Weryfikacja metod obliczeniowych stosowanych do wyznaczania energii potrzebnej do deformacji pojazdów podczas zderzeń bocznych

Transkrypt

1 GIDLEWSKI Mirosław 1 JEMIOŁ Leszek 2 POSUNIAK Paweł 3 Weryfikacja metod obliczeniowych stosowanych do wyznaczania energii potrzebnej do deformacji pojazdów podczas zderzeń bocznych WSTĘP Zderzenia boczne samochodów są najczęściej występującymi w Polsce rodzajami zderzeń pojazdów w ruchu. W 2013 roku tego typu zderzenia stanowiły prawie 30 % wszystkich wypadków drogowych. Istotnym elementem rekonstrukcji tego typu wypadków jest wyznaczenie prędkości pojazdów bezpośrednio przed zderzeniem. Pomocne w zrealizowaniu tego celu jest wyznaczenie wartości energii utraconej na deformację pojazdów w czasie zderzenia. Do wyznaczania energii potrzebnej do deformacji samochodu rzeczoznawcy wykorzystują różne metody obliczeniowe. Każda z tych metod oprócz wymiarów odkształconej powierzchni wymaga znajomości wartości sztywności deformowanych części samochodów uczestniczących w zderzeniu. Niestety w literaturze fachowej podawane są najczęściej jedynie wartości zastępczych sztywności przodu samochodu, natomiast wartości sztywności dotyczących boku lub tyłu pojazdu odnoszą do konstrukcji sprzed ponad 30 lat. W dodatku wszystkie podawane w literaturze wartości sztywności zastępczych zostały wyznaczone na podstawie prób zderzeniowych polegających na zderzeniach pojazdów ze sztywną barierą. Nie jest jasne czy uzyskane w ten sposób wyniki można wykorzystywać do analizy przebiegu zderzeń samochodów między sobą. W Przemysłowym Instytucie Motoryzacji przeprowadzono szereg eksperymentów polegających na zderzeniu czołowo-bocznym dwóch samochodów osobowych w ruchu. Pojazd A poruszał się z prędkością ok. 50 km/h i uderzał prostopadle w bok pojazdu B, jadącego z prędkością dwukrotnie mniejszą. Do prób zderzeniowych wykorzystano samochody marki Honda, model Accord, z okresu produkcji od 1998 do 2002 roku (VI generacja). Deformacje pojazdów powstałe w czasie zderzenia opisywano jakościowo oraz ilościowo. Wyznaczono również wartości energii utraconej na deformacje samochodów uczestniczących w zderzeniu. Do weryfikacji metod wykorzystywanych przez rzeczoznawców do wyznaczania energii zużytej na odkształcenia samochodu zostaną wykorzystane wyniki uzyskane dzięki analizie przebiegu dwóch prób zderzeniowych oznaczonych numerami Z3 i Z4. Próby te polegały na uderzeniu przodu samochodu A w przednią oś samochodu B. 1 WYBRANE METODY WYZNACZANIA ENERGII DEFORMACJI Najbardziej rozpowszechnionymi wśród rzeczoznawców, metodami wyznaczania energii deformacji są: metoda uproszczona oraz metoda McHenry ego. By właściwie wyznaczyć wartość pochłoniętej przez nadwozie samochodu energii, należy ustalić m. in. sztywność zastępczą pojazdu. W tym celu można skorzystać z informacji podawanych w literaturze fachowej bądź wyznaczyć wartość sztywności zastępczej na podstawie danych z testów zderzeniowych. Rzetelną bazą danych dysponuje amerykańska agencja NationalHighwayTrafficSafety Administration (NHTSA) [5]. Wyniki zrealizowanych prób zderzeniowych udostępniane są na stronach internetowych NHTSA, w formie raportów z badań. 1 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Mechaniczny, Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn; Radom; ul. Chronrego 45, tel.: , miroslaw.gidlewski@uthrad.pl. Przemysłowy Instytut Motoryzacji w Warszawie; Warszawa, ul. Jagiellońska 55 2 Uniwersytet Technologiczno-Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Mechaniczny, Instytut Eksploatacji Pojazdów i Maszyn; Radom; ul. Chronrego 45, tel.: , leszek.jemiol@uthrad.pl 3 Przemysłowy Instytut Motoryzacji w Warszawie; Warszawa, ul. Jagiellońska55, tel.: ,p.posuniak@pimot.eu 3889

