ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ИМИТАЦИИ СТОЛКНОВЕНИЯ АВТОМОБИЛЕЙ
Новописный Е.А., Шутов А.И. (БГТУ им. В.Г.Шухова, г.Белгород, РФ)
Modern achievements of science and technology are considered at the analysis of road and transport incidents.
Современный прогресс в науке и технике, безусловно, связан с появлением и стремительным развитием электронных вычислительных машин (ЭВМ). Использование вычислительной техники для решения сложных задач на производстве позволяет повысить эффективность расчётов и снизить затраты на проектирование. Поэтому применение ЭВМ для моделирования обстоятельств дорожно-транспортных происшествий (ДТП) является очередным шагом на пути повышения точности расчётов характеристик движения ТС.
В последнее время математические методы прогнозирования поведения автомобиля в различных видах ДТП занимают всё больше времени в объёме, отведённом на разработку автомобиля. Мировые автогиганты имеют в своём арсенале мощнейшие компьютерные средства для дополнения натурных экспериментов виртуальными испытаниями. Использование такого рода программ позволяет снизить затраты на проведение огромного количества испытаний как отдельных узлов автомобиля, так и краш-тестов автомобиля в целом. Стоимость одного краш-теста автомобиля составляет от 150 до 200 тысяч долларов, экспериментальной модели автомобиля до 2 млн. долларов, в то же время виртуальный краш-тест стоит 5-7 тысяч долларов [2].
При разработке новой модели автомобиля производители проводят 150-200 виртуальных краш-тестов и 5-6 реальных [5].
При проведение виртуальных краш-тестов производители используют в основном расчётные системы такие, как ANSYS, LS-DYNA, Abaqus, РАМ-Crash (ESI Group), основанные на применении методов конечных элементов (МКЭ). Эти программы представляют собой удобную среду для проведения численных расчётов, дополняя эксперименты, проводимые в краш-лабораториях.
При математическом моделировании столкновений концерн Volkswagen основывается на методе конечных элементов и системе многочисленных тел. Полученная на компьютере модель автомобиля, составленная из нескольких десятков тысяч отдельных элементов, может быть поставлена в различные условия совместно с такими же моделями пассажиров. Благодаря имеющимся программам, можно получать самые различные данные о состоянии кузова, пассажирах, ускорениях и деформациях. Точность такого моделирования подтверждается натурными измерениями. Избежав больших затрат, на таких моделях можно оценить свойства реальных прототипов [4].
Российские автозаводы, хотя и с запозданием, начали использовать для поиска наиболее рациональных решений, позволяющих повысить способность кузова автомобиля поглощать энергию фронтального и бокового ударов, математические методы инженерного анализа конструкций. Данные методы реализуются в виде специализированных комплексов программных средств. Для решения проблем прочностного анализа автомобиля и его деталей в ОАО "Ижмаш-Авто" используется программный комплекс ANSYS. Установлено, что эффективным решением проблем численного моделирования краш-тестов и анализа поведения конструкции автомобиля при действии ударных нагрузок является специализированный программный комплекс ANSYS/LS-DYNA, с помощью которого в ОАО "Ижмаш-Авто" выполнен ряд исследований. По результатам выполненных исследований по проблемам повышения пассивной безопасности и прочностного анализа конструкций различных автомобилей семейства "ИЖ" сделан вывод о том, что расчётные конечно-элементные методы ANSYS/LS-DYNA в комплексе с современной компьютерной техникой - это тот инструмент, который необходим разработчикам при конструировании современной безопасной автомобильной техники [1].
Математическое моделирование широко применяется при имитации поведения при ДТП отдельных элементов конструкции автомобиля, в частности, бампера легкового автомобиля. Испытания выполнялись с использованием компьютерной имитации и сравнивались с результатами испытания реального автомобиля. Конструкция бампера представляла пустой короб с толщиной стенки 2 мм или имеющий заполнение алюминиевой пеной различной плотности (0,2; 0,3 и 0,4 г/см3). При имитации удара скорость составляла 16 км/ч. Результаты испытаний, свидетельствуют о преимуществе конструкции бампера, заполненного пеной [3].
