К расчетной оценке пассивной безопасности кузова легкового автомобиля при боковом столкновении

УДК 629.113

Наумов Е.А. / ООО «ХЕКСА» Орлов Л.Н., д.т.н., проф. / НГТУ

Актуальность проблемы повышения пассивной безопасности автомобилей требует постоянного совершенствования методов ее оценки свойств на всех стадиях проектирования конструкций. В этой связи возникает потребность дальнейшего развития существующих методик расчетной оценки безопасности кузовов автомобилей. При этом на начальных этапах проектирования конструкций, при выборе их силовых схем и рассмотрении большого количества вариантов, целесообразно использование упрощенных методов при условии получения достоверных результатов [1]. С этой целью в данной работе выполнен сравнительный анализ результатов расчета стержневой модели в разработанной программе динамических расчетов балочных конструкций [2] с результатами расчета подробной конечноэлементной модели в пакете LS-DYNA. Дано обоснование правомерности использования стержневых моделей при выборе безопасных силовых схем конструкций.

Рисунок 1. Нагружение подробной конечно-элементной модели кузова легкового автомобиля.


В основе разработанных авторами алгоритма и программы динамических расчетов балочных конструкций лежит метод конечных элементов в нелинейной постановке. Наряду с известным подходом при расчете конструкций по предельному состоянию этот алгоритм учитывает действие всех внутренних силовых факторов (осевой силы, изгибающих моментов, крутящего момента и поперечных сил), обеспечивающих образование пластического шарнира. Разработанная программа позволяет использовать данные экспериментальных исследований для определения параметров изменения геометрических характеристик сечений при больших пластических деформациях, что дает возможность говорить о получении уточненных результатов в сравнении с существующими упрощенными методами. Используемый в программе критерий возникновения пластического шарнира имеет вид



Предполагается, что пластические моменты сопротивления сечений изгибу изменяются в соответствии с зависимостью



При анализе подробной конечно-элементной модели рассматривалось действие нагрузки на центральную стойку, которая воспроизводит одну из составляющих сил, возникающих при боковом столкновении. Нагружение осуществлялось перемещением жесткой площадки (рис. 1). Аналогичное нагружение стержневой модели осуществлялось сосредоточенным усилием F в направлении оси Y (рис. 2).

Рисунок 2. Схема закрепления и нагружения стержневой модели салона кузова.


При этом точка приложения силы совпадала с положением геометрического центра жесткого упора.

В первом варианте расчета стержневой модели в условии пластичности (1) были приняты неизменными пластические характеристики сечений. Во втором и третьем вариантах расчета пластические моменты сопротивления сечений изгибу всех элементов для примера уменьшались соответственно на 20% и 50% от своего начального значения в соответствии с зависимостью (2). В рассматриваемой задаче для обоих вариантов расчета при уменьшении пластических моментов сопротивления сечений изгибу на 20% и 50% принято: Qp max = П / 4 и n = 3. Функциональная зависимость изменения пластического момента сопротивления сечения изгибу приведена на рис. 3.

Рисунок 3. График изменения пластического момента сопротивления сечения изгибу в зависимости от угла поворота в пластическом шарнир.


По результатам расчетов были построены графики зависимости нагружающего усилия от перемещения (рис. 4).

Рисунок 4. Графики изменения нагружающего усилия от перемещения.


Кривая 1 соответствует результатам расчета подробной конечно-элементной модели в пределах перемещения нагружающей площадки 0…310 мм, 2 — упрощенной модели без учета изменения пластических характеристик поперечного сечения, 3 и 4 — упрощенной балочной модели с учетом уменьшения пластических характеристик сечений элементов на 20% и 50% соответственно.

Значение нагрузки, при которой происходит потеря несущей способности салонной части подробной модели, составляет 8,8 кН, а при расчете упрощенной балочной модели — 8,25 кН. Таким образом, погрешность результатов при расчете стержневой модели по отношению к подробной составляет 6,25%. На участке графика после точки, соответствующей усилию начала потери несущей способности, можно отметить несущественное изменение характера кривой по сравнению с вариантом без учета изменения пластических характеристик сечений при перемещениях, соответствующих заданному перемещению жесткой стенки (усилие уменьшилось соответственно на 4,5% и 6,7%). Очевидно, что для данного вида нагружения в заданных пределах перемещений существенную роль играет сопротивление силовых элементов растяжению. Однако, из графиков видно, что при одном и том же усилии в упрощенных моделях наблюдается существенное отклонение кривых. Так, при наибольшем усилии перемещения возросли на 17,8% и 62% соответственно при уменьшении пластических характеристик сечений на 20% и 50%.

Проведенные исследования показывают, что разработанная упрощенная балочная модель при рассматриваемом виде нагружения адекватно отражает поведение подробной модели. Следовательно, применение упрощенных моделей правомерно на начальных этапах проектирования безопасных кузовных конструкций. Выполненные исследования показывают, что изменение пластических характеристик сечений оказывает существенное влияние на несущую способность при больших пластических деформациях. Это необходимо учитывать при выполнении расчетной оценки пассивной безопасности кузовных конструкций.

Список литературы:

1. Орлов, Л.Н. Пассивная безопасность и прочность кузовов, кабин, автотранспортных средств. Методы расчета и оценки: учеб. пособ. / Л.Н. Орлов // НГТУ. — Н. Новгород, 2005 г.

2. Наумов Е.А., Оценка пассивной безопасности кузова легкового автомобиля в условиях бокового столкновения по результатам компьютерного моделирования / Наумов Е.А., Орлов, Л.Н. // Международный научный симпозиум «Автотракторостроение — 2009» / МГТУ «МАМИ» — Москва, 2009.

К расчетной оценке пассивной безопасности кузова легкового автомобиля при боковом столкновении

Наумов Е.А. / ООО «ХЕКСА» Орлов Л.Н., д.т.н., проф. / НГТУ

В работе дана сравнительная оценка результатов расчетов подробной и стержневой конечно-элементных моделей кузова легкового автомобиля в условиях действия боковой аварийной нагрузки. На стержневой модели рассмотрены варианты изменения пластических характеристик сечений силовых элементов при их уменьшении на 20% и 50% от своего начального значения

THE ESTIMATED VALUE CAR BODY PASSIVE SAFETY DURING CRASH SIDE IMPACT

Naumov E., Orlov L., Dr.Sc., Prof., HEXA Ltd., Co.

This article deals with the comparative estimation results of calculations shell and beam finite element models of automobile body during side impact. There are examined change of plastic section modulus by 20 % and 50 % from the initial value for the beam finite element model.