Проекты

Конечно-элементное моделирование краш-теста прицепа

Инженерами АО «ЦИФРА» выполнена серия вычислительных краш-тестов автомобильного рамного прицепа, в результате чего определены характеристики энергопоглощения прицепа, а также его деформированное состояние при наезде на него движущегося транспорта при различных скоростях.

Помимо своего основного предназначения – перевозки различных грузов в составе с транспортным средством (ТС), прицепы применяются и в других целях. В частности, легковые прицепы часто используются дорожно-ремонтными службами как временное ограждение на оживленных участках дорог, на котором проводятся ремонтные или эксплуатационные работы (см. рис. 1).

Рисунок 1  Прицеп прикрытия при проведении дорожно-ремонтных работ 

Для оценки эффективности применения таких прицепов в качестве временных заграждений с точки зрения безопасности как работников дорожно-ремонтных служб, так и участников дорожного движения, необходимо выполнять анализ возможных аварийных ситуаций при столкновении прицепа и движущегося транспорта. Поскольку натурные краш-тесты, как правило, дорогостоящи и требуют значительного времени, на сегодняшний день подобные задачи решаются при помощи конечно-элементного моделирования. Инженерами АО «ЦИФРА» решена серия модельных задач наезда транспортного средства на прицеп, выполнен анализ поглощения кинетической энергии при ударе и развития пластических деформаций в элементах прицепа. Расчеты выполнены в наиболее консервативной постановке, при которой вся кинетическая энергия движущегося ТС преобразуется в энергию деформации прицепа, а само ТС является недеформируемым.

Моделирование краш-тестов обычно сопряжено с высокими скоростями, большими перемещениями и поворотами, развитой физической нелинейностью и сложным контактным взаимодействием. На сегодняшний день наиболее передовым и популярным инструментом для решения высоконелинейных динамических задач является код Ansys/LS-DYNA, реализующий метод конечных элементов. Решение выполняется методом прямого интегрирования уравнений движения по явной центрально-разностной схеме.

Постановка задачи

Геометрия

Рассматривается одноосный легковой прицеп рамной конструкции, в передней части которого расположено сцепное устройство, а в задней – бампер (см. рис. 2).

Рисунок 2 – Геометрическая модель несущего остова прицепа

Основные несущие элементы выполнены из квадратной трубы 150х150 мм с толщиной стенки 4-5 мм и соединяются между собой при помощи сварки и болтов. Все элементы конструкции прицепа выполнены из высокопрочной стали с пределом текучести 600 МПа.

Конечно-элементная модель

Движущееся транспортное средство, которое совершает наезд на прицеп, представлено как идеальная недеформируемая плоская стена массой 1.67 т, движущаяся по нормали к прицепу со стороны бампера. Рассматривается три удара с различной начальной скоростью: 10 м/с (36 км/ч), 20 м/с (72 км/ч) и 30 м/с (108 км/ч). Транспортное средство, стоящее перед прицепом, моделируется как неподвижное абсолютно твердое тело (*RIGIDWALL_PLANAR). Сцепление с ним моделируется как граничное условие запрета всех трансляционных степеней свободы. Контактное взаимодействие между абсолютно твердыми телами (АТТ) и прицепом, а также контакт отдельных элементов прицепа между собой при больших деформациях обеспечивается благодаря автоматическому контактному алгоритму *CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE (см. рис. 3).

Рисунок 3 – Постановка задачи фронтального краш-теста прицепа

Для подготовки конечно-элементной сетки был использован автоматический сеточный генератор Ansys Meshing. Все элементы прицепа аппроксимируются полноинтегрируемыми оболочечными конечными элементами (*SECTION_SHELL ELFORM=16). Из модели исключены некоторые конструктивные элементы, несущественные с точки зрения расчета. Сварные соединения моделируются «склеенным» контактом (*CONTACT_TIED_SURFACE_TO_SURFACE) либо объединением конечно-элементных сеток, болтовые – заменой болтов на абсолютно твердые тела-связи (*CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY) и заданием контактного взаимодействия.

Краш-тесты характеризуются высокими скоростями деформаций и значительными пластическими деформациями, поэтому для описания физических соотношений была выбрана модель Купера-Саймондса (*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY). Данная модель основана на критерии текучести Мизеса и учитывает влияние скорости деформаций в материале на его прочностные характеристики.

Результаты

Поскольку предназначение прицепа – ограждение зоны проведения дорожно-ремонтных работ и обеспечение безопасности работников, то его эффективность определяется способностью поглотить кинетическую энергию движущегося ТС, деформируясь.

Согласно одному из фундаментальных законов физики, полная энергия в замкнутой системе должна оставаться постоянной. Однако, численное решение задачи вносит некоторую ошибку в энергетический баланс системы в виде паразитной энергии (hourglass energy), накапливающейся из-за нефизичного деформирования конечно-элементной сетки. Поэтому в ходе решения задачи важно следить, чтобы величина паразитной энергии была несопоставимо меньше энергии деформации в системе и не могла повлиять на результаты расчета.

В результате моделирования краш-теста в данной постановке установлено, что прицеп во всех случаях оказывается способен поглотить всю кинетическую энергию ТС, с которым он сталкивается. При этом различная скорость удара оказывает влияние на характер деформирования и скорость поглощения кинетической энергии. Рассмотрим каждый расчетный случай подробнее.

Удар на скорости 10 м/с (36 км/ч)

В случае столкновения на скорости 10 м/с рама прицепа деформируется практически полностью упруго, за исключением локальных зон развития пластических деформаций. К 0.037 с расчета движущееся ТС останавливается, а его кинетическая энергия полностью преобразуется в энергию деформации конструкции прицепа. Энергия упругой деформации создает пружинящее действие, за счет которого движущееся ТС отскакивает назад. 

