Instrukcja do ćwiczenia 2

Transkrypt

1 Podstawy analizy wypadków drogowych Instrkcja do ćwiczenia Wyznaczenie energii potrzebnej do deformacji pojazd na podstawie charakterystyki ilościowej jego odkształcenia

2 Spis treści 1. CEL ĆWICZENIA WPROWAZENIE Wyznaczenie traconej energii deformacji nadwozia podczas derzenia w sztywną barierę Metoda rastrów energetycznych Metoda Crash Metoda Campbella Metoda Uproszczona PRZEBIEG ĆWICZENIA ZAANIA O ROZWIĄZANIA... 14

3 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie metod szacowania ilości energii traconej na deformację nadwozia podczas zderzenia ze sztywną przeszkodą.. Wprowadzenie Nadwozie samochod, pełniąc fnkcję ochronną dla osób jadących i przewoŝonego ładnk, podczas zderzenia lega znacznym odkształceniom. Ten proces odkształcenia (deformacji) nadwozia moŝna potraktować jako rezltat pracy sił zewnętrznych, działających podczas wypadk drogowego. o dalszych rozwaŝań naleŝy przyjąć następjące stalenia: istnieje zaleŝność pomiędzy wykonaną pracą odkształcenia a objętością zgniecionej części nadwozia; podczas derzenia samochod w przeszkodę następje odkształcenie nadwozia, a wykonana przy tym praca sktkje zmniejszeniem jego prędkości rch i energii kinetycznej. Biorąc pod wagę przyjęte stalenia, podczas rekonstrkcji wypadk drogowego moŝna przeprowadzić następjące postępowanie: na podstawie objętości (wymiarów) zgniecionej części nadwozia moŝna wyznaczyć pracę sił odkształcających podczas zderzenia; równowaŝność pracy i energii pozwala na stalenie energii kinetycznej, pochłoniętej (rozproszonej) na odkształcenie nadwozia; przyjmjąc, Ŝe samochód podczas zderzenia nie zmniejsza swojej masy, na podstawie wartości energii pochłoniętej podczas zderzenia, moŝna obliczyć zmniejszenie (bytek) prędkości rch samochod, jakie nastąpiło podczas odkształcania nadwozia. Pnktem wyjścia do stalenia wartości pracy pochłoniętej na odkształcenie (zgniecenie) nadwozia są rezltaty badań eksperymentalnych. W literatrze fachowej są dostępne wyniki testów zderzeniowych, które przedstawiają prodcenci pojazdów. Wyniki badań zderzeniowych moŝna wykorzystać do rekonstrkcji wypadk drogowego..1. Wyznaczenie traconej energii deformacji nadwozia podczas derzenia w sztywną barierę Oszacowanie energii rozproszonej (pochłoniętej na deformację) w czasie zderzenia (rys. 1a) moŝna opisać wzorem: m1 v E ( 1 kn ) (1) gdzie: k n - jest współczynnikiem restytcji w przypadk derzenia samochod w sztywną barierę. Rys.1. Przykład zderzenia czołowego a) derzenie w sztywną barierę Podczas badań zderzeniowych rejestrowane są zwykle wartości przyspieszenia 3

