Analiza odkształceń podłużnic samochodowych

Transkrypt

1 RYPINA Łukasz 1 CZERNIAK Michał 2 KRÓLIKOWSKI Tomasz 3 TANDECKA Katarzyna 4 NIKOŃCZUK Piotr 5 Analiza odkształceń podłużnic samochodowych WPROWADZENIE Stworzenie i ujednolicenie przepisów dotyczących bezpieczeństwa w ruchu drogowym oraz w tworzeniu i weryfikacji konstrukcji wytwarzanych pojazdów było głównym bodźcem zmian w nowoczesnej motoryzacji. Jeszcze szybszy rozwój tej gałęzi przemysłu mógł być dokonany poprzez powstawanie nowych materiałów konstrukcyjnych, szeroką paletę narzędzi wspomagających projektowanie i wytwarzanie, oraz coraz większą konkurencję na rynku motoryzacyjnym. Wzrost ogólnej wydajności procesu tworzenia nowego pojazdu od koncepcji po sprzedaż dokonała się w największym stopniu dzięki informatycznym narzędziom z rodziny CAx. W artykule przedstawiono przykład możliwości oceny konstrukcji z punktu widzenia wytrzymałości i bezpieczeństwa już na etapie projektowania. W części praktycznej pracy przedstawione zostaną wyniki analizy numerycznej wykonanej w aplikacji Ansys, a także badania eksperymentalne mające na celu weryfikację modeli komputerowych. 1. CHARAKTERYSTYKA PODŁUŻNIC SAMOCHODÓW OSOBOWYCH Podłużnice pojazdów osobowych i dostawczych należą do systemu bezpieczeństwa biernego pojazdu czyli takiej, której celem jest zniwelowanie skutków już zaistniałej kolizji drogowej. Dokonują tego poprzez pochłanianie lub rozpraszanie energii powstałej na skutek wypadku drogowego drogą zniekształceń sprężystych, plastycznych, emisji akustycznej i cieplnej ochraniając tym samym przedział pasażerski i zmniejszając przeciążenia do minimum. W zależności od prędkości, w której dochodzi do kolizji pochłanianiem energii zajmują się różne elementy nadwozia pojazdu (rys.1). W przypadku niskich prędkości są to elementy tłumiące takie jak wkładki energochłonne. Możliwa jest ich wymiana w bardzo łatwy i relatywnie tani sposób. Ma to na celu uniknięcie uszkodzenia podłużnic, których zastąpienie jest droższe i bardziej skomplikowane. Są one częścią kontrolowanej strefy zgniotu czyli takiej strefy pojazdu, której stopień uszkodzenia i ilość pochłoniętej energii są powtarzalne i przewidywalne. Stopień absorpcji energii kolizji jest głównym wyznacznikiem poziomu bezpieczeństwa samochodu. [1] Rys. 1 Elementy składowe zderzaka przedniego Audi A4 produkowanego w latach (Źródło: Carwert Eurotax) 1 Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska, lukasz.rypina@tu.koszalin.pl 2 Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska, michal.czerniak@mail.ru 3 Wydział Technologii i Edukacji, Politechnika Koszalińska, tomasz.krolikowski@tu.koszalin.pl 4 Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska, katarzyna.tandecka@tu.koszalin.pl 5 Wydział Techniki Morskiej i Transportu, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, piotr.nikonczuk@zut.edu.pl 4239