Удар на скорости 20 м/с (72 км/ч)

При столкновении на скорости 20 м/с возникают значительные неупругие деформации в области сцепления со стоящим впереди ТС, а также в болтовых и сварных соединениях бампера. Кинетическая энергия движущегося ТС полностью поглощается конструкцией прицепа к 0.045 с расчета. Из-за необратимых деформаций упругого отскока не происходит.

Удар на скорости 30 м/с (108 км/ч)

При столкновении на скорости 30 м/с пластические деформации развиваются также в средней части продольных элементов рамы прицепа, за счет чего прицеп начинает «складываться». Движущееся ТС полностью останавливается к 0.1 с процесса, преобразуя кинетическую энергию в энергию деформации элементов прицепа. Из-за развитых пластических деформаций упругого отскока, как и в предыдущем случае, не происходит.

Заключение

Столкновение транспортных средств – высокоскоростной динамический процесс, который протекает за считанные доли секунды и характеризуется значительными неупругими деформациями и повреждениями. Математическое моделирование краш-тестов на сегодняшний день обладает высокой предсказательной силой, а также гораздо дешевле физических экспериментов, что в совокупности делает его ключевым инструментом при анализе эффективности проектных решений.

В статье рассмотрена модельная задача наезда движущегося ТС на легковой прицеп, использующийся для временного ограждения при проведении дорожно-ремонтных работ. Различные начальные скорости движущегося ТС оказывают значительное влияние на характер деформирования прицепа; тем не менее, в диапазоне скоростей атаки 10–30 м/с (36–108 км/ч) конструкция прицепа оказывается способна полностью поглотить кинетическую энергию движущегося ТС.

Связанные новости
АО «ЦИФРА» приняла участие в треке «Математическое моделирование» в рамках образовательного форума "Phygital universe", который проходил в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого. 27 апреля руководитель инженерной группы АО «ЦИФРА» Юрий Лавров, а также инженеры Рубцов Иван и Васильева Дарья выступили в Высшей школе теоретической механики с презентацией проектов из инженерной практики. 29 апреля Юрий и Дарья оценивали навыки математического моделирования и инженерного мышления участников форума при решении практического кейса от АО «ЦИФРА». По результатам защиты кейсов выбрано 5 победителей, которые получат дополнительные 10 баллов при поступлении в магистратуру в СПбПУ.
В марте 2022 года эксперт по судостроению АО «ЦИФРА» Алексей Петров принял участие в натурных испытаниях буксировки судна во льдах по Северному морскому пути. Буксировка выполнялась универсальным атомным ледоколом «Сибирь» проекта 22220, введенным в эксплуатацию в декабре 2021 года.
Связанные публикации в блоге
Бронеодеждой или БО согласно ГОСТ 34286-2017 называют средства индивидуальной броневой защиты, выполненные в виде пальто, накидок, плащей, костюмов, курток, брюк, комбинезонов, жилетов и т.п., предназначенные для периодического ношения с целью защиты туловища и (или) конечностей человека (за исключением стоп ног и кистей рук) от воздействия холодного оружия и огнестрельного стрелкового оружия, а также поражения осколками (далее - средства поражения). БО применяется тогда, когда может потребоваться защита жизни и здоровья человека. Она классифицируется и для нее проводятся испытания согласно назначенным классам.
Основной эксплуатационной характеристикой судна, определяющей возможности работы судна в ледовых условиях, является его ледовый класс. В прошлом каждое классификационное общество имело свою уникальную систему классификации судов ледового плавания, и, как следствие – свои нормативные требования к таким судам, однако в начале 2000-х годов Международной ассоциацией классификационных обществ (МАКО) была проведена работа по унификации этих требований, результатом которой стало введение двух систем классификации судов ледового плавания: системы балтийских ледовых классов (для плавания в Балтийском море и схожих по ледовым условиям морях) и системы полярных классов (для плавания в полярных водах), при этом требования каждого классификационного общества-члена МАКО остались в силе. Со вступлением в силу в 2017 году Международного кодекса для судов, эксплуатирующихся в полярных водах (Полярного кодекса) особенно актуальным стал вопрос присвоения судну полярного класса. Несмотря на то, что МАКО была определена приблизительная эквивалентность ледовых классов различных систем классификации (см. рис. 1), на практике для получения полярного класса необходимо подтверждение соответствия судна требованиям IACS UR I – requirements concerning Polar Class. Эти требования разделяются на корпус и механические установки. Рассмотрим пример выполнения анализа соответствия механических установок судна полярному классу.
Связанные вебинары
В рамках Договора о научно-техническом сотрудничестве между АО «ЦНИИМФ» и АО «ЦИФРА» на данном вебинаре заведующий отделом конструктивной надежности и защиты судов от коррозии АО «ЦНИИМФ» Алексей Петров расскажет об имеющемся опыте и перспективах использования компьютерного моделирования для решения различных задач, связанных с ремонтом или модернизацией судов в эксплуатации.
АО "ЦИФРА" объявляет о проведении серии лекций-вебинаров от ведущих приглашенных экспертов в области численного моделирования. В ходе первого вебинара данной серии будут рассмотрены вопросы прочностного анализа «легких» (lightweight) композитных конструкций при динамическом нагружении с использованием явных решателей (сеточного и бессеточного) ПО LS-DYNA.

Закажите расчет

Команде профессионалов
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.