автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Метод совершенствования конструкции корпуса кузова легкового автомобиля на стадии проектирования для обеспечения требований пассивной безопасности при косо-фронтальном ударе

А

На правах рукописи УДК 629.113

005016015

Зузов Игорь Валерьевич

МЕТОД СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ КОРПУСА КУЗОВА ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ КОСО-ФРОНТАЛЬНОМ УДАРЕ

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Зузов В.Н.

Москва 2012

: 3 МДГі 2012

005016015

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана.

Научный руководитель:

- доктор технических наук, профессор Зузов В.Н.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор

Балабин И.Б.

- кандидат технических наук, доцент, проректор по научной работе Падалкин Б.В.

Ведущая организация:

Государственный научный центр по автомобилестроению РФ (ФГУП НАМИ)

Защита диссертации состоится 21 мая 2012 г. в 1430 на заседании диссертационного совета Д.212.141.07 в Московском государственном . техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу: 105005 Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5.

Ваши отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан " "_2012 г.

Ученый секретарь Сарач Е.Б.

диссертационного совета доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность; в настоящее время проблема пассивной безопасности автомобиля - одна из наиболее сложных и трудоёмких задач, которую приходится решать при проектировании новых транспортных средств. Поскольку пассивная безопасность в первую очередь определяется ударно-прочностными свойствами несущей системы, в частности, кузова автомобиля, то это должно учитываться уже на самых ранних стадиях проектирования, когда невозможны натурные испытания. В мире внедряются все более жесткие правила, по которым оценивается степень защиты водителя и пассажиров автомобиля, в связи с чем, возникает необходимость в теоретической оценке пассивной безопасности кузовов на стадии проектирования, позволяющей сократить время и стоимость разработки, сократить до минимума количество испытательных образцов. Таким образом, тема данной научной работы, посвященной разработке метода совершенствования конструкции корпуса кузова на стадии проектирования для обеспечения требований пассивной безопасности при косо-фронтальном ударе, является актуальной.

Научная новизна результатов выполненных исследований, выносимых на защиту, заключается:

• в разработке методов совершенствования конструкции корпуса кузова на стадии проектирования с целью удовлетворения требований пассивной безопасности, включающих в себя:

-моделирование и исследование влияния инициаторов деформаций и пе-ноалюминия применительно к лонжеронам;

-разработку рациональных конечно-элементных моделей (КЭМ) корпуса кузова (с учетом инициаторов деформаций и пеноалюминия), манекена, деформируемого препятствия, рулевой колонки и подушки безопасности разного уровня сложности для общей оценки поведения элементов конструкции и взаимодействия между ее компонентами;

-разработку метода целенаправленного изменения жесткости и прочности элементов кузова для достижения необходимой энергоемкости корпуса кузова (в т.ч. путем введения или удаления инициаторов деформаций, пеноалюминия, изменения геометрии и др.).

• в полученных научных результатах и выводах.

Цель работы: совершенствование конструкций корпусов кузовов легковых автомобилей на стадии проектирования и доводки, для обеспечения требований отечественных и международных стандартов пассивной безопасности при косо-фронтальном ударе с использованием математического моделирования.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

• проведен анализ типовых конструкций кузовов легковых автомобилей с целью выявления конструктивных особенностей, влияющих на энергоемкость и поведение конструкции во время удара;

• осуществлена оценка энергоемкости и поведения конструкции на примере тонкостенных труб (конструктивный аналог лонжеронов) с различными инициаторами деформаций при наличии и отсутствии пенного наполнителя;

• разработаны КЭМ кузова автомобиля для анализа влияния особенностей конструкции на ее поведение при ударе. Оценены границы применимости каждой из разработанных моделей;

• проведены многовариантные расчеты на базе КЭМ кузова автомобиля с различными особенностями конструкции (инициаторы, выштамповки, наличие пенного наполнителя и т.д.) с целью оценки влияния каждого фактора, включая конфигурацию и густоту сетки КЭ, на характер деформаций и энергоемкость;

• разработан метод совершенствования конструкции корпуса кузова при расчете на косо-фронтальный удар;

• проведены расчеты применительно к кузову легкового автомобиля с целью иллюстрации основных положений метода, разработки рекомендаций по совершенствованию конструкции.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

• результаты работы могут быть использованы при проектировании и доводке корпусов кузовов легковых автомобилей, в том числе результаты теоретических исследований и рекомендации по улучшению конструкции позволяют на стадии проектирования или при ее доводке получить необходимую энергоемкость кузова (применительно к кузову выбранного объекта исследований энергоемкость была повышена на 35%) и добиться желаемого характера деформаций;

• теоретические и методологические разработки и полученные результаты используются в НИР и в учебном процессе НУК СМ МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Достоверность работы подтверждалась известными теоретическими решениями, экспериментальными исследованиями, а также сравнениями теоретических результатов с экспериментальными данными.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы заслушивались и обсуждались на:

- Всероссийской научно- технической конференции, посвященной 70-летию факультета «Специальное машиностроение» МГТУ им. Н.Э.Баумана 21-22 мая 2008г;

- научно-технических семинарах кафедры СМ-10 - «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2009-2012 гг. (г. Москва);

- Четвертой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», октябрь 2011 г.