2 W przypadku projektowania współczesnych nadwozi samochodowych stale miękkie stosowane są w miejscach mało istotnych, natomiast stale o wysokiej wytrzymałości wykorzystywane są na elementy nośne oraz te mające bezpośredni wpływ na bezpieczeństwo użytkowników pojazdu (rys.2). Zastosowany materiał jest szczególnie istotny w obszarach strefy zgniotu co z pewnością będzie miało swoje odzwierciedlenie w obszarze zniszczeń powypadkowych. Rys. 2 Rodzaje stali użyte do produkcji szkieletu nadwozia samochodu Volvo S40 z roku 2007 (Źródło: Volvo) Rys. 3. Porównanie parametrów dla różnych gatunków stali (Źródło: GYS). Dobór odpowiedniej stali zależny jest od przeznaczenia i funkcji elementu karoserii. Nadwozia samochodowe zbudowane mogą być między innymi z następujących rodzajów stali [2]: LSS Low Strength Steel stale o niskiej wytrzymałości: stale miękkie (Mild Steel), stale tłoczne (Interstital Free), HSS High Strength Steel stale o podwyższonej wytrzymałości: (stale tłoczne izotropowe (Isotropic), stale umacniane wydzieleniowo (Bake Hardenable), stale węglowo manganowe, stale wysokowytrzymałe niskostopowe (High Steel Low Alloy), UHSS Ultra High Strength Steel stale o wysokiej wytrzymałości: stale ferrytycznomartenzytyczne (Dual Phase), stale typu CP (Complex Phase), stale typu TRIP (Transformation Induced Plasticity), stale martenzytyczne. Właściwa procedura doboru odpowiedniego materiału na dany element nadwozia samochodowego jest procesem skomplikowanym. Wiąże się ona z wykonaniem wielu pracochłonnych symulacji 4240

3 wytrzymałościowych projektowanej części oraz dodatkowych obliczeń np., symulacji procesu tłoczenia. Bardziej szczegółowe informacje na ten temat zawarto w pozycjach literaturowych [2] i [3]. 2. PROJEKTOWANIE PODŁUŻNIC SAMOCHODOWYCH W zależności od zadania jakie wypełnia konkretny element biernego systemu bezpieczeństwa jest on wykonany z innego materiału. Rodzaje stali używanych do tworzenia obecnie projektowanych nadwozi pojazdów mechanicznych to na przykład: stale o niskiej wytrzymałości: stale miękkie, tłoczne, stale o podwyższonej wytrzymałości: stal węglowo-manganowa, stal wysoko wytrzymała niskostopowa, stal tłoczna izotropowa, stal o wysokiej wytrzymałości: ferrytyczno-martenzytyczna, stal martenzytyczna. Dobór materiału należy do czynności bardzo skomplikowanych i pracochłonnych wymagają przeprowadzenia wielu symulacji i prób eksperymentalnych. Modelowanie podłużnic samochodowych jest typowym zagadnieniem modelowania powierzchniowego. Najczęściej w tym wypadku korzysta się z modułu do tworzenia modeli powierzchniowych programu Catia. Jest to najpopularniejszy obecnie program wykorzystywany w przemyśle motoryzacyjnym. Mimo to w przypadku niniejszych rozważań został wykorzystany program Inventor. 3. BADANIA EKSPERYMENTALNE EuroNCAP w swoich badaniach wykorzystuje odkształcalne bariery, wykonane z aluminium o strukturze plastra miodu, których używa się do czołowych testów zderzeniowych. Odkształcalna bariera stosowana jest do badań wypadków ze średnimi prędkościami. Tak złożone problemy strukturalne są rozwiązywane za pomocą narzędzi do wspomagania projektowania CAE. W obliczeniach numerycznych testów zderzeniowych bariery modelowane są jako ciała sztywne. Jest to pewnego rodzaju uproszczenie, ponieważ sztywna bariera nie absorbuje energii uderzenia, wpływ kolizji będzie większy [4] Rys. 3. Schemat opracowany przez EuroNCAP przedstawiający przednie uderzenie samochodu w przeszkodę opracowane [4] Deb A. [5] w swoich symulacjach stosuje niższe prędkości oraz masy samochodu. Dzięki takim zmianom warunków brzegowych uzyskuje się prawidłowe wyniki odkształceń przy zastosowaniu barier nieodkształcalnych. Równanie zachowania energii dla zderzenia pojazdu z odkształcalną przegrodą można zapisać: (1) gdzie jest początkową prędkością pojazdu, m jest masą pojazdu, jest to energia pochłonięta przez pojazd, jest energia kinetyczna a jest to energia pochłonięta przez barierę podlegającą odkształceniu. Jeśli natomiast pojazd uderza w sztywną przeszkodę z taką samą prędkością ale z różnym obciążeniem, tak że taka sama ilość energii jest absorbowana przez pojazd, wówczas równanie przyjmuje postać: (2) gdzie m jest zastępczą masą pojazdu, Z równań (1) i (2) wynika, że: jest to energia kinetyczna pojazdu po uderzeniu. (3) 4241