2 1.1 Metoda uproszczona W metodzie uproszczonej zakłada się liniową zależność maksymalnej głębokości odkształcenia trwałego od działającej siły. Zderzenie samochodu z przeszkodą jest zderzeniem idealnie plastycznym. Maksymalne odkształcenia przodu samochodu: dynamiczne C Mmax i trwałe C Rmax są sobie równe. Energię utraconą na odkształcenie trwałe w trakcie zderzenia wyznacza się ze wzoru: E D energia utracona na odkształcenie trwałe, b n średnia szerokość odkształcenia trwałego pojazdu, h n średnia wysokość odkształcenia trwałego pojazdu, C Rmax maksymalna głębokość odkształcenia trwałego pojazdu, k współczynnik sztywności jednostkowej odkształcanej części pojazdu. (1) Wartość współczynnika sztywności jednostkowej k można dobrać z literatury. Dla zderzeń czołowych wartości k przedstawiono w tabeli 1. Natomiast dla zderzeń bocznych samochodu przyjmuje on wartość [4]: k = (2,0 4,0) 10 5 [N/m 3 ] Tab. 1. Wartość współczynnika sztywności jednostkowej k [4] Lp. Okres produkcji samochodu Wartość k [ 1 Początek lat 90. XX wieku (6,5 8,8) Koniec lat 90. XX wieku i przełom XX/XXI wieku (10 12) Początek XXI wieku (15 19) Najnowsze konstrukcje (19 21) 10 5 Istnieje możliwość wyznaczenia współczynnika sztywności w oparciu o dane z testów zderzeniowych. W tym celu należy wyznaczyć wartość sztywności zastępczejk z1 korzystając z zasady zachowania energii, przy czym zakłada, że cała energia kinetyczna samochodu E A zostaje utracona na odkształcenie trwałe pojazdu: m t masa samochodu wykorzystanego w teście zderzeniowym, V ut prędkość samochodu testowego w chwili uderzenia w sztywną barierę, C Rmaxt maksymalna głębokość odkształcenia trwałego pojazdu w teście zderzeniowym. Wartość sztywności zastępczej wyznacza się ze wzoru: (2) (3) Wartość współczynnika sztywności jednostkowej k opisuje wzór: b nt średnia szerokość odkształcenia trwałego pojazdu w teście zderzeniowym, (4) 3890