Реализация работы. Материалы диссертационной работы используются при обучении студентов кафедры «Колесные машины» НУК СМ МГТУ имени Н.Э. Баумана.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано четыре работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы. Работа содержит 140 страниц печатного текста, 7 таблиц, 66 рисунков. Список литературы содержит 106 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы диссертации и общую характеристику работы.

В первой главе приведен обзор литературы по проблеме пассивной безопасности и методам ее оценки.

С целью выявления особенностей конструкции, основных видов инициаторов деформаций для их дальнейшего учета и использования проанализированы конструкции разных типов кузовов.

Проблеме пассивной безопасности, начиная со второй половины прошлого века, было посвящено большое количество экспериментальных и теоретических работ. Из отечественных авторов можно выделить работы Ряб-чинского А.И., Фролова В.В., Дмитриченко С.С., Иванова В.Н. и Лялина В.А., Орлова JI.H. и ряда других авторов. Из зарубежных авторов большой вклад в исследования пассивной безопасности внесли Вуд, Т. Вержбицки и В. Абрамович, Н. Джонс, и др. Следует так же выделить работу авторов P.D. Bois, С.С. Chou, В.В. Fileta и др., в которой изложены основополагающие принципы силовой схемы кузова, факторы влияющие на пассивную безопасность, а так же рассмотрены все типы применяемых манекенов. В работе M.Asadi, P.Tattersall, В. Walker, H.Shirvani описаны основные принципы построения модели деформируемого препятствия, обосновано применение определенных моделей материала в программном комплексе LS-Dyna. Следует отметить научные школы МАДИ, МГТУ им. Н.Э. Баумана, НГТУ, МГТУ «МАМИ» и др., в которых изучаются проблемы пассивной безопасности.

В диссертации представлена статистика по основным видам дорожно-транспортных происшествий, на основе которой можно судить о важности поставленной задачи. Установлено, что ударно-прочностные свойства несущей системы являются важнейшим фактором, влияющим на пассивную безопасность, а косо-фронтальный удар - наиболее травмоопасный и сопровождается большим количеством летальных исходов.

жущегося вертикально вниз, скорость которого в момент касания с трубкой составляет 17,78 м/с. Скорость удара выбрана в соответствии с правилами Euro NCAP. Масса молота выбрана такой, чтобы происходило неполное смятие трубки для облегчения определения энергоемкости.

ДШ|

«Ї

0 j ар

Д.

Л.

ШЯ

г

і», ■

. в <

ЧшШІ

к л м

Рис.2. Конечно-элементные модели труб с различными инициаторами деформации: а- без инициаторов; б- отверстие диаметром с1=20 мм; в- отверстие сі=40 мм; г- два отверстия (1=20 мм; д- два отверстия с!=20 мм расположены вдоль оси трубки; е- два отверстия с!=20 мм расположены вдоль оси трубки на расстоянии 30 мм друг от друга; ж- два отверстия с1=20 мм расположены перпендикулярно оси трубки на расстоянии 10 мм друг от друга; з-внутренняя выштамповка радиусом г=3,5 мм; и- внутренняя выштамповка г=7 мм; к- внешняя выштамповка г=5 мм; л- двойные выштамповки г=5 мм на расстоянии 20 мм друг от друга; м- тройные внешние выштамповки г=5 мм на расстоянии 20 мм друг от друга

3. Численно оценено влияние каждого инициатора деформаций на энергоемкость тонкостенной трубы. Наименьшая энергоемкость (е= 18126,63 Дж/м) отмечена в трубе со сквозным отверстием d= 40 мм. Выявлено, что использование пенного наполнителя позволяет значительно повысить энергоемкость сминаемых труб (в 1,6 раза) и уменьшить влияние инициаторов деформаций (табл. 1).

Третья глава работы посвящена созданию модели кузова с манекеном, подушкой безопасности и деформируемого препятствия для имитации реального испытания. В качестве объекта исследования был выбран полноприводный автомобиль ВАЗ, поскольку он в первоначальном варианте при испытаниях не удовлетворял требованиям правил Euro NCAP, а также является одним из популярных на отечественном рынке автомобилем. По результатам этих испытаний отмечена сильная травмируемость манекена в области ступней, голеней и грудной клетки.

