового автомобиля Scania, имеющая достаточно типичную и распространённую компоновку и конструкцию, для которой также имеются результаты экспериментальных исследований [7,8].

 Моделируется процесс удара маятником по стойкам в передней части кабины по методике VVFS 2003 № 29 (испытание «В») методом конечных элементов в программном комплексе LS-DYNA  (рис. 2). Этот режим был выбран в качестве базового, поскольку он относится к числу наиболее тяжелых (по последствиям удара) [3].

       

а                                                                                б

Рис. 2. Схема нагружения кабины при испытаниях по правилам Швеции VVFS 2003 ударом маятника в угол крыши (а) и экспериментальные результаты (б)

 

Впроцессе моделирования динамического удара цилиндрическому маятнику задавалась начальная скорость V=7,668 [м/с], соответствующая необходимой кинетической энергии в момент удара, равной 29,4 [кДж]. Для оценки степени восприятия нагрузок каркасом и панелями были созданы КЭМ кабины грузового автомобиля (включающие двери, пол, панель обшивки и каркас) разной степени сложности (рис. 3). Материал кабины– упруго-пластичный, σT =250 МПа.

Поскольку такие задачи являются чрезвычайно трудоемкими и длительными, то важной является проблема выбора рациональных КЭМ, которые позволяют получить результаты с требуемой точностью при минимальных затратах труда и времени на подготовку и решение. Для этого предлагается использовать оболочечные КЭМ разного уровня сложности (рис. 3). КЭМ кабины низшего уровня (число узлов 31335, число конечных элементов 29316, размеры элементов 15-72 [мм]) обеспечивают получение результатов с погрешностями 33 % для перемещений (см. рис. 3, а); КЭМ кабины среднего уровня (число узлов 63705, число элементов 57238, размеры элементов 8-36 [мм]) - получение результатов с погрешностями 19 % для перемещений (см. рис. 3, б); КЭМ кабины высшего уровня (число узлов 194829, число элементов 171461, размеры элементов 4-18 [мм]) - получение результатов с погрешностями 5 % для перемещений, что соизмеримо с погрешностями экспериментальных исследований (см. рис. 3, в). Продолжительность решений (используется компьютер с 5-ти ядерным процессором) – 6, 7 и 13 часов соответственно. При составлении КЭМ кабины высшего уровня требуются набольшие трудозатраты, поэтому такие модели обычно используют только на завершающей стадии исследований для уточнения распределения напряжений.

 

Рис. 3. Оболочечные КЭМ кабины:
а - низший уровень; б - средний уровень; в - высший уровень

 

На рис. 4 показан график изменения перемещения маятника по времени для разных КЭМ. Сравнение этих перемещений с экспериментом позволяет оценить погрешность моделирования для перемещений, которая уменьшается при улучшении свойств КЭМ.

 

Погрешности решений и основные характеристики сетки КЭМ представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Расчётно-экспериментальные значения перемещения маятника

 

высший уровень

средний уровень

низший уровень

Эксперимент, мм

194,4

194,4

194,4

Расчёт, мм

185,82

158,20

130,25

Погрешность, %

4,41

18,62

33

 

            Анализ деформированного состояния КЭМ кабины позволяет оценить общую жёсткость кабины и исследовать деформации в её отдельных элементах, выявить зоны пониженной жёсткости корпуса кабины, а также определить характер и численные значения деформаций дверных и оконных проёмов (см. рис. 5).

 

 

Рис. 5. Картины деформированных состояний КЭМ кабины:
а - низший уровень; б - средний уровень; в - высший уровень

 

 

Рис. 6. Картины напряженых состояний КЭМ кабины:
а - низший уровень; б - средний уровень; в - высший уровень

 

На рис. 6 показаны  картины напряженных состояний для КЭМ кабины разных сложностей. Результаты расчётов для моделей кабины разных уровней при ударе (правила Швеции VVFS 2003 №29) показаны на рис. 7-10.

 

 

 

 

Большое значение для проектирования имеет знания какую долю энергии удара поглощают каркас и панель обшивки. Анализ результатов расчёта на базе КЭМ  высшего уровня (имеющей минимальные погрешности) позволил выявить что

·     панель обшивки поглощает 59,18% энергии удара;

·      каркас поглощает 29,52% энергии удара (см. рис. 11).

Остальная доля приходится на другие элементы кабины.

 

Моделирование испытания А. Удара цилиндрическим маятником спереди кабины по требованиям ЕЭК ООН № 29

В качестве другого объекта исследований была выбрана кабина грузового автомобиля КАМАЗ, который является массовым в России и имеет достаточно типичную и распространённую компоновку и конструкцию в том числе кабины, для которой также имеются результаты экспериментальных исследований (рис. 12).

 

              

Рис. 12. Кабина КАМАЗ бескапотной компоновки двух типов:
а - кабина со спальным местом; б- кабина без спального места

 

 

Рис. 13. Схема нагружения кабины при испытаниях удар спереди (испытание А) по правилам ГОСТ Р 41.29-99 (Правила ЕЭК ООН N 29)

 

Моделируется процесс удара маятником в передней части кабины по методике (правилам) ГОСТ Р 41.29-99 (Правила ЕЭК ООН N 29) методом конечных элементов в программном комплексе LS-DYNA . Впроцессе моделирования динамического удара маятнику задавалась начальная скорость V=7,28 м/с, соответствующая необходимой кинетической энергии в момент удара, равной 45 [кДж] (рис. 13). Для оценки погрешностей моделирования были созданы оболочечные КЭМ кабины разного уровня.

