Planul National de Cercetare, Dezvoltare şi Inovare PN II...

MINISTERUL EDUCAŢIEI ŞI CERCETĂRII Universitatea POLITEHNICA din Bucureşti

Facultatea Transporturi

1 Proiect ID-140

Planul National de Cercetare, Dezvoltare şi Inovare

PN II

Programul IDEI

Proiecte de cercetare exploratorie

STUDII PRIVIND ANALIZA IN TIMP REAL A

COMPORTARII CAROSERIILOR LA IMPACT, IN

VEDEREA IMBUNATATIRII SECURITATII PASIVE

OFERITE PASAGERILOR

Etapa intermediară 2010

- Sinteza lucrarii –

Cod proiect - ID_140

Director contract:

Conf.dr.ing. Mihail Daniel IOZSA

Bucureşti

2010



2 Proiect ID-140

STUDII PRIVIND ANALIZA IN TIMP REAL A

COMPORTARII CAROSERIILOR LA IMPACT, IN

VEDEREA IMBUNATATIRII SECURITATII PASIVE

OFERITE PASAGERILOR

Studii privind modelarea impactului cu ajutorul unor aplicatii software moderne

Analiza de impact în timp real - simulează un proces rapid care necesită o analiză

dinamică tranzitorie. Procesul de deformare a structurii este foarte rapid (câteva milisecunde),

modelarea soluţiei tranzitorii fiind realizată cu proceduri explicite în paşi extrem de mici (de

ordinul nanosecundelor).

În prezent, efectuarea analizei comportării la impact, se face în mod curent folosind

metoda elementului finit. Această metodă permite realizarea unor modele deformabile ale

structurii de caroserie, foarte utile în studierea comportării statice şi dinamice.

În analiza dinamică a unui proces de impact, eforturile unitare care apar în elementele

structurii depăşesc limita de curgere şi, în unele zone, chiar de rupere, deformaţiile plastice

având valori foarte mari. Din acest motiv se impune utilizarea unor modele neliniare pentru

materialul din care este realizată structura caroseriei.

1. Modele realizate pentru analiza comportării la răsturnare a caroseriilor de

autobuz cu ajutorul aplicatiei soft ADINA 8.6

1.1 Metode utilizate pentru studiul comportării structurilor de autobuz la

răsturnare

Testul de răsturnare trebuie efectuat pentru orice tip de autovehicul, dar în mod special

este important să se efectueze acest test la autovehiculele care transportă persoane (autoturisme

şi autobuze), deoarece structura acestor vehicule trebuie să ofere un spaţiu minim de

supravieţuire pentru toţi pasagerii transportaţi în urma unui astfel de test.

Regulamentul 66 ECE arată care trebuie să fie rezistenţa necesară pentru suprastuctura

autobuzelor in cazul unui test tipic de răsturnare. Acest regulament permite şi descrie patru

metode echivalente:

-testul de răsturnare efectuat pe întregul autobuz;

-testul de răsturnare efectuat pe un segment din structura autobuzului;

-testul prin lovirea unui segment de structură cu un pendul;

-verificarea prin calcul.

Au fost propuse două metode pentru studiul comportării structurii la răsturnare:

Metoda 1 - Răsturnarea structurii în jurul unei axe paralelă cu structura şi lovirea

acesteia de un perete orizontal în conformitate cu prevederile Regulamentului 66 ECE.

În modelul analizat, structura este pusă în poziţia pierderii echilibrului (CG2), fiind

lăsată să cadă în câmp gravitaţional (g=9,81m/s2), prin rotire în jurul unei axe. În momentul în



3 Proiect ID-140

care structura ajunge în poziţie orizontală, se consideră că aceasta se desprinde de pe platforma

de basculare, continuând să cadă fară să mai existe axă de rotaţie. Modelul geometric al

răsturnării este prezentat în figura 1.

Fig.1 Modelul geometric al răsturnării

Metoda 2 - Lovirea cu un pendul pe un colţ al structurii, pe direcţia în care structura ar

lovi peretele orizontal în momentul răsturnării. Structura va fi blocată pe rama de bază a

şasiului (fig.2). Metoda lovirii cu pendulul este o metodă indicată de respectivul regulament ca

metodă de analiză experimentală a răsturnării.

Fig.2 Modelul geometric al lovirii cu pendulul

1.3 Model realizat pentru analiza comportării la răsturnare a suprastructurii unui

autobuz turistic, cu caroserie din profiluri de oţel INOX şi şasiu mijloc din profiluri de

oţel carbon

1.3.1 Modelul geometric

Modelul geometric a fost realizat pe baza desenelor de execuţie efectuate de către

proiectant în format electronic (fişiere AutoCAD). A fost modelat doar un segment din

caroseria de autobuz. Acest segment este compus din baza portantă de tip cheson alcatuită din

elemente tip grinda cu zăbrele din oțel și suprastructură (pereţi laterali şi acoperiş) realizată din

oţel INOX (fig. 3).