4 Zakładając, że powyższe równanie przyjmuje postać: Do badań eksperymentalnych użyto systemu do rejestracji oraz analizy obrazów składającego się z kamery rejestrującej obrazy szybkozmienne oraz aplikacji TEMA. Program Tema Motion umożliwia śledzenie i analizę ruchu wybranych obiektów i punktów, których położenie jest zmienne w czasie. Pozwala to na określenie parametrów takich jak m.in.: prędkość, przyspieszenie, zmiana długości. Z użyciem jednej kamery istnieje możliwość śledzenia obiektów w trybie 2D a wykorzystując wiele kamer w trybie trójwymiarowym. Dla potrzeb niniejszych badań wykorzystano tryb 2D używając jednej kamery. Śledzenie obiektów zostało dokonane wykorzystując algorytmy śledzenia symetrycznych znaczników naklejonych na obiekt fizyczny. Obydwie metody bazują na tym samym algorytmie porównywania kolejnych obszarów w obrazie, który jest najbliższy do tego podanego we wzorze (pierwszym obrazie). Jest to podstawowy algorytm najczęściej wykorzystywany do analizy obrazów w wielu gałęziach przemysłu, głównie testowych ośrodkach przemysłu motoryzacyjnego. Polega on na porównywaniu w kolejnych klatkach sekwencji obrazów pikseli z tymi ze wzorca. Na podstawie określonego wcześniej stopnia dopasowania klasyfikuje się obiekt największa wartość sumy kwadratów mówi o tym, że obiekt został znaleziony. Do rejestracji sekwencji obrazów zastosowano kamerę Phantom v210, 8GB wraz z urządzeniem do magazynowania danych Phantom CineMag II 128GB.. Podczas wykonywania zdjęć nie użyto dodatkowego oświetlenia. [6] Do badań eksperymentalnych wykorzystano podłużnicę samochodową o przekroju kwadratowym (rys. 4). Podłużnica została zamocowana na wózku o masie 500 kg, który został rozpędzony do prędkości 4,5 m/s. Badany element uderzał w elastyczną barierę. Zarejestrowane wyniki badań przedstawiono w tabeli 1. Czas początkowy 0s jest to czas kontaktu podłużnicy z barierą. (4) Rys. 4. Schemat stanowiska badań 4242

5 Tab. 1 Odkształcenia podłużnicy o przekroju kwadratowym (badania eksperymentalne) Podłużnica o przekroju kwadratowym Czas [s]

6 4. OPIS ANALIZY NUMERYCZNEJ Celem symulacji jest stworzenie modelu komputerowego badanego eksperymentalnie układu i porównanie otrzymanych wyników. Materiał podłużnic wykorzystany w symulacji (tak jak w eksperymencie) to DC-01 (ρ=7850 kg/m 3 ; E=210GPa; współczynnik Poissona = 0,31; wytrzymałość na rozc. = 410MPa). Przyjęte obciążenie badanych podłużnic to impuls siły spowodowany przez uderzenie rozpędzoną, nieodkształcalną płytą w układ. Wielkościami wejściowymi są: prędkość i masa płyty, stałe materiałowe, Wielkościami wyjściowymi są: odkształcenia plastyczne podłużnic, opóźnienia i rozkład prędkości układu, naprężenia zastępcze Hubera Misesa. Zmienne niezależne: czas, wymiary geometryczne podłużnic. W symulacji numerycznej przyjęto następujące uproszczenia: materiał jest idealnie jednorodny, nie uwzględniono technologii wykonania podłużnic brak miejsca łączenia giętej blachy za pomocą wzdłużnego spawu, założono także, że wielkości fizyczne są stałe w czasie, bariera w którą uderza podłużnica jest nieodkształcalna. W związku z tym zmniejszono masę oraz prędkość układu napędowego. Model materiałowy, jaki został wykorzystany w symulacji to model materiałowy z biliniowym umocnieniem izotropowym z potencjałem von Misesa. W modelu tym występuje wyraźna granica plastyczności i liniowe umocnienie, które opisane jest tg β nachylenia linii tworzącej ten kąt do poziomu (rys. 4). Kąt α opisuje moduł Younga [7] Rys. 4. Model materiałowy użyty w symulacji [7]; α kąt nachylenia prostej przyrostu naprężeń sprężystych w zależności od względnego wydłużenia materiału, β kąt nachylenia prostej przyrostu naprężeń plastycznych w zależności od względnego wydłużenia materiału, (σ- naprężenie; Δl- odkształcenie względne) Podczas dyskretyzacji modelu użyto elementu skończonego typu Shell 163 z dwunastoma stopniami swobody. W metodzie elementów skończonych niewiadomymi wartościami są przemieszczenia węzłowe. Badana geometria podzielona została na 4415 elementów skończonych. Ważną wielkością podczas opracowywania modelu fizycznego symulacji jest energia wypadku: 2 l Ew PdD Fl E 0 2 [Nm] (5) gdzie: 4244