3 h nt średnia wysokość odkształcenia trwałego pojazdu w teście zderzeniowym. 1.2 Metoda McHenry ego W metodzie McHenry ego zakłada się liniową zależność średniego odkształcenia trwałego C Rśr od działającej siły. Zderzenie samochodu jest sprężysto-plastyczne, a odkształcenia czysto sprężyste C 0 powstają przy maksymalnej prędkości b 0 równej 2,2 m/s (8 km/h). Zależność pomiędzy odkształceniem dynamicznym C M i trwałym przodu samochodu opisuje wzór: C Rśr - średnie odkształcenie trwałe samochodu, C 0 odkształcenie sprężyste samochodu odpowiadające prędkości uderzenia b 0. (5) Energię zaabsorbowaną w trakcie uderzenia samochodu w przeszkodę wyznacza się korzystając z następującego wzoru: E A - energia zaabsorbowana, C Rśr - średnia głębokość odkształcenia trwałego pojazdu, L - szerokość odkształcenia, A- siła jednostkowa nie powodująca odkształceń trwałych, B - sztywność jednostkowa odkształcanego pojazdu, G - energia jednostkowa pochłaniana na odkształcenia sprężyste. (6) Wartości współczynników A i B przedstawiono w tabeli 2. Dane dotyczące współczynników A i B zostały określone dla uszkodzeń przodu, tyłu lub boku pojazdu, w zależności od kategorii pojazdu oraz jego wymiarów i masy. Tab.2. Wartości współczynników A i B w zależności od kategorii pojazdu i rodzaju zderzenia [4] Parametr Kategorie Mini Subcompact Compact Intermediate Van Rozstaw osi [m] 2,05-2,40 2,40-2,58 2,58-2,80 2,80-2,98 2,76-3,30 Rozstaw kół [m] 1,29 1,38 1,49 1,57 1,71 Długość [m] 4,05 4,44 4,98 5,40 4,66 Szerokość [m] 1,54 1,70 1,84 1,95 2,00 Masa [kg] P T B A [N/m] 5, , , , , B [N/m 2 ] 3, , , , , A [N/m] 6, , , , , B [N/m 2 ] 2, , , , , A [N/m] 1, , , , B [N/m 2 ] 2, , , ,

4 Wartość C Rśr wyznacza się na podstawie zmierzonych głębokości odkształceń w kilku punktach ze wzoru: C 1,, C n wielkość odkształcenia dla danej szerokości odkształcenia, n liczba pomiarów głębokości odkształcenia. (7) Wartość energii jednostkowej zużytej na odkształcenia sprężyste opisuje wzór: Z uwagi na fakt, że określone w tabeli 2, sztywności pojazdów odnoszą się do konstrukcji sprzed kilkudziesięciu lat, także w tym przypadku, najwłaściwszym jest wyznaczanie wartości współczynników sztywności nadwozia dla współczesnych pojazdów, w oparciu o dane z crash-testów. W tym celu można wykorzystać dane zawarte w raportach z testów zderzeniowych przeprowadzonych przez NHTSA. Na podstawie tych danych można wyznaczyć średnią testową głębokość odkształcenia C Rśrt : (8) C 1t,,C nt głębokość odkształceń samochodu w teście zderzeniowym, n liczba pomiarów głębokości. (9) Następnie wyznacza się współczynnik prędkości testowej odpowiadający odkształceniu trwałemu b 1t : Wartości współczynniki A i B wyznacza się ze wzoru: (10) (11) L t szerokość na jakiej dokonano pomiaru odkształceń w teście zderzeniowym. (12) 2 CHARAKTERYSTYKA ILOŚCIOWA ODKSZAŁCEŃ POJAZDÓW W TESTACH ZDERZENIOWYCH W celu określenia głębokości odkształceń powstałych podczas prób zderzeniowych wykonywanych w PIMOT, wykonano pomiary kształtów zewnętrznych pojazdów przed eksperymentem, a dokładniej stref, które miały ulec uszkodzeniu. W przypadku samochodu uderzającego (pojazd A), wyznaczono trzy wysokości pomiarów odpowiadające wysokości dolnej krawędzi zderzaka przedniego pojazdu, górnej krawędzi zderzaka oraz przedniej krawędzi pokrywy komory silnika. Na każdej wysokości wyznaczono sześć równomiernie rozmieszczonych punktów pomiarowych. Podobnie dla samochodu B, wyznaczono trzy wysokości pomiarów, tj: próg drzwi, listwa drzwi, wysokość odpowiadająca krawędzi pokrywy komory silnika oraz wyznaczono punkty 3892