Разработана рациональная КЭМ корпуса кузова среднего уровня (89 ООО конечных элементов) и его составных частей (стоек, панелей, отверстий и др.) на базе исследований главы 2. Обоснован выбор типа элементов, который будет использоваться при построении базовых КЭМ и отработаны основные подходы для решения быстротекущих нелинейных задач. Для оценки границ применимости была также создана КЭМ высшего уровня (489 ООО конечных элементов) (рис.3), в которой более детально смоделированы инициаторы, выштамповки, ребра и др. Проведен расчет обеих моделей на косо-фронтальный удар в соответствии с требованиями правил ЕЭК ООН №94. Сравнительный анализ результатов расчета выявил, что в целом картины деформированного состояния (форма изгиба переднего левого лонжерона, оконных стоек, порогов и др.) КЭМ среднего и высшего уровня идентичны друг другу. На рис. 4 представлены картины деформированного состояния лонжеронов после косо-фронтального удара, полученные при расчете моделей высшего (слева) и среднего (справа) уровней. Разница в абсолютном перемещении лонжеронов не превышает 4%, но время расчета увеличилось в 3 раза по сравнению с КЭМ среднего уровня.

и оболочечного типа, для выявления лучшего варианта. Суть расчета состоит в том, что трубка диаметром 100 мм, длиной 1 ООО мм и толщиной стенок 26 мм ударялась о препятствие со скоростью 13,8 м/с, и проводилось сравнение перемещений между контрольными точками, расположенными в одинаковых местах обоих моделей. Результаты расчета показаны на рис.6.

а

Рис. 6. Результаты расчета препятствий: а- КЭМ из объемных КЭ; б-КЭМ из оболочечных КЭ

Для оценки адекватности выбранных при моделировании препятствия параметров использовался эксперимент по косо-фронтальному удару тонкостенной балки замкнутого поперечного сечения, прикрепленной к автомобилю снаряженной массой 2000 кг о деформируемое препятствие (рис.7). Скорость, при которой происходил удар, составляла 5,2 м/с. Значение скорости было выбрано таким, чтобы не происходило полного смятия препятствия, тем самым давая возможность наиболее полно оценить жесткость элементов препятствия.

ШШ

Шт

........... > ..

а

б

Рис. 7. а- схема эксперимента; б- результаты расчета

Результаты эксперимента показали, что максимальное абсолютное перемещение элементов препятствия составило 290 мм, в то время как расчетное перемещение не превысило 318 мм (рис.7), что свидетельствует о приемлемой для инженерных расчетов погрешности (8,5%).

Представлена КЭМ и проведен анализ применяемого для испытаний манекена Гибрид III с описанием основных особенностей КЭМ манекена. Обоснован и представлен выбор материалов и типов КЭ для моделирования кресла и ремня безопасности. Применение манекена в расчетах обосновано следующими причинами: во-первых, проводится анализ травмируемости частей тела манекена в соответствии с методикой правил испытаний; во-вторых, по ускорению центра масс головы можно косвенно судить об изменении жесткости и энергоемкости конструкции кузова в процессе ее доработки.

Проведен анализ конструкции рулевой колонки и подушки безопасности и выявлено, что их применение в имитационной модели существенным образом сказывается на объективности и целостности результатов поведения и травмируемости манекена. Обоснованы применяемые материалы и типы КЭ для моделирования подушки безопасности и конструкции рулевой колонки с рулевым колесом.

В заключении сделаны следующие выводы:

1. Обоснованы выбранные варианты моделирования различных конструктивных элементов кузова выбранного автомобиля на основе анализа особенностей его конструкции.

2. В качестве базовых КЭ для КЭМ кузова рекомендуется использовать оболочечные элементы. Использование трехмерных элементов неэффективно, поскольку они обладают невысокой точностью и при их использовании требуется более мелкая сетка, что приводит к многократному увеличению размерности задачи и, соответственно, времени расчета.

3. Для расчетов рекомендуется использовать полную модель кузова, а сокращенную модель (передняя половина до дверной стойки) - для предварительных расчетов.

4. Обоснован характер моделирования, размерность дополнительных составляющих имитационной модели (препятствие, манекен с креслом и ремнем безопасности, рулевая колонка с подушкой безопасности, пенный наполнитель) и тип выбранных материалов.

Четвертая глава диссертации посвящена разработке метода совершенствования конструкции при косо-фронтальном ударе.