4 (opóźnienia) i deformacji samochod. Na rysnk pokazano przykład wykres opóźnienia a z samochod podczas zderzenia czołowego ze sztywną barierą. Przebieg deformacji nadwozia, pokazany na rys., zostanie w dalszej części tego pnkt wykorzystany do określenia prędkości jazdy samochod przed zderzeniem, którego zasięg wgniecenia wynosi x <x max. Przyjęto, Ŝe po zderzeni samochód zatrzymał się, stykając się z barierą, w którą derzył. Pominięto, zatem ewentalne straty energii na często widoczne spręŝyste odbicie samochod do tył lb obrót po zakończeni zderzenia. W tej sytacji energia kinetyczna porszającego się samochod została zamieniona na pracę sił deformacji nadwozia. Rys.. Przebieg zmian opóźnienia w zaleŝności od zasięg deformacji nadwozia, zyskany podczas test zderzeniowego samochod Pracę siły deformjącej nadwozie F na głębokość x moŝna obliczyć poprzez całkowanie: W x 0 F dx. () Siłą deformjącą (zgniatającą) nadwozie jest przede wszystkim siła bezwładności, która powstaje w wynik gwałtownego wyhamowania masy porszającego się samochod, czyli F ( x) ma ( x) z. (3) Zatem pokazany na rys. przebieg zmian opóźnienia a z f(x) moŝe stanowić podstawę do obliczenia pracy sił deformjących nadwozie na głębokość x x W ( x) dx m a ( x) x maz z (4) 0 0 Z porównania (1), czyli energii kinetycznej, rozproszonej podczas zderzenia wedłg rysnk 1a, z pracą sił deformjących nadwozie, otrzymano m1 v E W gdzie przy przyjętych załoŝeniach k n ~ 0. dx v Stąd moŝna obliczyć prędkość samochod przed zderzeniem v : W m x 0 a z ( x) dx (5) 4

5 x Całka a ( x) 0 z dx wyraŝa pole powierzchni pod wykresem opóźnienia samochod podczas zderzenia i moŝe być wyznaczona np. poprzez planimetrowanie wykres z rys.. Rzeczywisty zasięg deformacji nadwozia samochod x, ograniczający zakres planimetrowania wykres, naleŝy stalić na podstawie pomiarów szkodzonego samochod Metoda rastrów energetycznych Rezltaty badań zderzeniowych, zwykle prowadzonych przy prędkości km/h, pozwalają na określenie całkowitej energii, pochłoniętej przez nadwozie przy deformacji o zasięg x max. Przy znanej wartości energii kinetycznej E K samochod jadącego z prędkością v przed zderzeniem x max m v E m a ( x) dx W, max (6) k z 0 jej porównanie z pracą sił deformacji nadwozia moŝna potraktować jako obliczenie kontrolne wartości pracy sił deformacji nadwozia. Tak przeprowadzone obliczenia pozwalają na określenie takŝe części energii, która jest rozpraszana przy deformacji o zasięg x <x max. Rys. 3. Podział całkowitej energii deformacji nadwozia na pasma poprzeczne o szerokości x, a zderzenie czołowe z barierą, b pomierzony przebieg przyspieszeń na podłodze samochod, c procentowy podział pracy sił deformjących na pasma poprzeczne na zarysie nadwozia Sposób podział całkowitej pracy deformacji W, max na pasma poprzeczne, zaznaczone na zarysie nadwozia, pokazano na rys. 3. Podstawą tej czynności jest podział wykres a z (x), pokazanego na rys. 3b, na kilka odcinków o dłgości x. Następnie naleŝy obliczyć pole A max, zawarte pod całym wykresem opóźnienia a z (x) oraz pola A i w kaŝdym segmencie wykres dłgości x. Wykorzystjąc wyniki tych obliczeń wyznacza się wartość współczynnika 5