5 pomiarowe. W każdym punkcie pomiarowym umieszczono trwały znacznik tzw. marker. Po eksperymencie, pojazdy zostały poddane powtórnemu pomiarowi kształtów zewnętrznych. W oznaczonych wcześniej punktach pomiarowych zmierzono głębokość deformacji w odniesieniu do wykonanych wcześniej pomiarów. Do pomiarów głębokości deformacji pojazdu użyto przyrządu przedstawionego na rys. 1. Ponadto wykonano dodatkowe pomiary średniej szerokości oraz średniej wysokości odkształcenia (rys. 2). Rys. 1. Sposób pomiaru głębokości deformacji pojazdów dla metody McHenry ego Rys. 2. Sposób pomiaru głębokości deformacji pojazdów dla metody uproszczonej 2.1 Charakterystyka ilościowa odkształceń pojazdów A w testach Z3 i Z4 Wyniki pomiarów głębokości odkształceń, dla pojazdów A w testach Z3 i Z4, przedstawiono w tabeli 3 i zobrazowano na rysunku 3 i rysunku 4. Podane wartości odkształceń odnoszą się do wysokości odpowiadającej górnej krawędzi zderzaka, gdyż na tym poziomie odnotowano największe deformacje. Wyniki pomiarów wysokości oraz szerokości odkształcenia wynoszą: Test Z3: b 1 = 1,5 m b 2 = 1,0 m h 1 = 0,4 m h 2 = 0,6 m Test Z4: b 1 = 1,5 m b 2 = 1,0 m h 1 = 0,4 m h 2 = 0,6 m 3893

6 Tab. 3. Wyniki pomiarów głębokości deformacji pojazdów A z testów Z3 i Z4 Punkt pomiarowy C Test Z3 Test Z4 Przed Po Różnica Przed Po Różnica nr C[m] C[m] C[m] C[m] C[m] C[m] 1 0,335 0,440 0,105 0,33 0,405 0, ,24 0,315 0,075 0,235 0,355 0,12 3 0,21 0,400 0,190 0,205 0,43 0, ,205 0,430 0,225 0,205 0,41 0, ,235 0,425 0,190 0,235 0,375 0,14 6 0,33 0,400 0,070 0,325 0,37 0,045 Rys. 3. Głębokość deformacji pojazdu A (test Z3) zmierzona na wysokości górnej krawędzi przedniego zderzaka Rys. 4. Głębokość deformacji pojazdu A (test Z4) zmierzona na wysokości górnej krawędzi przedniego zderzaka 2.2 Charakterystyka ilościowa odkształceń pojazdów B z testów Z3 i Z4 Wyniki pomiarów głębokości odkształceń, dla pojazdów Bw testach Z3 i Z4, przedstawiono w tabeli 4 i zobrazowano na rysunku 5 i rysunku 6. Podane wartości odkształceń odnoszą się do wysokości odpowiadającej wysokości listwy drzwi, gdyż na tym poziomie odnotowano największe odkształcenia. Wyniki pomiarów wysokości oraz szerokości odkształceń wynoszą: Test Z3: b 1 = 1,9 m b 2 = 0,3 m h 1 = 0,9 m h 2 = 1,1 m Test Z4: b 1 = 2,0 m b 2 = 0,3 m h 1 = 0,9 m h 2 = 1,1 m 3894

7 Tab. 4. Wyniki pomiarów głębokości deformacji pojazdów B z testów Z3 i Z4 Punkt pomiarowy C Test Z3 Test Z4 Przed Po Różnica Przed Po Różnica nr C[m] C[m] C[m] C[m] C[m] C[m] 3 0,26 0,360 0,100 0,245 0,27 4 0,245 0,410 0,165 0,24 0,36 5 0,24 0,490 0,250 0,24 0,47 6 0,235 0,445 0,210 0,24 0, ,235 0,325 0,090 0,24 0, ,235 0,255 0,020 0,24 0,260 0,025 0,12 0,23 0,235 0,135 0,020 Rys. 5. Głębokość deformacji pojazdu B z testu Z3 zmierzona na wysokości listwy bocznej drzwi. Rys. 6. Głębokość deformacji pojazdu B z testu Z4 zmierzona na wysokości listwy bocznej drzwi. 3 WYZNACZANIE ENERGII POTRZEBNEJ DO DEFORMACJI SAMOCHODÓW Energię potrzebną do deformacji samochodów wykorzystanych w testach zderzeniowych Z3 i Z4 wyznaczono bazując na wartościach odkształceń zmierzonych na samochodach, danych z literatury fachowej oraz danych z crash-testów z bazy NHTSA. Wartości współczynników k t, A t i B t dla przodu samochodu A wyznaczono [1] wykorzystując raporty z testów zderzeniowych NHTSA nr: 3455, 3457, 4683 [5]. Wartości współczynników k t, A t i B t dla boku samochodu B wyznaczono [2] wykorzystując raporty z testów zderzeniowych NHTSA nr: 4859, 5444, 6439 [5]. Raporty te opisują zderzenia boczne ze słupem z prędkością 32km/h samochodów Honda Accord, wyprodukowanych w latach Uzyskane wyniki przedstawiono w tabeli 5 [2].W tabeli 6, otrzymane wyniki porównano z rzeczywistymi wartościami energii deformacji dla Hond Accord z testów Z3 i Z4. Wyniki obliczeń 3895