На рис. 8 представлена блок-схема, отражающая основную суть разработанного метода. На первом этапе создается уточненная рациональная КЭМ корпуса кузова автомобиля на базе оболочечных КЭ и основных агрегатов, готовится математическое описание параметров конструкции (масса, толщины и др.). Проводится оптимизация сетки КЭ для достижения наиболее качественного описания геометрии.

На следующем этапе осуществляется предварительное решение составленной модели с базовыми параметрами. По результатам расчета оцениваются максимальные перемещения основных элементов конструкции, остаточное жизненное пространство и проводится анализ поведения лонжеронов, стоек, двигателя, агрегатов трансмиссии и др. Выявляются наиболее податливые участки конструкции- инициаторы деформаций. Предлагается оценить расчетное ускорение центра масс головы манекена (один из основных оценочных параметров согласно правилам испытаний), которое также косвенно характеризует общую жесткость кузова.

Третий этап - это внесение изменений в конструкцию кузова автомобиля в случае, если энергоемкость конструкции недостаточна, либо если не удовлетворяются основные требования правил по оценке пассивной безопасности.

Четвертый этап - проведение расчета доработанной модели и оценка результатов. На ее основе делается вывод об общей жесткости и замкнутости силовой схемы кузова, а так же о соответствии всех параметров требованиям правил испытания. В случае достаточной жесткости конструкции и соответствия регламенту, проводится расчет на базе КЭМ высшего уровня, в которой более детально смоделированы особенности конструкции, и делается окончательное заключение.

Результаты теоретических исследований в дальнейшем необходимо подтвердить натурными испытаниями.

Рис. 8. Блок-схема метода

Согласно разработанному методу проведен расчет и оценка поведения основных элементов КЭМ кузова в исходном варианте и выполнена общая проверка на удовлетворение требованиям правил ЕЭК ООН. Была выявлена недостаточная жесткость кузова (отмечена травмируемость манекена), что повлекло за собой необходимость доработки кузова (была повышена жесткость зоны моторного щита, локальных зон лонжеронов, и применен пеноалюминий в лонжеронах).

Анализ результатов расчета доработанного кузова (рис.9) показал, что лонжерон деформируется в осевом направлении с незначительным изгибом (в то время, как в исходном кузове лонжерон изгибался существенно в следствие образования пластического шарнира), и отличается увеличенной энергоемкостью по сравнению с исходной моделью. Максимальное перемещение лонжерона в продольном направлении не превысило 509 мм (табл.1). Характер деформации основных элементов кузова отличается в лучшую сторону от исходной модели за счет перераспределения усилий между основными силовыми элементами. В нижней части кузова и элементах пола закручивание, имевшее место ранее, практически отсутствует ввиду общего увеличения крутильной жесткости конструкции. Перемещения оконных и дверных стоек не превышают 70 мм, что объясняется отсутствием в модели силовых элементов дверей и лобового стекла. График ускорения центра масс головы манекена представлен на рис. 10. Максимальное значение ускорения не превышает 59,7 § в течение 3 мс, что является допустимым значением.

Рис.9. Моделирование удара: а- имитационная модель до удара; б-деформированное состояние после удара

Рис.10. Ускорение центра масс головы манекена модели с пеноалюми-

нием

Основные критерии травмирования манекена несколько увеличились из-за общего увеличения жесткости, но не превысили допустимых значений. Например, критерий травмирования головы составил НРС= 0,162 кН< [НРС]; допустимое значение [НРС]=1 кН.

В данном случае дополнительно проведена оценка по сохранению рекомендуемого «жизненного пространства», поскольку в исходной модели происходил удар ступней манекена о моторный щит. После удара «жизненное пространство» не нарушается, а расстояние от точки Н манекена до моторного щита в продольном направлении составляет 1100 мм при рекомендованных 900 мм.

В таблице 2 представлены данные по изменению расстояния между контрольными точками в кузове и увеличению энергоемкости исходной модели.

Таблица 2.

Результаты расчетов__

Модель Продольное перемещение Д1, мм Энергоемкость, кДж/м. Увеличение энергоемкости

Исходная 780 44,27 -

Доработанная 509 67,85 +35%

На рис. 11 представлены графики изменения продольных расстояний между контрольными точками (одна из которых - крайняя в лонжероне, дру-

гая - крайняя точка на заднем бамперном щите), позволяющие провести сравнительный анализ осевой жесткости и особенностей деформации лонжеронов исходной и доработанной моделей.

І-»И

\

\

ч

, 13-оундкеуу<олівесКЬу1.а.РгеРйгі

Рис. 11. График изменения продольных расстояний между контрольными точками исходной (слева) и доработанной модели (справа)

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основании проведенных теоретических исследований получены следующие результаты и выводы.

