У Ч Р Е Ж Д Е Н И Е

ЦЕНТР НЕЗАВИСИМОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ НА АВТОМОБИЛЬНОМ  ТРАНСПОРТЕ

«ЦНЭАТ»

 

 443098  г. Самара, ул. Пугачевская 73А, (АТП-5)    тел. (846)  958-87-45  тел/факс. (846) 958-84-09,  e-mail: at-63@mail.ru

Дифференциация жесткости транспортного средства 

    Как уже отмечалось в предыдущих статьях «Метод DyMesh: теория» и «Проверка метода DyMesh», метод DyMesh имеет потенциальную возможность дифференциации жесткости оболочки транспортного средства в тех пределах, в которых она корректна без учета вторичных деформаций элементов конструкции транспортного средства. Однако авторы этого метода не использовали эту потенциальную возможность, и, как было показано ранее, результаты симуляции инсценированных столкновений автомобилей, произведенные программой SIMON, оказались хуже ожидаемых, и хуже, чем результаты симуляции программами, базирующимися на импульсных моделях.

    Что может дать дифференциация жесткости? Ответ на этот вопрос можно получить, проведя исследование деформации объекта, имеющего простую форму, и применив наиболее точный и достоверный на сегодняшний день метод конечных элементов. Сразу оговоримся – в приведенных ниже расчетах сходимость решения методом конечных элементов не исследовалась. Но этого здесь и не надо.

    Возьмем металлическую тонкостенную коробку шириной 200мм, высотой 150мм и длиной 500мм, представленную сеткой конечных элементов, и показанную на рисунке ниже. Толщина всех стенок коробки равна 1мм, материал – конструкционная сталь с напряжением течения 30кг/мм2, модуль упругости 20000кг/мм2, коэффициент поперечной деформации 0.33, материал изотропный, идеальный упруго-пластический.

 

    Следуя методу DyMesh, будем деформировать передний торец коробки в направлении спереди назад по всей площади до глубины деформации, например, 20% от первоначальной длины коробки (то есть произведем прочностной расчет методом конечных элементов, но заставим узлы на контактной поверхности вести себя как в расчете методом DyMesh). Задняя стенка коробки здесь и далее во всех расчетах жестко закреплена. Измерив (то есть вычислив) зависимости работы деформации и  деформирующей силы от величины деформации, сравним эти результаты расчета с результатами расчета этой же коробки при деформации переднего торца коробки с перекрытием 50%, 25% в нижней части, и 25% в верхней части торца.

    На рисунке выше показана расчетная деформация коробки при деформации переднего торца со 100% перекрытием. Видно, что передний торец, опустился вниз с образованием складки на дне коробки. Следовательно, величина деформирующей силы должна упасть после потери коробкой устойчивости и начала образования складки, что мы и увидим ниже.

 

    На рисунке выше показана расчетная деформация коробки с перекрытием 50% в левой половине переднего торца в изометрической проекции, и передняя часть коробки на видах сверху и слева. Хорошо видно складкообразование на дне коробки в ее левой части вблизи левой половины деформированного переднего торца.


 

    На рисунке выше показана расчетная деформация коробки с перекрытием 25% в левой нижней четверти переднего торца в изометрической проекции, и передняя часть коробки на видах сверху и слева. Хорошо видно, что характер деформации левой части коробки похож на характер деформации коробки со 100% перекрытием. Отличием является то, что передняя часть в целом изгибается влево со складкообразованием левой стенки. При этом виды сверху на переднюю часть коробки с 50% перекрытием и 25% перекрытием в нижней части хорошо совпадают.

    На рисунке выше показана расчетная деформация коробки с перекрытием 25% в левой верхней четверти переднего торца в изометрической проекции, и передняя часть коробки на видах сверху и слева. Видно, что левая передняя часть дна коробки теперь выгнута вверх.

Все четыре численных эксперимента выглядят достаточно реалистично. Поэтому, если подход авторов метода DyMesh в задании одинаковой жесткости узлов на каждой из сторон автомобиля правильный, то величина силы при деформации с 50% перекрытием должна составлять половину от величины силы со 100% перекрытием, а двух последних экспериментах – четверть от величины силы со 100% перекрытием. Так ли это?

Расчетные зависимости деформирующих сил от деформации показаны на рисунке ниже.

 

    Как и ожидалось, во всех случаях наблюдается падение величины силы после потери устойчивости конструкции в начале деформации. В отличие от коробки для автомобилей этот эффект так же имеет место, но не столь ярко выражен. Величина силы при перекрытии 50% торца действительно почти точно составляет половину от силы для 100% перекрытия и на значительной величине деформации, но ширина пиковой области при 100% перекрытии в начале деформации несколько выше. Так как площади под кривыми на рисунке – это энергия, затраченная на деформацию, то затраты энергии для 50% перекрытия преимущественно будут меньше половины затрат энергии при 100% перекрытии, что видно на рисунке ниже, где показаны зависимости затрат энергии на деформацию коробки от величины деформации.