8 przedstawiono w tabeli 5. W tabeli 6 porównano wyniki obliczeń wykorzystujących różne metody i różne dane wejściowe z wynikami eksperymentów przeprowadzonych w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji. Tab. 5. Wyniki obliczeń wartości współczynników zastępczych sztywności oraz energii deformacji dla samochodów Honda Accord z testów zderzeniowych Z3 i Z4. Metoda obliczeniowa Zmienna Test Z3 Test Z4 Samochód A Samochód B Samochód A Samochód B A [N/m] 5, , , , B [N/m 2 ] 3, , , , McHenry ego E D [Nm] A t [N/m] 6, , , , B t [N/m 2 ] 7, , , , E D [Nm] k Uproszczona E D [Nm] k t 15, , E D [Nm] Tab. 6. Porównanie wyników obliczeń z wynikami eksperymentu Energia deformacji E D samochodu A [Nm] Energia deformacji E D samochodu B [Nm] Test Z3 Test Z4 Test Z3 Test Z4 Wartość wyznaczona na podstawie analizy wyników testów Z3 i Z Wartości obliczone Metoda McHenry ego Metoda uproszczona Współczynniki Ai B z literatury Współczynniki A i B wyznaczone z crash-testów Współczynnik k z literatury Współczynnik k wyznaczony z crash-testów WNIOSKI Przedstawione w artykule wyniki obliczeń wskazują, że każda z wykorzystanych metod obliczeniowych nie pozwoliła na otrzymanie oczekiwanych wartości energii deformacji. Obliczone wartości energii potrzebnej do deformacji przodu samochodu A i boku samochodu B różnią się 3896