7 P siła, dd różniczka drogi, σ naprężenie, E moduł sprężystości, F powierzchnia przekroju, l droga odkształcenia. Wynika z tego, że im niższy moduł sprężystości i naprężenia dopuszczalne danego materiału oraz im większy przekrój poprzeczny i zdolność odkształcenia, tym większa może być energia wypadku. [8] Aby rozwiązać symulację skorzystano z metody całkowania jawnego (explicit). Równanie opisujące ruch obiektu w tej metodzie można opisać następująco: M r Cr Kr R, (6) t 0,t s, gdzie: M, C, K stałe w czasie macierze: masy, tłumienia, sztywności układu; R wektor obciążenia zewnętrznego; wartości r przemieszczenie, prędkość, przyspieszenie węzłów układu. Każdy kolejny krok obliczeń symulacji obejmuje rozwiązanie całkowania w/w równania względem czasu [9]. 5. WYNIKI SYMULACJI Wyniki analiz numerycznych podobnie jak w przypadku badań eksperymentalnych zostały przedstawione w tabeli 2. Czasy, w których zaprezentowane zostały wyniki odkształceń są zgodne z eksperymentem. Analizując wyniki badań eksperymentalnych i symulacyjnych zbieżność wyników jest na dobrym poziomie. W rozpatrywanym kroku czasowym równym 0.01s występują już pierwsze odkształcenia plastyczne, materiał zaczyna się zawijać. W kolejnych krokach od 0.02 do 0.04s widoczne są silne odkształcenia (wybrzuszenia) bocznej i górnej powierzchni podłużnicy. W krokach 0.05 do 0.08 widoczne są różnice w odkształceniach materiału pomiędzy eksperymentem a symulacją. W analizie numerycznej strefa zgniotu jest większa, materiał bardziej się odkształca. Stan taki spowodowany jest uproszczeniami jakie zostały wprowadzone do symulacji komputerowej. Analizując kroki czasowe 0.09 i 0.1s w symulacji komputerowej, widoczne są dużo większe odkształcenia niż w eksperymencie. W badaniach doświadczalnych w ostatnich krokach czasowych można zaobserwować jak duża część energii została pochłonięta przez barierę, w którą uderza podłużnica, co jest niewidoczne w badaniach symulacyjnych. Tab. 2 Odkształcenia podłużnicy o przekroju kwadratowym (badania symulacyjne) Podłużnica o przekroju kwadratowym Czas [s]