Кроме того Национальным центром анализа аварий (NCAC) университета им. Д. Вашингтона (США) на основе МКЭ выполнено несколько исследований испытаний автомобилей. В частности на конечно-элементном аналоге из более чем 270 тысяч элементов был смоделирован краш-тест автомобиля Додж Неон 1996 года, произведённый сертифицированной лабораторией «Центр исследования транспорта» из штата Огайо по контракту с Департаментом транспорта США. Скорость фронтального удара автомобиля в жёсткий недеформируемый неподвижный барьер была 56 км/ч. NCAC является одним из лидеров по исследованию безопасности автомобилей, исследования которого идут по трём направлениям: 1) безопасность автомобилей и биомеханика, 2) безопасность дорог и инфраструктуры, 3) моделирование аварий и численные методы [7].
Одним из распространённых видов программного обеспечения, основанным на применении МКЭ, является PAM-CRASH2G. Его используют при проектировании конструкций и анализе пассивной безопасности элементов следующие автомобильные компании: Hyundai, Skoda, Volkswagen (результаты их работы приведены на рисунках 1, 2) [6]. Так, например, фирма Мерседес-Бенц для всех важных случаев ударного нагружения располагает детальными конечно-элементными аналогами более 30 моделей автомобилей с числом элементов более 200 тысяч каждая, и моделями манекенов водителя и пассажиров, которые непрерывно модифицируются, чтобы отслеживать соответствие требованиям стойкости при авариях. В любом случае МКЭ является единственным выбором, так как многочисленные требования и стандарты безопасности превышают возможности организации и анализа результатов натурных краш-тестов.
Рисунок 1 - Анализ конструкции автомобиля на надёжность элементов конструкции
Развитие применения численных методов в последующие десятилетия привело к тому, что МКЭ сегодня является инструментом, полностью интегрированным в процесс проектирования транспортного средства и элементов дороги, обеспечивающих безопасность. Сейчас конкурентно способное развитие отрасли невозможно без МКЭ-систем проектирования, которые уже с середины 90-х годов используется всеми ведущими автомобилестроительными компаниями.
Рисунок 2 - Сравнительный анализ разрушений автомобиля, выполненный компанией Volkswagen
Приведённые выше примеры использования МКЭ в качестве анализа безопасности конструкций автомобилей демонстрируют хорошую согласованность с результатами краш-тестов. Распространённость данного метода и эффективность его применения позволяют сделать предположение о возможности использования МКЭ в области расследования обстоятельств ДТП.
Конечно, моделирование не может полностью заменить физические эксперименты, его назначение обеспечить правильное истолкование результатов экспериментов с нелинейными системами, интерполировать и экстраполировать их результаты на другие сочетания условий. Однако развитие и широта применения численных методов в последние десятилетия привели к тому, что МКЭ сегодня является инструментом, полностью интегрированным в процесс проектирования транспортного средства и элементов дороги, обеспечивающих безопасность. Сейчас конкурентно способное развитие отрасли невозможно без МКЭ-систем проектирования, которые уже с середины 90-х годов используется всеми ведущими автомобилестроительными компаниями.
Литература
1. Филькин Н.М., Зыков С.Н. Повышение энергопоглощающей способности передней части кузова автомобиля при фронтальном столкновении с препятствием// Информационные технологии моделирования и управления. – 2004. - № 15. – С. 122-127.
2. Hack G. Исследования последствий столкновений транспортных средств // Auto, Mot. and Sport. – 1999. - № 14. – P. 36-42.
3. Lanard J.-L., Lestavel J., Guirehut S. Испытания бампера автомобиля // ATZ: Automobiltechn Z. – 2002. – Vol. 104, № 11. - P. 996-1001.
4. Scharnhorst Th., Schettler-Kohler K., Wester H. Исследование деформаций кузова автомобиля и кинематики пассажиров при моделировании столкновений // Automobiltechn Z. – 1990. – Vol. 92, № 11. - S. 644-646, 649-652
5. Wech V., Ostmann B. Результаты экспериментов, имитирующих лобовое столкновение автомобилей // Automobiltechn Z. – 1999. – Vol. 101, № 5. – S. 344-349.
6. www.esi-group.com (PAM-CRASH 2G. Virtual Testing for Crash & Safety Professionals).
7. www.ncac.gwu.edu.