ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДЕФОРМИРОВАНИЯ КУЗОВА ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ ПРИ БОКОВОМ СТОЛКНОВЕНИИ

INVESTIGATION OF THE DEFORMATION PROCESS FOR CAR BODY IN CASE OF SIDE IMPACT CRASH

Norik Bazikyan

doctor of technical Sciences, Prof., Dean of Agriculture mechanization and automobile transportation faculty, Armenian national agrarian university,

Armenia, Yerevan

Vardan Musayelyan

phd student, Chair of Above ground transportation means, National polytechnic university of Armenia,

Armenia, Yerevan

АННОТАЦИЯ

Целью работы является разработка расчетной модели кузова легкового автомобиля, что дает возможность исследовать процесс его деформирования при боковом столкновении. С помощью полученной модели рассмотрен процесс столкновения при двух разных случаях. В первом случае кузов состоит из одного материла, для второго случая кузов гибридный, состоит из трех разных сталей. Получены деформированные виды рассмотренных конструкций, распределение эквивалентных напряжений, деформаций и компонентов энергии в процессе бокового столкновения. Выявлены наиболее опасные места, что дает возможность улучшить структуру рассмотренного кузова легкового автомобиля.

ABSTRACT

The goal of this work is to develop a calculation model for car body which allows us to investigate its deformation process in case of side impact crash. With the help of the received model the collision process is considered in two different cases. In the first case the car body is made of one material and in the second case the car body is hybrid and made of three different types of steel. Deformated overviews for considered constructions, distribution of equivalent stresses, strains and energy components are recieved in case of side impact crash. Weaker points are detected, which make it possible to improve the structure of the considered car body.

Ключевые слова: кузов автомобиля, метод конечных элементов, расчетная модель, боковое столкновение.

Keywords: car body, finite element method, calculation model, side impact crash.

Введение. Кузов легкового автомобиля является основой, на которой размещаются все остальные узлы и агрегаты, поэтому он должен быть прочным, жестким и энергоемким при ударных нагрузках. В современных легковых автомобилях уровень пассивной безопасности постепенно повышается с улучшением противоударной устойчивости кузова и понижением деформации салона при столкновении. Актуальность проблемы повышения пассивной безопасности легковых автомобилей требует применение современных методов оценки конструкций [1, с. 19–20].

Боковые столкновения имеют высокую степень смертности из-за малого расстояния между наружной поверхности кузова автомобиля и его пассажирами. В большинстве случаев после деформации остается очень малое свободное пространство.

Автомобиль должен соответствовать ряд стандартов пассивной безопасности, основными из которых являются правила ЕЭК ООН, а также правила Euro NCAP [5, с. 18-–19].

Постановка задачи. Целью данной работы является: разработка расчетной модели кузова легкового автомобиля с применением метода конечных элементов, что дает возможность исследовать процесс его деформирования при боковом столкновении, выявить распределение компонентов энергии; определение распределения напряжений и деформаций, силы реакции препятствия; выявление слабых мест конструкции кузова.

Методы исследования. Для разработки расчетной модели процесса бокового столкновения легкового автомобиля применена программный комплекс ANSYS/LS-DYNA, основанный на методе конечных элементов [6, с. 7.1–11.1]. Проблема ударной динамики – сильно нелинейная, с большими деформациями. В процессе столкновения появляются высокие напряжения, кратковременные ускорения в разных точках конструкции. Конструкция кузова испытывает контакт с различными препятствиями. В разных местах конструкции кузова замечается потери устойчивости, складывание, появление больших пластических деформации и др.

В данной работе рассматривается кузов легкового автомобиля Volkswagen Polo 2010 модели. Конструкция имеет сложную структуру, состоящая из разных марок стальных листов с различными толщинами [4, с. 79]. В разработанной расчетной модели вышеуказанные геометрические величины (размеры поперечного сечения, толщины составляющих частей) и параметры составных материалов могут меняться. В современных легковых автомобилях в основном используют гибридные конструкции, где применяются различные материалы.

С целью сравнения результатов рассмотрена задача бокового столкновения кузова легкового автомобиля с твердым неподвижным (единичным) препятствием в виде цилиндра для двух случаев: а) кузов состоит из одной марки листовой стали, б) кузов состоит из трех разных марок стали. Все геометрические размеры для двух конструкций одинаковые. Начальная скорость сталкивающегося кузова автомобиля с препятствием для вышеуказанных обоих случаев составляет 32 км/ч [5, 18–19].

Структурные элементы кузова смоделированы с помощью конечного элемента оболочечного типа „hell163“, позволяющего учитывать большие деформации [1, с. 2].

На рис. 1. показаны схемы конструкций кузова автомобиля и жесткой неподвижной столбы, разработанной с помощью программного пакета ANSYS/LS-DYNA 12.1.

   а)                     б)

Рисунок 1. Схема кузова легкового автомобиля и жесткой столбы: а) кузов изготовлен из одной марки стали; б) кузов изготовлен из разных марок сталей

Схема кузова показанной на рис. 1а. состоит из одного материала. На рис. 1б. показана схема кузова легкового автомобиля Volkswagen Polo 2010 изготовленная из трех различных марок сталей, пределы текучести которых приведены: а) кузов (рис. 1а) изготовлен из стали с одинаковым пределом текучести (σ_T=230 МПа), б) кузов (рис. 1б) изготовлен из стали с различными пределами текучести: зеленый – σ_T=230 МПа, фиолетовый – σ_T=1000 МПа, красный – σ_T=600 МПа.

При деформировании кузова, с целью предотвращения проникновения его составных частей друг в друга, в предложенной расчетной модели используются конечные элементы типа “Conta” и “Targe”, которые дают возможность применения изменяющихся граничных условий в точках возможного примыкания на поверхностях [2, с. 4–5].