8

9 0.1 PODSUMOWANIE Przedstawione przez autorów wyniki badań eksperymentalnych oraz numerycznych mają na celu zobrazowanie kontrolowanej strefy zgniotu dla podłużnicy o przekroju kwadratowym. Z uwagi na pewne uproszczenia modelu komputerowego, a także konstrukcję stanowiska badawczego, która nie zapewnia odpowiednich sztywności układu, wyniki badań eksperymentalnych i doświadczalnych różnią się nieznacznie od siebie. Badania te potwierdzają wnioski płynące z badań Deb A. [5], że w analizach numerycznych jeśli stosujemy układy nieodkształcalne i sztywne, należy zmniejszać masy oraz prędkości układów. Głównym celem badań było porównanie analiz doświadczalnych z numerycznymi, w których dobierano odpowiednie warunki brzegowe. Zagadnienie doboru warunków brzegowych oraz właściwe wprowadzenie uproszczeń w symulacji, jest tematem badań wielu ośrodków badawczych [4, 5]. Ich wyniki są chętnie wykorzystywane przez branże motoryzacyjną, celem tworzenie nowych, dokładniejszych modeli komputerowych. Wyniki przedstawionych badań są wstępem do kolejnych analiz jakie zamierzają przeprowadzić autorzy niniejszej pracy. Autorzy zamierzają przeanalizować różne przekroje podłużnic, które stanowić będą podstawę do opracowania algorytmu tworzenia modeli komputerowych, procesu zniszczenia podłużnicy samochodowej. Streszczenie Przedstawiono przykład oceny deformacji podłużnicy o przekroju kwadratowej w chwili uderzenia w przeszkodę. W pracy scharakteryzowano podłużnice samochodowe oraz przedstawiono jakie spełniają funkcję. W dalszej części pracy przedstawiono wyniki badań crash testu, które zostały zarejestrowane kamerą szybkościową a następnie przeanalizowane w systemie Tema Motion. Następnym krokiem było stworzenie modelu komputerowego w systemie Ansys. Wyniki analiz numerycznych zostały porównane z badaniami eksperymentalnymi. Słowa kluczowe: crash test, Ansys, Metoda Elementów Skończonych (MES), podłużnica samochodowa, wytrzymałość, odkształcenia. Analysis of deformation shapes tubes car Abstract Is shown an example of the longitudinal deformations of square cross-section at the moment of impact a barrier. The work was characterized by shapes tubes car and shows which fulfill the function. In the following part of the paper presents the results of the crash test, which were recorded by a speed camera and then analyzed in the system Tema Motion. The next step was to create a computer model in ANSYS system. The results of numerical analyzes were compared to the experimental studies. Keywords: crash test, Ansys, Finite Element Method (FEM), shapes tubes car, strength, deformation. LITERATURA 1. R. Lewkowicz, T. Hinz, Ł. Rypina, T. Królikowski, P. Piątkowski. Symulacja naprężeń i odkształceń w podłużnicach samochodowych. Miesięcznik Naukowo Techniczny Mechanik, nr 5-6/2011 strona Artykuł prasowy: Bogusław Raatz. Karoseria współczesnego samochodu. Auto Moto Serwis 5/2009; Bartczak B., Gireczycka-Zbrożek D., Gronostajski Z., Polak S. Struktury cienkościenne w zastosowaniu na elementy pochłaniające energię zderzenia, Mechanik 5-6/

10 4. Niyazi Tanlak, Fazil O. Sonmez. Optimal shape design of thin-walled tubes under high-velocity axial impact loads. Thin-Walled Structures 84 (2014) Deb A, Naravane A, Chirwa EC. An offset rigid barrier-based test: equivalence to the insurance institute for highway safety frontal offset impact safety test. Int J Crashworthines 2006; 11 (4): Wojciech Kacalak, Tomasz Królikowski, Łukasz Rypina. Badanie procesu mikroskrawania z wykorzystaniem zintegrowanego systemu rejestracji obrazów szybkozmiennych, Mechanik NR 8-9/2013 str Ansys 15 Help System. Theory Reference Ansys Inc Zieliński A. Konstrukcja nadwozi samochodów osobowych i pochodnych. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa 2003,] 9. Stanisław Łaczek, Modelowanie i analiza konstrukcji w systemie MES ANSYS v.11, WPK, Kraków Rypina Łukasz, Baran Jan, Królikowski Tomasz, Nikończuk Piotr: Metoda postępowania w procesie projektowania z wykorzystaniem narzędzi do wspomagania projektowania CAD/CAM/CAE studium przypadku, Logistyka NR3/2014 str