 

    Неожиданностью здесь является то, что при 25% перекрытии торца снизу слева график зависимости силы от деформации практически полностью совпадает с графиком для 50% перекрытия, хотя сила при 25% перекрытии сверху слева значительно (более чем вдвое) ниже силы для 50% перекрытия на значительном протяжении деформации.

    Причиной таких зависимостей сил от деформации является то, что величина силы сопротивления конструкции в значительной части определяется ее силовыми элементами. Для, например, коробки таким силовым элементом являются дно и ребро между дном и боковой стенкой, поэтому второй и третий эксперименты – это практически одно и то же, так как деформации сопротивляются одни и те же силовые элементы, а площадь контакта значения не имеет. Отсюда следует, что вклад узлов сетки, находящихся в разных местах торца, в общую силу сопротивления деформации является существенно разным.

    Это можно пояснить на примере эксперимента со 100% перекрытием. На рисунке ниже показано поле распределения интенсивности напряжений (величины, пропорциональной второму инварианту девиатора тензора напряжений) на переднем торце коробки в момент наибольшей нагрузки на торец, в момент падения пика деформирующей силы (около15мм деформации) и в конце деформации. Для уменьшения размера рисунка на трех картинках применен разный масштаб. На первой картинке величина интенсивности изменяется от 0 до 9, на второй – от нуля до 6, на третьей – от нуля до 18.

 

    Из рисунка видно, что в момент наибольшего сопротивления конструкции деформированию наибольшее сопротивление оказывают области вдоль дна и в верхней части вертикальных ребер (красный цвет), где сопротивление в 9 раз больше, чем в центральной верхней области (голубой цвет). При потере устойчивости сопротивление нижнего ребра коробки в 2-3 раза больше сопротивления остальной площади торца (зеленые цвета), а после потери устойчивости величина сопротивления нижних продольных ребер коробки в 18 раз превышает сопротивление большей части остальной площади торца (голубые цвета).   

    Анализ приведенных расчетных данных показывает, что распространение результатов эксперимента по удару объекта с каким-либо перекрытием на всю деформированную область путем деления силы (или ее зависимости от деформации) на деформированную площадь не только не правильно, но и не научно. И не только из-за разной жесткости разных частей оболочки объекта. По сути, сам термин «неоднородность жесткости оболочки транспортного средства» является мифом, годным только для качественного, а не количественного анализа задачи столкновения. Даже для простого объекта, как коробка, мы увидели, что не только неоднородна жесткость оболочки в каждый момент времени, но и соотношение «жесткостей» различных участков оболочки изменяется в ходе деформации. 

    Корректное, с той или иной степенью точности, определение сопротивления различных участков оболочки транспортного средства деформированию в ходе деформации нельзя провести без учета внутренней силовой структуры его конструкции. Силовые элементы конструкции, сопротивляясь в некоторый момент времени деформированию и вклад которых в суммарное сопротивление велик, в другой момент времени теряют устойчивость и их сопротивление падает. Их место занимают другие элементы конструкции, беря на себя основную долю сопротивления деформированию, и все повторяется сначала.

Не только способность сопротивляться деформации и величина сопротивления деформации каждого элемента конструкции определяют зависимость суммарной силы сопротивления от величины деформации, но и история получения этих деформаций во времени

    Метод DyMesh, как оболочечный метод, не учитывающий внутренние элементы конструкции и историю получения деформаций, при любом его развитии в сторону дифференциации жесткости оболочки, все равно останется гипотезным по его природе, т.е. способным дать только вероятностный результат. Корректное задание истории получения деформаций, дифференцированных по узлам оболочки, требует либо множества натурных экспериментов для каждой модели транспортного средства, либо научно обоснованных аналитических или численных расчетов. При отсутствии научного обоснования любой метод остается пусть и красивой, но гипотезой.

    Решения краевой задачи в общем виде для деформируемого твердого тела на сегодняшний день не существует. Множество решений частных задач хорошо известно, и они составляют такие дисциплины как сопротивление материалов и многие другие. Когда-нибудь появится гений, который решит эту задачу в общем виде. Но когда он появится – завтра или через 1000 лет – мы не знаем. Но сегодня мы имеем появившийся 60 лет назад, и с тех пор хорошо научно разработанный и апробированный в науке и инженерной практике тысячами специалистов численный метод расчета – метод конечных элементов, развитие которого значительно опередило развитие вычислительной техники.

  

В.Н.Никонов,

ведущий научный сотрудник Института механики Уфимского научного центра РАН,

кандидат технических наук

 

 ЦНЭАТ публикует статьи и оставляет оппонентам возможность высылать в наш адрес для публикации свои доводы. Если таковые поступят, то мы обязательно их  опубликуем на данной странице, чтобы читатель мог сопоставить позиции сторон. Материалы вы можете высылать ЦНЭАТ , тема: Ответ на статью Никонова В.Н.  

© 2006,  ЦНЭАТ , г. Самара, ссылка на ЦНЭАТ и страницу обязательны     



2017 год. Книга В.Н.Никонов. Реконструкция обстоятельств ДТП. Введение в современные методы экспертных исследований. Использование краш-тестов https://ridero.ru/books/rekonstrukciya_obstoyatelstv_dtp/






Главная


Назад