5.7 Расчет столкновения с препятствием
В виртуальном моделировании достаточно модели автомобилей достаточно часто подвергают воздействию ударной нагрузки, имитирующей столкновение с препятствием. Обычно это выполняется для определения смещений элементов автомобиля, их деформаций, последствий разрушения, а также нахождения ускорений, действующих на модели водителя и пассажиров в целях обеспечения пассивной безопасности.
Однако, имитация удара также интересна с точки зрения определения напряжений, деформации, надежности.
У автомобилей с несущей рамой, как правило, жесткость рамы на лобовой удар составляет 60-80 % от суммарной жесткости автомобиля. Это означает, что наибольшее напряжения, возникающие в автомобиле при ударе, будет испытывать рама. Поэтому возникает интерес расчета столкновения рамы автомобиля с препятствием в рамках динамического анализа.
Для расчета в SolidWorks использовались два режима нагружения: лобовой удар о жесткое препятствие и о податливое препятствие. Удар с полным перекрытием был избран в обоих случаях, так как его легко моделировать (удар наносится по бамперу, крепящемуся на кронштейнах к раме), а также в связи с тем, что ситуация удара в эксплуатации внедорожника нередка и может иметь место, например, при переезде высоких нежестких препятствий, выталкивании других автомобилей при помощи бампера, в случае дорожно-транспортного происшествия.
Граничные условия в расчете столкновения с препятствием не задаются. В SolidWorks и Abaqus удалось выполнить анализ только с упрощенной твердотельной моделью.
В результате анализа была получена карта напряжений (рис. 39).
Макс.:
514 МПа
Рис. 39 – Карта напряжения режима лобового удара рамы о жесткое препятствие
При анализе удара
о жесткое и податливое тела начальная
скорость столкновения была задана также
64 км/ч в соответствии с ГОСТ 41.94-99,
описывающим проведение испытаний на
лобовое столкновение автомобилей. В
Abaqus
для описания свойств модели использовались
характеристики препятствия, определенного
ГОСТ 41.94-99 для лобового столкновения
(рис. 40). Препятствие состоит из двух
ячеистых блоков сотовой структуры –
основного и бамперного элементов,
изготовленных из алюминия марки 3003
(
=7,1·107
Па). Характеристики блоков: основного
элемента – ширина
=1
м, высота
=0,65
м, толщина
=0,45
м, размер ребра ячейки
=1,914·10-2
м, толщина
фольги
=7,6·10-5
м; бамперного
элемента - ширина
=1
м, высота
=0,33
м, толщина
=0,09
м, размер ребра ячейки
=6,4·10-3
м, толщина
фольги
=7,6·10-5м
[29].
Рис. 40 – Описание препятствия для испытания лобового удара автомобиля
Так как SolidWorks в качестве характеристик препятствия использует толщину препятствия, плотность материала и ее жесткость, то для определения последней использовалась следующая методика:
1) Определяется площадь, занимаемая одной ячейкой:
(73)
где
– размер ребра ячейки.
;
.
2) Вычисляется площадь грани блока со стороны удара:
,
(74)
где
– ширина блока,
– высота блока.
;
.
3) Находится число ячеек в блоке:
;
(75)
;
.
4) Определяется эквивалентная площадь однородного сплошного блока:
,
(76)
где – толщина листа фольги;
;
.
5) Вычисление жесткостей блоков:
,
(77)
где
– толщина блока;
;
.
6) Нахождение суммарной жесткости препятствия (последовательное соединение):
,
(78)
где
,
– жесткости соответственно основного
и бамперного элементов препятствия.
.
С учетом найденной жесткости, получим следующую карту напряжений (рис. 41):
Макс.:
485 МПа
Рис. 41 – Карта напряжений при лобовом ударе рамы о податливое препятствие
В результате анализа предел текучести был превышен, поэтому фронтальное столкновение на скорости 14 м/с и выше ведет к пластическому деформированию рамы, а также к ее разрушению, прежде всего на лонжеронах в области переходов между средней и передней частями рамы.
Данное предположение было подтверждено в Abaqus, где препятствия моделировались более подробно. Конечно-элементная сетка рамы и препятствий в модели Abaqus представлена на рис. 42.
Рис. 42 – Гибридная конечно-элементная сетка в Abaqus
Макс.:
387,3 МПа
результате расчета столкновения о
податливое препятствие в Abaqus
была получена следующая карта напряжений
(рис. 43).
Рис. 43 – Карта напряжений при лобовом ударе рамы о податливое препятствие в Abaqus
В анимации столкновения видно, как S-образная форма лонжеронов периферийной рамы влияет на характер ее деформирования в процессе удара. Различие в напряжении между столкновениями о жесткое и о податливое препятствия незначительно и составляет около 6 %.
В результате расчета в Abaqus наибольшие напряжения были выявлены на лонжеронах в области крепления IV поперечины к лонжеронам и составили 387,3 МПа при условии начальной скорости в момент удара 14 м/с, то есть не превысили предел текучести. Следует отметить, что области перехода от передней части рамы к средней и крепления IV поперечины являются наиболее нагруженными в случае лобового столкновения и поэтому в случае совершенствования рамы в направлении лучшего обеспечения ударной прочности, следует обратить внимание на упрочнение этих элементов.