Рисунок 2. Расчетная модель бокового столкновения

На рис. 2. показана расчетная модель процесса бокового столкновения. На схемах кузова автомобиля конструктивные элементы представлены с помощью плоскостей. При этом учтены их размеры, толщины, сварные и крепежные соединения. При разработке расчетной модели, с целью обеспечения универсальности разработанной модели все основные размеры структурных элементов представлены в параметрической форме. С помощью итерации, на основе диаграммы деформирования материала учитываются ее нелинейность (“Bilinear Kinematic” – модель, учитывает пластические деформации).

На рис. 3 показаны смещение и деформированный вид кузова автомобиля (из одной марки стали со s_Т=230 МПа) после 0.0392 секунд. При этом, наибольшее перемещение кузова в поперечном направлении 214.204 мм.

Рисунок 3. Деформированный вид кузова после 0.0392 сек

а)                         б)

Рисунок 4. Распределение эквивалентных s_экв напряжений по Мизесу после 0.0392 сек: (МПа)

На рис. 4. показано распределение эквивалентных s_экв напряжений по Мизесу после 0.0392 сек (кузов из одной марки стали со s_Т=230 МПа) а на рис. 5. показано распределение эквивалентных e_пласт пластических деформаций, максимальная величина которых равна: e_пласт = 0.47744.

а)                б)

Рисунок 5. Распределение эквивалентных e_пласт пластических деформации по Мизесу после 0.0392 сек

На рис. 6 показано распределение компонентов энергии.

Рисунок 6. Распределение компонентов энергии: (Нмм). 1 – “Hourglass” энергия, 2 – кинетическая энергия деформации кузова, 3 – суммарная энергия деформации кузова, 4 – начальная кинетическая энергия кузова при столкновении, после 0.03592 сек

На рис. 7 и рис. 8 соответственно показаны распределения компонентов скоростей и реакции препятствия.

Рисунок 7. Зависимости компонентов скорости от времени столкновения: (мм/с), 1 – V_x, 2 – V_y, 3 – V_z

Рисунок 8. Зависимости компонентов реакции препятствия от времени столкновения: (Н), 1 – F_x, 2 – F_y, 3 – F_z

На рис. 9 показаны смещение и деформированный вид автомобиля кузова (из трех марок стали) после 0.025 секунд. При этом наибольшее перемещение кузова в поперечном направлении составляет 154.303 мм.

Рисунок 9. Деформированный вид кузова после 0.025 сек

На рис. 10. показано распределение эквивалентных s_экв напряжений по Мизесу после 0.025 сек (кузов из трех марок стали) а на рис. 11. показано распределение эквивалентных пластических деформации, максимальное значение которых составляет e_пласт = 0.513.

а)                         б)

Рисунок 10. Распределение эквивалентных s_экв напряжений по Мизесу после 0.025 сек: (МПа)

а)                    б)

Рисунок 11. Распределение эквивалентных e_пласт пластических деформаций по Мизесу

На рис. 12 показано распределение компонентов энергии (кузов из трех марок стали).

Рисунок 12. Распределение компонентов энергии: (Нмм). 1 – “Hourglass” энергия, 2 – кинетическая энергия деформации кузова, 3 – суммарная энергия деформации кузова, 4 – начальная кинетическая энергия кузова при столкновении, после 0.025 сек

Рисунок 13. Зависимости компонентов скорости от времени столкновения: (мм/с), 1 – V_x, 2 – V_y, 3 – V_z

Рисунок 14. Зависимости компонентов реакции препятствия от времени столкновения: (Н), 1 – F_x, 2 – F_y, 3 – F_z

На рис.13 и рис. 14 соответственно показаны распределения компонентов скоростей и компонентов реакции препятствия.

Результаты исследования. Исследован процесс бокового столкновения кузова автомобиля с жестким неподвижным (единичным) цилиндрическим препятствием, с заданной начальной скоростью 32 км/ч.

Выводы

1. Разработанная расчетная модель кузова легкового автомобиля дает возможность исследовать процесс бокового столкновения, определить деформированный вид кузова, выявить максимально искаженные участки, слабые места конструкции.
2. Определить величины реакции препятствия, компонентов скоростей и ускорений всех точек кузова в процессе боковом столкновении.

Список литературы:

1. Базикян Н.А., Мусаелян В.Г. Методика расчета процесса деформирования лонжерона основания кузова автомобиля при боковом столкновении // Вестник НПУА. Механика, Машиноведение, Машиностроение. 2015. № 2. – С.101–107.
2. Мусаелян Г.В. Исследование особенностей взаимодействия рамы и надрамника автомобиля-самосвала / Г.В. Мусаелян, Л.О. Закарян // Известия НАН и ГИУА. Серия технических наук. – Ереван, 2009. – Том 62. – № 1. – С. 3–7.
3. Наумов Е.А., Орлов Л.Н. К расчетной оценке пассивной безопасности кузова легкового автомобиля при боковом столкновении // Журнал автомобильных инженеров, № 5 (58), 2009 – M. –С. 19–21.
4. Bazikyan N.A., Musayelyan V.G. The car body B-pillar deformation process calculation model development in case of side impact crash. // Bulletin of National agrarian university of Armenia, № 3 (51), Yerevan, 2015, – 78–82 p.
5. European New Car Assessment Programme (Euro NCAP). Oblique Pole Side Impact Testing Protocol, Brussels, November, 2015, – 20 p.
6. Hallquist J.O. LS-DYNA User’s Manual, Livermore Software Technology Corporation: California, March, 2006. – 498 p.