6 A α i Amax 100% i, który wyraŝa procentowy dział pola i-tego segment wykres w całkowitym pol zawartym pod linią wykres a z f(x). Na rysnkach 3b, c działy procentowe a i zapisano na wykresie z test zderzeniowego i w pasmach poprzecznych na zarysie deformowanej części nadwozia samochod. Udziały procentowe α i, stanowią o podziale całkowitej pracy deformacji nadwozia W, max na części (segmenty), odpowiadające deformacji o zasięg x. Narysowane na rys. 3c pasy poprzeczne na zarysie nadwozia mogą sgerować, Ŝe rozkład pracy deformacji jest jednorodny na całej jego szerokości. Jednak tak nie jest, a szczegółowa analiza rozmieszczenia elementów i rządzeń w przedniej części samochod pozwoliła określić połoŝenie miejsc o róŝnej sztywności i odporności na zgniatanie podczas czołowego zderzenia. Wykorzystjąc tę informację, przygotowano procentowy rozkład pracy deformacji w podłŝnych pasach nadwozia na jego szerokości (rys. 4). Stanowi on o podziale pracy deformacji, zawartej w i-tym segmencie poprzecznym, na elementarne pola, wynikające z nałoŝenia linii tworzących pasy podłŝne na cały obszar deformacji nadwozia samochod. W ten sposób na zarysie przod nadwozia powstała siatka, która wyraŝa rozkład całkowitej pracy deformacji W, max na poszczególne jego fragmenty. Na rysnk 5 pokazano przykładowe wyniki takiego postępowania w postaci rozkład pracy deformacji przedniej części nadwozia dwóch samochodów. Rysnki, zawierające siatki rozkład energii (pracy) deformacji, coraz częściej są nazywane rastrami energetycznymi. Nazwa jest związana z techniką ich wykorzystania, która polega na nakładani rysnk siatki rozkład energii na rysnek zdeformowanego nadwozia, w cel stalenia energii rozproszonej podczas zderzenia. Oczywiście, nie istnieje niwersalny rozkład energii deformacji i stref jej pochłaniania, odpowiadający wiel samochodom. Przedstawiane materiały w części pochodzą z prac badawczych W. Róhricha, wykonanych w latach siedemdziesiątych. Obecnie są one stale doskonalone, obejmją coraz więcej samochodów i róŝne strefy ich odkształcenia (przód, tył, boki, naroŝniki). Rys. 4. Rozmieszczenie istotnych elementów strktry wytrzymałościowej w przedniej części samochod i procentowy rozkład pracy sił deformacji na szerokości nadwozia: 1 wnęka kol jezdnych, podłŝne wzmocnienia strktry nadwozia, 3 blok napędowy 6

7 Rys. 5. Rozkład energii (pracy) deformacji przedniej części nadwozi samochodów a Polonez, b BMW 55 Na rysnk 6, wykorzystjąc fragment rzt poziomego nadwozia, zaznaczono obszar, który legł zgnieceni podczas zderzenia. Następnie na ten rysnek nałoŝono raster energetyczny (linie przerywane) i wyznaczono wartość W pracy odkształcenia przod nadwozia. Rys. 6. Przykładowy obszar deformacji (zgniecenia) nadwozia, zaznaczony na jego zarysie przed deformacją 7

8 Obliczenia wartości W przeprowadzono dla nadwozia samochod Polonez, którego strktrę energetyczną podano na rys. 5a. Wykorzystjąc to, na zgniecionym obszarze nadwozia wypisano liczby, wyraŝające pracę odkształcenia w poszczególnych elementach rastra. Na tej podstawie obliczono W w sposób następjący: W , , , , , , , Nm. Korzystając z zasady bilans energetycznego, porównano energię kinetyczną samochod z pracą odkształcenia nadwozia W przyjmjąc, Ŝe przeszkoda, w którą derza samochód, jest nierchoma i praktycznie nieodkształcalna. Zatem m ( v v1) E k W E (7) gdzie: E k bytek energii kinetycznej samochod podczas zderzenia; V, V 1 prędkość samochod tŝ przed zderzeniem i bezpośrednio po zderzeni; W praca pochłonięta na deformację nadwozia, obliczona z smowania energii na obszarze zaznaczonym na rys. 6. Jeśli bezpośrednio po zderzeni samochód zatrzymał się, praktycznie zachowjąc styczność z przeszkodą, to v. 1 0 Stąd v E m W przypadk, gdy v 1 0, a odległość odbicia jest nieznaczna moŝemy zastosować wzór: v E m ( 1 k ) n gdzie: kn współczynnik restytcji (odczytjemy z wykres rys.7) Rys.7. ZaleŜność współczynnik restytcji od prędkości derzenia w przeszkodę 8

9 .. Metoda Crash3 ZałoŜenia do metody: F A + B C F- siła działająca na jednostkę dłgości A współczynnik określający siłę, przy której nie dochodzi do trwałych odkształceń [N/cm], B współczynnik sztywności nadwozia opisjący, jaka siła jest wymagana do jednostkowego skrócenia pojazd [N/cm ] W metodzie Crash3 energie zŝytą na deformację E wyznacza się ze wzor: W E L A C sr B C + gdzie: L- szerokość odkształcenia [m], C sr średnia głębokość deformacji [cm]. Natomiast energię absorpcji zderzenia wyznacza się ze wzor: E A sr B C sr L A Csr + + G gdzie: G maksymalna jednostkowa energia pochłaniana na odkształcenie spręŝyste. A G B 9