1. В работе разработан метод совершенствования конструкции корпуса кузова легкового автомобиля на стадии проектирования при расчете на косо-фронтальный удар в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН №94, который включает в себя следующее:

-принципы создания рациональных КЭМ корпуса кузова оболочечного типа и КЭМ автомобиля в целом;

-определение основных факторов, влияющих на изменение энергоемкости конструкции и поведение при ударе.

2. Проведенные расчеты тонкостенных труб с различными инициаторами позволили оценить снижение энергоемкости для каждого из инициаторов по сравнению с моделью без инициаторов. Выявлено, что использование пенного наполнителя позволяет значительно повысить энергоемкость сминаемых труб (в 1,6 раза) и уменьшить влияние инициаторов деформаций. Предложенные КЭМ труб обеспечивают приемлемую для инженерных расчетов точность (погрешность решения в сравнении с экспериментальными данными не превышает 5,2%);

3. Обоснован характер моделирования корпуса кузова и дополнительных составляющих имитационной модели (препятствие, манекен с креслом и ремнем безопасности, рулевая колонка с подушкой безопасности, пенный

наполнитель) и тип выбранных материалов, на базе которых разработаны соответствующие КЭМ.

4. Проведена комплексная оценка результатов расчетов на базе разработанных КЭМ автомобиля, включающая в себя проверку соответствия требованиям правил ЕЭК ООН и Euro NCAP. В качестве комплексного оценочного параметра для валидации модели было выбрано ускорение головы манекена. Погрешность не превысила 20% по сравнению с экспериментальными данными, что можно считать приемлемым.

5. Применение разработанного метода к кузову исследуемого автомобиля с целью иллюстрации основных положений метода позволило разработать рекомендации по совершенствованию конструкции.

6. Достигнуто повышение энергоемкости корпуса кузова на 35% (с использованием разработанного метода), сохранение в нем жизненного пространства и соответствие требованиям правил ЕЭК ООН.

7. Созданные теоритические и практические разработки используются в учебном процессе и НИР в МГТУ им. Н.Э. Баумана.

МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ

РАБОТАХ:

1. Расчетно-экспериментальное исследование кузовов автобусов на соответствие требованиям пассивной безопасности/ В.Н. Зузов [и др.] //Материалы Всерос. научно- технической конференции, посвященной 70-летию факультета «Специальное машиностроение» МГТУ им. Н.Э.Баумана, г. Москва, 21 -22 мая 2008г. -М., 2010. - С. 318 - 327.

2. Зузов И.В. Моделирование продольного смятия передних лонжеронов кузова легкового автомобиля с учетом инициаторов деформаций // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2011. № 1. С. 34-37.

3. Зузов И.В. Моделирование поведения кузова легкового автомобиля при фронтальном ударе с учетом инициаторов деформаций передних лонжеронов. //Электронный сборник трудов конференции «Будущее машиностроения России»- зарегистрировано в Федеральной службе по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций ФГУП НТЦ «Ин-формрегистр» № 0321102532.

4. Зузов И.В., Зузов В.Н. Моделирование продольного смятия передних лонжеронов кузова легкового автомобиля с учетом наполнителей и инициаторов деформаций// Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2012. №2. С. 42-45.

Подписано в печать 04.2012 г.

Заказ 2-/0 объем 1.0 п.л. Тираж 100 экз.

Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана

61 12-5/2422

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Н.Э.БАУМАНА

На правах рукописи УДК 629.113

Зузов Игорь Валерьевич

МЕТОД СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ КОРПУСА КУЗОВА ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ

КОСО-ФРОНТАЛЬНОМ УДАРЕ

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., проф. Зузов В.Н.

МОСКВА-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение............................................................................................................4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО ТЕМЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.....................................................................................7

1.1. Общие проблемы исследования пассивной безопасности....................................7

1.2. Анализ конструкций кузовов легковых автомобилей......................................12

1.3. Анализ методов расчета конструкций........................................................20

1.4. Выводы по главе....................................................................................................25

Глава 2. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ, СВЯЗАННЫХ С МОДЕЛИРОВАНИЕМ

ПОВЕДЕНИЯ КОНСТРУКЦИИ ПРИ УДАРЕ............................................................................27

2.1. Основы теории метода конечных элементов.....................................................27

2.2. Теория нелинейных задач..................................................................30

2.2.1. Теория больших деформаций.............................................................................31

2.2.2. Критерий текучести.................................................................36

2.2.3. Метод Ньютона-Рафсона...........................................................................40

2.2.4. Приращение пластических деформаций........................................................................41

2.2.5. Быстротекущие процессы........................................................................................................46

2.2.6. Основные типы конечных элементов..............................................................................50

2.3. Анализ основных типов инициаторов деформаций и характера их влияния на энергоемкость и поведение конструкции..............................................................51

2.4 Экспериментальная оценка несущей способности тонкостенной трубы

с пенным наполнителем.....................................................................................................................62

2.5. Основные результаты и выводы по главе..................................................70

Стр.