9 bowiem znacznie od wartości rzeczywiście utraconej energii na odkształcenia pojazdów w próbach zderzeniowych oznaczonych numerami Z3 i Z4. Różnice te są szczególnie widoczne w przypadku obliczeń, wykorzystujących wartości współczynników sztywności odkształcanych części samochodu ustalonych na podstawie literatury. W tych przypadkach, niezależnie od wykorzystanej do obliczeń metody, wyznaczona wartość utraconej energii na deformację samochodu A była prawie dwukrotnie mniejsza, a na deformację samochodu B nawet trzykrotnie mniejsza od rzeczywiście utraconej energii. Wykorzystanie do obliczeń wartości współczynników opisujących sztywności odkształcanych części nadwozi wyznaczonych na podstawie wyników prób zderzeniowych, zbliżyło wyniki obliczeń do wyników eksperymentu. Nadal jednak obliczone wartości energii deformacji były o 20 30% mniejsze od oczekiwanych. Zaobserwowane różnice wynikały zapewne ze zbyt małych wartości sztywności zastępczych przodu i boku samochodu uwzględnionych w obliczeniach. Te z kolei były spowodowane istotnymi różnicami warunków prób zderzeniowych wykorzystanych do wyznaczania sztywności zastępczych przodu i boku samochodu i warunków prób zderzeniowych przeprowadzonych w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji. Pokazane różnice wyników obliczeń i wyników eksperymentu nie dyskwalifikują metod wykorzystywanych przez rzeczoznawców do wyznaczania energii deformacji samochodu na podstawie odkształceń pojazdów powstałych w wyniku zderzenia. Nakazują jednak staranne i rozsądne ustalanie wartości danych wejściowych do obliczeń opisujących sztywności zastępcze i wymiary odkształcanych części samochodów. Streszczenie W artykule przedstawiono eksperymentalną weryfikację dwóch najczęściej stosowanych, przez rzeczoznawców z zakresu rekonstrukcji wypadków drogowych, metod obliczeniowych służących do wyznaczania energii potrzebnej deformacji pojazdu. Zarówno metoda uproszczona jak i metoda McHenry ego, wymagają prawidłowego ustalenia wartości współczynnika sztywności zastępczej oraz wymiarów deformowanej części pojazdu. W celu scharakteryzowania sztywności pojazdu można skorzystać z danych dostępnych w literaturze fachowej bądź, w oparciu o dane z testów zderzeniowych udostępniane przez instytuty naukowe, wyznaczyć dla danego pojazdu wartość parametrów określających sztywność nadwozia. W artykule, różnymi metodami, wyznaczono energię potrzebną do deformacji pojazdów. Deformacje samochodów powstały w wyniku dwóch zderzeń bocznych samochodów zrealizowanych w Przemysłowym Instytucie Motoryzacji. Do obliczeń wykorzystano współczynniki sztywności z literatury fachowej oraz parametry wyznaczone w oparciu o dane z internetowej bazy danych amerykańskiej agencji NHTSA. Wyniki obliczeń porównano z wynikami uzyskanymi dzięki analizie przebiegu dwóch prób zderzeniowych zrealizowanych w PIMOT. Verification of calculation methods used to determine the energy required for deformation of the vehicle during side impact Abstract The article presents the experimental verification of the two most commonly used by accident reconstruction experts, calculation methods for the determination of the energy needed to deform the vehicle. Both, the simplified method and the McHenry method, require the correct determination of values of substitute stiffness coefficient and deformation dimensions of the vehicle. To define the stiffness of the vehicle, there is a possibility to use data available in specialist literature or on the basis of data from crash tests provided by research institutes, determinate a value of the parameters defining body rigidity. In this publication, with a couple of methods, determined the energy required to deform vehicles. Car deformations are the result of the side collision of two cars realized in the Automotive Industry Institute. For the calculation were used coefficients of the stiffness from the literature and the parameters determined on the basis of data from the online database of the US NHTSA agency. The calculation results were compared with the results obtained by analyzing the course of two crash tests conducted in PIMOT. 3897

10 BIBLIOGRAFIA 1. Gidlewski M., Jemioł J., Zielonka K.: Wyznaczanie charakterystyk sztywności przodu samochodu Honda Accord na podstawie wyników testów zderzeniowych.tts Technika TransportuSzynowego 10/ Gidlewski M., Korol K.: Wyznaczanie zastępczych sztywności boku samochodu osobowego na podstawie wyników testów zderzeniowych. TTS Technika TransportuSzynowego 9/ Jankowski K.P, Gidlewski M., Jemioł L.: Struktury energetyczne samochodów osobowych opracowane na podstawie dostępnych wyników prób zderzeniowych. Referat zamawiany. IV Konferencja naukowo-szkoleniowa Rozwój techniki samochodowej a ubezpieczenia komunikacyjne. Radom Prochowski L, Unarski J, Wach W, Wicher J: Podstawy rekonstrukcji wypadków drogowych. WKŁ, Warszawa 2008r. 5. Strona internetowanational Highway Traffic Safety Administration: Opisane w artykule badania i ich wyniki zostały wykonanew ramach projektu badawczego własnego nr N N