 

Рис. 14. Оболочечная КЭМ кабины со спальным местом

На рис. 14 показана оболочечная  КЭМ кабины со спальным местом (число узлов 314525, число элементов 315184, размер элементов 11 мм). Результаты расчётов модели кабины при ударе (Правила ЕЭК ООН N 29) показаны на рис. 15-22.Продолжительность решений (5-ти ядерный процессор) – 124:45:40 часов соответственно.

При моделировании фронтального удара (испытания «А») проводилась верификация модели и методики моделирования на основе результатов натурного эксперимента [5].

 

Рис. 15. Картина деформированного состояния КЭМ кабины

 

Рис. 16. Картина напряженного состояния КЭМ кабины

 

На рис. 15, 16 показаны  картины деформированных и напряженных состояний КЭМ кабины.

Таблица 2.

 

 

            Погрешность решения =5,43 %.

 

 

 

 

 

Для оценки влияния сетки и количества конечных элементов на погрешность решениймоделируется процесс удара маятником в передней части кабины КАМАЗ без спального места по методике (правилам) ГОСТ Р 41.29-99 (Правила ЕЭК ООН N 29) в программном комплексе LS-DYNA.

Оболочечные КЭМ среднего и высшего уровня кабины показаны на рис. 23: а - средний уровень (число узлов 102087, число элементов 102455, размеры элементов 8-20 [мм]); б - высший уровень (число узлов 316409, число элементов 316750, размеры элементов 4-11[мм]). Продолжительность решений (5-ти ядерный процессор) – 44 и 105 часов соответственно.

 

Рис. 23. Оболочечные КЭМ кабины: а - средний уровень; б - высший уровень

 

Рис. 24. Картины деформированных состояний КЭМ кабины: а - средний уровень; б - высший уровень

 

Рис. 25. Картины напряженных состояний КЭМ кабины:а - средний уровень; б - высший уровень

 

 

 

 

 

 

Для оценки влияния дверей кабины моделируется процесс удара маятником в передней части кабины КАМАЗ без спального места по методике (правилам) ГОСТ Р 41.29-99 (Правила ЕЭК ООН №29) в программном комплексе LS-DYNA для оболочечных КЭМ среднего уровня кабины  с дверями и без дверей (рис. 31).

 

Рис. 31. Оболочечные КЭМ кабины: а – с дверями; б – без дверей

 

Рис. 32. Картины деформированных состояний КЭМ кабины: а – с дверями; б – без дверей

 

Рис. 33. Картины напряженных состояний КЭМ кабины: а – с дверями; б – без дверей

 

 

 

 

 

 

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основе проведённых исследований можно сделать следующие выводы.

1.     Для анализа поведения конструкции кабины при ударе маятником передней части необходимо использовать оболочечные конечно-элементных моделей кабины высшего уровня (погрешность 5.4 % по сравнению с экспериментом), для предварительных и многовариантных расчётов - модели среднего уровня (погрешность 15 % по сравнению с экспериментом).

2.     Расчёты на базе МКЭ дают возможность получения всего массива информации о процессе аварийного нагружения, необходимого для проведения расчётной оценки пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей, а именно- характера деформирования, зоны пластических деформаций, характер изменения скорости и перемещения ударного элемента и изменения ударной нагрузки, необходимые для определения относительной поглощённой энергии  конструкции и др.

3.     Двери, панель обшивки кабины грузового автомобиля способствуют повышению её пассивной безопасности (применительно к рассмотренным кабинам улучшение параметров за счёт: дверей – до 10%; панелей обшивки – до 60 %).


 

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках договора №9905/17/07-к-12 между ОАО «КАМАЗ» и «Московским государственным техническим университетом имени Н.Э. Баумана».

 

 

Список литературы

1.     Шабан Б.А., Зузов В.Н. Особенности моделирования каркасных элементов кузовов и кабин автомобилей при исследовании пассивной безопасности // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 11. DOI: 10.7463/1112.0486675

2.     Зузов В.Н., Маркин И.В. Проблемы исследования пассивной безопасности кабин на стадии проектирования // Безопасность конструкции автотранспортных средств: сб. докл. XXX межд. науч. техн. конф. Дмитров, 2000.

3.     Маркин И.В. Разработка методики оценки пассивной безопасности грузовых автомобилей и тракторов в отношении ударно-прочностных свойств их кабин на стадии проектирования : автореф. дис. … канд. техн. наук. М., 2001. 16 с.

4.     ГОСТ Р 41.29-99 (Правила ЕЭК ООН № 29). Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении защиты лиц, находящихся в кабине грузового транспортного средства. Введ. 2000-07-01. М.: Изд-во стандартов, 2000. 20 с.

5.     Черников С.К., Ахмадышин А.Н. Численные исследования процессов деформирования конструкций грузовых автомобилей в течение дорожно-транспортных происшествий // Казанский физико-технический институт имени Е.К. Завойского. 2010. Ежегодник. Казань: Физтех Пресс, 2011. С. 168-172.

6.     ПравилаЕЭКООН № 29 (документ E/ECE/324/Rev.1/Add.28/Rev.2 − E/ECE/TRANS/505/Rev.1/Add.28/Rev.2).  Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении защиты лиц, находящихся в кабине грузового транспортного средства. ООН, 2012. 26 p.

7.     Ulug C.D. Effect of strain history on simulation of crashworthiness of vehicles. Master Thesis. Department of Mechanical Engineering, July 2009. 71 p.

8.     Öman M., Nilsson L. Structural optimization of product families subjected to multiple crash load cases // Structural and Multidisciplinary Optimization. 2010. Vol. 41, no. 5. P. 797-815. DOI: 10.1007/s00158-009-0471-4

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2017 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)