Глава 3. РАЗРАБОТКА КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫХ МОДЕЛЕЙ КОРПУСА КУЗОВА, МАНЕКЕНА, ДЕФОРМИРУЕМОГО ПРЕПЯТСТВИЯ, РУЛЕВОЙ КОЛОНКИ С ПОДУШКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ............................... 71

3.1. Принципы разработки конечно-элементных моделей корпуса кузова... 72

3.2. Моделирование деформируемого препятствия................................ 83

3.3. Моделирование манекена Гибрид III............................................. 94

3.4. Моделирование рулевой колонки и подушки безопасности................ 97

3.5. Основные результаты и выводы по главе....................................... 100

Глава 4. МЕТОД СОВЕШЕНСТВОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ КОРПУСОВ КУЗОВОВ ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ ПРИ РАСЧЕТЕ НА КОСО-ФРОНТАЛЬНЫЙ УДАР................................................................... 101

4.1. Основные положения метода...................................................... 101

4.2. Анализ результатов расчета исходной модели и оценка соответствия требованиям Правил ЕЭК ООН №94.................................................... 108

4.3. Исследование особенностей поведения конструкции корпуса кузова и агрегатов для введения необходимых конструктивных изменений............... 116

4.4. Исследование инициаторов деформаций и характерных особенностей геометрии кузова, приводящих к снижению энергоемкости....................... 118

4.5. Проведение расчетов и анализ результатов в соответствии с правилами EURO NC АР............................................................................... 119

4.6. Внесение изменений в конструкцию на базе разработанного метода... 122

4.7. Результаты и выводы по главе.................................................... 127

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ........................... 129

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................ 131

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время проблема пассивной безопасности автомобиля - одна из наиболее сложных и трудоёмких задач, которую приходится решать при проектировании новых транспортных средств. Поскольку пассивная безопасность в первую очередь определяется ударно-прочностными свойствами несущей системы, в частности, кузова автомобиля, то это должно учитываться уже на самых ранних стадиях проектирования, когда невозможны натурные испытания. В мире внедряются все более жесткие правила, по которым оценивается степень защиты водителя и пассажиров автомобиля. В связи с этим возникает необходимость в теоретической оценке пассивной безопасности кузовов на стадии проектирования, позволяющая сократить время и стоимость разработки, сократить до минимума количество испытательных образцов. Таким образом, тема данной научной работы, посвященной разработке метода совершенствования конструкции корпуса кузова на стадии проектирования для обеспечения требований пассивной безопасности при косо-фронтальном ударе, является актуальной.

Научная новизна результатов выполненных исследований, выносимых на защиту, заключается:

• в разработке методов совершенствования конструкции корпуса кузова на стадии проектирования с целью удовлетворения требований пассивной безопасности, включающих в себя:

-моделирование и исследование влияния инициаторов деформаций и пе-ноалюминия применительно к лонжеронам;

-разработку рациональных конечно-элементных моделей (КЭМ) корпуса кузова (с учетом инициаторов деформаций и пеноалюминия), манекена, деформируемого препятствия, рулевой колонки и подушки безопасности разного уровня сложности для общей оценки поведения элементов конструкции и взаимодействия между ее компонентами;

-разработку метода целенаправленного изменения жесткости и прочности элементов кузова для достижения необходимой энергоемкости корпуса кузова (в т.ч. путем введения или удаления инициаторов деформаций, пеноалюминия, изменения геометрии и др.);

• в полученных научных результатах и выводах.

Цель работы; совершенствование корпусов кузовов легковых автомобилей на стадии проектирования и доводки для обеспечения требований отечественных и международных стандартов пассивной безопасности при косо-фронтальном ударе с использованием математического моделирования.