4 Proiect ID-140

Fig.3 Modelul geometric al segmentului de suprastructură

1.3.2. Modelul din elemente finite

Modelul din elemente finite este realizat pe baza modelului geometric prin discretizarea

elementelor geometrice în elemente finite (fig.4). La discretizare au fost utilizate doar elemente

tip placă (shell).

Fig.4 Modelul din elemente finite completat cu spatiul limită de supravietuire

1.3.4. Stabilirea greutăţii structurii şi a poziţiei centrului de greutate

Determinarea poziţiei centrului de greutate a fost necesară pentru a se determina

înclinarea la care structura trece peste poziţia de răsturnare pentru metoda 1 de calcul și pentru

a stabili înclinarea pendulului şi înălţimea la care trebuie ridicat iniţial pendulul considerat,

pentru metoda 2 de calcul.

1.3.5 Rezultate privind calculul efectuat prin metoda 1 (răsturnare)

Calculul este efectuat prin analiză dinamică tranzitorie, considerând o modelare

multiliniară pentru materialul din care este confecţionată structura. Acest tip de analiză este

foarte dificilă, datorită pasului de timp foarte mic (aprox. 10-6

s) cu care trebuie efectuat

calculul. Acest fapt duce la timpi foarte mari necesari finalizării calculului (zeci de ore) şi

fişiere de rezultate foarte mari ( aproape 100 Gb). Este necesară utilzarea unor calculatoare

performante, rapide şi de mare capacitate.



5 Proiect ID-140

Au fost urmărite pas cu pas procesele de deformare plastică pe care le suferă materialul.

În prima fază a contactului, are loc o strivire a colţului care intră în contact, eforturile unitare

din această zonă cresc rapid peste limita de curgere, materialul deformându-se plastic (fig.5). În

zona de contact au loc şi unele depăşiri locale ale limitei de rupere a materialului, dar s-a

considerat că punctele în care apar astfel de depăşiri nu sunt esenţiale pentru rezistenţa

structurii. Nu sunt afectate legăturile dintre bare, necauzând fisurarea şi desfacerea acestora.

Fig.5 Creşterea tensiunilor efective pe pereţii laterali

Au loc creşteri ale eforturilor unitare şi în zonele de legătură dintre barele peretelui

lateral şi barele podelei. Aceste zone se extind rapid, se depăşeste limita de curgere în mai

multe puncte şi peretele lateral începe să se deformeze.

Procesul este analizat până se observă o limitare a deformării structucturii sau până la

anularea vitezei de cădere, moment după care structura începe să se descarce din punct de

vedere tensional, având o revenire elastică.

S-a constatat că, pe toată durata procesului, structura nu pătrunde în spaţiul limită de

supravieţuire definit de regulament. Deformarea maximă a structurii este prezentată în figura 6.

Fig.6 Deformarea maximă a structurii (metoda 1)



6 Proiect ID-140

1.3.6 Rezultate privind calculul de rezistenţă efectuat prin metoda 2 (lovire cu

pendul)

Aplicând metoda 2, s-a constatat o deformare maximă puțin mai mare decât cea

obţinută prin metoda 1 (fig.7), spaţiul de supravieţuire nefiind pătruns de structură nici în acest

caz. Bineînțeles, în ambele metode se poate vizualiza filmul impactului

Fig.7 Deformarea maximă a structurii (metoda 2)

1.4 Model realizat pentru analiza comportării la răsturnare a suprastructurii unui

autobuz urban, cu suprastructura caroseriei din profiluri de aliaj de Al şi baza portantă

din profiluri de oţel carbon

1.4.1 Modelul din elemente finite

Modelul din elemente finite este realizat pe baza modelului geometric din figura 8 prin

discretizarea elementelor geometrice în elemente finite. La discretizare au fost utilizate doar

elemente tip placă (shell). O parte din aceasta modelare a fost facută înainte de propunerea

acestui proiect.

Fig.8 Model geometric



7 Proiect ID-140

1.4.2 Rezultate privind calculul de rezistenţă efectuat prin metoda 1 (răsturnare)

Filmul variaţiei vitezei de-a lungul întregului proces de deformare poate fi realizat cu

un pas de 2*10-6

s, dar este imposibil de redat într-o lucrarea scrisă. Se observă că la început

structura este accelerată sub acţiunea acceleraţiei gravitaţionale. Din momentul impactului,

viteza pe colţul de impact se anulează, dar structura continuă să coboare cu viteza de impact.