10 10 Współczynniki A i B dobieramy z tabeli: JeŜeli posiadamy test zderzeniowy samochod to moŝemy wyznaczyć wartości współczynników A i B ze wzorów: L b b m A o 1 L b m B 1 sr o C b V b 1 bo,m/s (8km/h) la zderzenia plastyczno-spręŝystego prędkość derzenia w sztywną przeszkodę wyznaczamy zaleŝności: m E v A lb ( ) 1 n k m E v

11 .3. Metoda Campbella ZałoŜenia do metody: V b0 + b1c R gdzie: V prędkość derzenia, C R średni zasięg trwałych deformacji. la samochodów o masie całkowitej kg równanie ma postać: V C R la samochodów o masie całkowitej kg równanie ma postać: V C R PowyŜsze wzory moŝna stosować jedynie dla w pełni czołowego zderzenia samochod ze sztywną przeszkodą na całej szerokości. JeŜeli jednak derzenie nie nastąpiło w pełni czołowo i wywołało niesymetryczny obraz odkształceń, to w takim przypadk naleŝy skorzystać nomogramów przedstawionym na rysnkach 8 i 9. 11

12 Rys.8. Wyniki badań strktry wytrzymałościowej samochod dla masy kg Rys.9. Wyniki badań strktry wytrzymałościowej samochod dla masy kg 1

13 .4. Metoda Uproszczona ZałoŜenia do metody: gdzie: F n - siła działająca podczas zderzenia [N], b n średnia szerokość deformacji [m], h n średnia wysokość deformacji [m], f n maksymalna głębokość deformacji [m], k sztywność nadwozia [N/m 3 ]. W przypadk, gdy narszona została strktra wytrzymałościowa samochod (średnia głębokość deformacji nie mniejsza niŝ m) k N m 5 ( 9 11) 10 3 W przypadk, gdy szkodzeni legły głównie elementy blaszane i poszyciowe la samochodów początk XXI wiek k k N m 5 ( 4) 10 3 N m 5 ( 15 19) 10 3 Ilość energii zŝytej na deformacje nadwozia moŝna wyznaczyć ze wzor: E 3. Przebieg ćwiczenia F n f n b n h n f n k 1. Zapoznać się stdentów z metodologią prowadzenia testów zderzeniowych ze sztywną przeszkodą na przykładzie testów zderzeniowych mieszczonych na stronie internetowej Wykorzystać znane metody szacowania ilość energii traconej podczas zderzenia ze sztywną przeszkodą. Wyniki obliczeń porównać z rzeczywistymi testami. 13

14 4. Zadania do rozwiązania Zad. 1. Samochód Toyota Camry model 004 rok (VW Passat 006 rok) obciąŝony trzema dorosłymi osobami derzył czołowo w sztywną przeszkodę. W wynik derzenia odkształcony został przód samochod na całej szerokości L1.65m na głębokość: lewa strona m oś symetrii 0.40m prawa strona - 0.3m. Masa własna samochod m1400kg. Wyznaczyć prędkość samochod w chwili derzenia w przeszkodę. o wyznaczania prędkości samochod wykorzystać wszystkie znane metody. Zad.. Samochód Polonez (Honda Accord, model 004r.) nowy, obciąŝony czterema dorosłymi osobami derzył lewym przednim naroŝem w sztywną przeszkodę. W wynik derzenia odkształcone zostało lewe przednie naroŝe samochod na głębokości 0.35m i szerokości 0.8m (rys.10). Wyznaczyć prędkość samochod w chwili derzenia w przeszkodę. o wyznaczania prędkości samochod wykorzystać wszystkie znane metody. 100% 100% 8% 17% 97% 46% 96% 55% 7% Rys.10. Procentowy dział szkodzenia strktra samochod Polonez do zad. 14