Для достижения цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

• проведен анализ типовых конструкций кузовов легковых автомобилей с целью выявления конструктивных особенностей, влияющих на энергоемкость и поведение конструкции во время удара;

• осуществлена оценка энергоемкости и поведения конструкции на примере тонкостенных труб (конструктивный аналог лонжеронов) с различными инициаторами деформаций при наличии и отсутствии пенного наполнителя;

• разработаны КЭМ кузова автомобиля для анализа влияния особенностей конструкции на ее поведение при ударе. Оценены границы применимости каждой из разработанных моделей;

• проведены многовариантные расчеты на базе КЭМ кузова автомобиля с различными особенностями конструкции (инициаторы, выштамповки, наличие пенного наполнителя и т.д.) с целью оценки влияния каждого фактора, включая конфигурацию и густоту сетки КЭ, на характер деформаций и энергоемкость;

• разработан метод совершенствования конструкции корпуса кузова при расчете на косо-фронтальный удар;

• проведены расчеты применительно к кузову легкового автомобиля с целью иллюстрации основных положений метода, разработки рекомендаций по совершенствованию конструкции.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

• результаты работы могут быть использованы при проектировании и доводке корпусов кузовов легковых автомобилей. В том числе результаты теоретических исследований и рекомендации по улучшению конструкции позволяют на стадии проектирования или при ее доводке получить необходимую энергоемкость кузова (применительно к кузову выбранного объекта исследований энергоемкость была повышена на 35%) и добиться желаемого характера деформаций;

• теоретические и методологические разработки и полученные результаты используются в НИР и в учебном процессе НУК СМ МГТУ им. Н.Э.Баумана.

Достоверность работы подтверждалась известными теоретическими решениями, экспериментальными исследованиями, а также сравнениями теоретических результатов с экспериментальными данными.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы заслушивались и обсуждались на:

- Всероссийской научно- технической конференции, посвященной 70-летию факультета «Специальное машиностроение» МГТУ им. Н.Э.Баумана 21-22 мая 2008г;

- научно-технических семинарах кафедры СМ-10 - «Колесные машины» МГТУ им. Н.Э. Баумана в 2009-2012 гг. (г. Москва);

- Четвертой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России», октябрь 2011 г.

Реализация работы. Материалы диссертационной работы используются при обучении студентов кафедры «Колесные машины» НУК СМ МГТУ имени Н.Э. Баумана.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано четыре работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы. Работа содержит 140 страниц печатного текста, 7 таблиц, 66 рисунков. Список литературы содержит 106 наименований.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА ПО ТЕМЕ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Общие проблемы исследования пассивной безопасности

Безопасность автомобиля принято разделять на две основные категории:

• Активная безопасность - свойство автомобиля предотвращать дорожно-транспортные происшествия (ДТП) или снижать вероятность их возникновения.

• Пассивная безопасность - свойство автомобиля уменьшать тяжесть ДТП, что проявляется в период, когда водитель не в состоянии предотвратить ДТП.

Наиболее достоверная оценка пассивной безопасности транспортного средства данного типа возможна только при статистическом анализе аварийных ситуаций и выявления наиболее характерных случаев.

По данным ГИБДД в России ежегодно происходит 200 тысяч ДТП, в которых погибает 27 тысяч человек и получают ранения 250 тысяч [29].

Таблица 1.

Общее количество ДТП, число погибших и получивших травмы (раненых)

в России (по статистике ГИБДД) Год Кол-во ДТП Погибло Ранено

2006 229 140 (32 724 285 362

2007 233 809 33 308 ......... 292 206 ""

2008 218 322 ........... 29 936 270~883

Таблица 1. Продолжение

Год Кол-во ДТП Погибло Ранено

2009 203 603

26 084 257 034

2010 199 431

26 567 250 635

2011 199868

27 953 251848

Причины ДТП в России за 2011 год по данным ГИБДД:

- из-за нарушения ПДД водителями транспортных средств — 85 % (в том числе находившимися в состоянии опьянения). Из них:

■ 25 % ДТП происходит из-за несоблюдения скоростного режима водителями на дорогах;

■ 15 % ДТП происходит из-за нарушений правил проезда перекрёстка;

■ 10 % ДТП занимает выезд на встречную полосу движения;

■ из-за нарушения ПДД водителями транспортных средств в состоянии опьянения — 6 %;

■ из-за нарушения ПДД пешеходами — 16 %;

■ из-за неудовлетворительного состояния улиц и дорог — 21 %;

■ из-за эксплуатации технически неисправных транспортных средств — 0,6 %.

Сумма долей больше 100 %, так как в некоторых ДТП задействованы более одной причины.

Основные виды ДТП:

■ столкновение;

■ опрокидывание;

■ наезд на стоящее транспортное средство;

■ наезд на препятствие;

■ наезд на пешехода;

■ наезд на велосипедиста;

■ наезд на гужевой транспорт;

■ наезд на животное;

■ падение пассажира;

■ иные виды ДТП (происшествия, не относящиеся к указанным выше видам).

Столкновение - наиболее распространенный вид ДТП. Столкновения бывают лобовые, боковые, касательные, задние. Самыми опасными из них являются лобовые столкновения, которые в основном происходят с транспортными средствами, движущимися во встречных направлениях, когда кто-то из водителей нарушил Правила дорожного движения (например, нарушение правил обгона). Характерной особенностью лобовых столкновений является то, что они очень часто влекут за собой гибель или тяжелые травмы и увечья людей.

Боковые столкновения часто случаются на перекрестках, когда кто-то из водителей не уступил дорогу в положенном месте, либо проехал на запрещающий сигнал светофора, и т.п.

Касательные столкновения, как правило, происходят между транспортными средствами, движущимися в попутном направлении. Наиболее характерный пример — столкновение при перестроении, когда водитель перед выполнением маневра не убедился в отсутствии в непосредственной близости транспортных средств, движущихся по соседней полосе в попутном направлении.

К тяжелым последствиям такие дорожно-транспортные происшествия приводят тогда, когда одним из участников аварии становится крупногабаритное транспортное средство (например, большой автобус «прижал» легковушку или мотоциклиста). В большинстве же случаев дело ограничивается не самым

сильным повреждением транспортных средств. Виновником аварии признается водитель, который выполнял перестроение.

Задние столкновения являются следствием несоблюдения безопасной дистанции водителем транспортного средства, движущегося позади другого автомобиля. Когда водитель переднего автомобиля по каким-то причинам (внезапное появление на проезжей части пешехода или иного препятствия, и т.п.) начинает резко снижать скорость, задний водитель не успевает должным образом на это отреагировать и ударяет сзади. Виновником в совершении подобных столкновений всегда признается водитель заднего транспортного средства (т.е. тот, который ударил сзади).

Характерной особенностью задних столкновений является то, что они могут происходить с участием большого количества автомобилей, особенно при движении на скользкой дороге или в условиях плохой видимости. Также задние столкновения часто случаются при движении в плотном транспортном потоке и в пробках, иногда — при перестроениях.

На рисунке 1.1 приведена классификация ДТП по данным зарубежных исследователей для легковых автомобилей. Видно, что преобладающим видом ДТП является фронтальное столкновение [40].

70 1

60

г«-50

X 5 40 «ю о § 30

ш

О

20 10

!#

■ Фронтальные

■ Боковые

□ Опрокидывание

□ Удар сзади

Тип столкновения

Рис. 1.1. Статистика ДТП для легковых автомобилей

о

1

Кроме того, согласно тем же источникам, данный вид столкновения по статистике являются также наиболее травмоопасным для водителя и пассажиров.

На основании подобных статистических данных в России и за рубежом были разработаны требования, регламентирующие пассивную безопасность транспортных средств. В настоящее время каждый вновь разрабатываемый автомобиль должен соответствовать целому ряду стандартов пассивной безопасности, основными из которых являются правила единой экономической комиссии при Организации Объединенных Наций (ЕЭК ООН). На базе этих документов также разработаны отечественные стандарты, действующие на территории России.

На пассивную безопасность автомобиля влияет множество конструктивных и технологических факторов, на основе которых можно сформировать систему обеспечения и управления пассивной безопасностью. При наличии достоверной статистической информации о пассивной безопасности автомобиля на стадии эксплуатации возможности управления системой обеспечения пассивной безопасности на этой стадии ограничены и связаны в основном с регламентацией скорости движения. Гораздо более широкие возможности имеются на стадии проектирования отдельных элементов этой системы, когда возможна доводка и оптимизация ее конструктивных параметров.

Критерии оптимизации формулируются на основе проведенных исследований механизмов травмирования и биомеханики движения человека во время ДТП. Принято использовать четыре основных показателя пассивной безопасности:

• Деформации конструкции.

• Перегрузки.

• Вероятность выбрасывания человека.

• Возгораемость.

Таким образом, ударно-прочностные свойства окружающей конструкции являются основным фактором, определяющим уровень пассивной безопасности

автомобиля, и оцениваются по деформациям, которые при определенных условиях столкновения не должны превышать заданные величины, сохраняя внутри кабины жизненное пространство для водителя и каждого из пассажиров, а также по перегрузкам, действующим на человека в процессе столкновения.

Размеры жизненного пространства, при котором обеспечивается сохранение жизнедеятельности закрепленного на сидении человека (без получения во время столкновения локальных травм при ударе об элементы салона) регламентируются стандартами. В качестве примера на рисунке 1.2. представлена зона рекомендуемого жизненного пространства согласно нормам, принятым в Европе и США.

Рис. 1.2. Вид рекомендуемой зоны жизненного пространства согласно нормам, принятым в Европе (сплошной контур) и США (пунктирный контур)

Отправной точкой для оценки пассивной безопасности на стадии проектирования является конструкция автомобиля. Поэтому конструкцию необходимо проанализировать с целью выявления важных особенностей, подлежащих р