Apar vibraţii ale unor stâlpi sau ale unor grinzi evidenţiate prin creşteri şi descreşteri ale vitezei

Filmul variaţiei tensiunii arată că tensiunile cresc brusc în zona de impact, menţinându-

se la nivel ridicat aproape pe toată durata impactului. Din zona de impact pornesc “valuri” de

creştere a tensiunii pe pereţii laterali şi pe acoperiş spre baza structurii. Valorile tensiunii

depăşesc limita de curgere a aliajului de aluminiu dar nu depăşesc limita de rupere a oţelului.

Deformaţile plastice acumulate în structură sunt prezentate în figura 9. Se observă că

ele au valori sub alungirea la rupere a celor două materiale.

Fig.9 Deformaţile plastice acumulate în structură (t=2.53292 s)

Deplasarea totală a structurii din poziţia de cădere până în poziţia finală se poate

observa în figura 10. Se poate observa că a avut loc o deformare a pereților laterali prin îndoire

în zona centurii inferioare a ferestrelor. Acest mod de deformare este tipic la răsturnarea

structurilor de autobuz.



8 Proiect ID-140

Fig.10 Deplasarea totală a structurii (t=2.53292 s)

1.5. Model realizat pentru analiza comportării la răsturnare a unei cabine de

autocamion

1.5.1 Modelul din elemente finite

Pentru studierea comportării unei cabine de autocamion în situațiile prevăzute de testele

de impact care se efectuează în mod uzual, a fost realizat un model al unei structuri de caroserie

de autocamion compusă din cadru șasiu și cabină, conectate prin intermediul sistemului de

rezemare. Acest model a fost realizat înainte de propunerea proiectului dar o mare parte dintre

rezultate au fost obținute în urma utilizării software-urilor achiziționate.

Impactul pe colțul superior al stâlpului A al cabinei de autocamion este una din testările

experimentale care simulează situația în care autocamionul se răstoarnă în mers pe o parte

laterală și lovește un obstacol cu această parte a structurii. Simularea acestui impact se poate

face prin lovirea structurii cu ajutorul unui pendul cu o anumită masă. Deviația unghiulară a

pendulului determină energia potențială a acestuia.

Modelul din elemente finite este prezentat în figura 11.

Fig.11 Modelul din elemente finite



9 Proiect ID-140

Pentru realizarea unei analize de contact în regim dinamic tranzitoriu, au fost modelate

ca suprafețe de contact 3D doar suprafețele din colțul cabinei și suprafețele cilindrului,

considerând și coeficientul de frecare corespunzător.

1.5.2 Analiza comportării structurii

În prima etapă, pendulul este accelerat sub acțiunea forțelor gravitaționale. Viteza

maximă este obținută în momentul în care pendulul lovește cabina. După impact, viteza

pendulului descrește rapid (fig.12.a). Figura 12.b prezintă oscilațiile vitezei în primele

milisecunde după impact. Simularea trebuie făcută până când viteza pendulului se anulează.

Fig.12 Variația vitezei pendulului (a) și oscilațiile vitezei după impact (b)

Viteza de deformare a structurii în punctual P (de maximă deformare) poate fi

considerată aproximativ constantă (13).

Fig.13 Viteza de deformare a structurii în punctual P

Bineînțeles, foarte importantă este studierea evoluției tensiunii efective în structura

cabinei, pentru a observa zonele în care este depășită limita de curgere sau limita de rupere sau

pentru a observa deformarea plastică remanent (fig.14).



10 Proiect ID-140

Fig.14 Deformația plastică remanentă

2. Modele realizate pentru analiza comportării la răsturnare a caroseriilor de

autobuz cu ajutorul aplicatiei soft ANSYS 12.1

După achiziționarea aplicației soft ANSYS 12.1 o mare perioadă de timp a fost utilizată

pentru învățarea modului în care se face modelarea geometrică și în care se introduc datele

care caracterizează sistemul analizat în analize statice și explicit dinamice. Experiența în

utilizarea software-urilor de proiectare (AutoCAD, CATIA) și de analiză cu elemente finite

(Nastran, ADINA) a avut un rol însemnat în reducerea acestei perioade de timp.

În cazul analizei explicit dinamice, pornind de la modele simple (fig.15 și fig.16), au

fost stabiliți principalii pași care trebuiesc efectuați pentru a modela impactul în timp real dintre

două corpuri, urmând ca în continuare să se realizeze modele de structuri de caroserie care vor

fi analizate din punct de vedere al comportării la impact. Astfel de exemple sunt prezentate în

figurile 17 și 18.

Fig.15 Model simplu de analiză 1



11 Proiect ID-140

Fig.16 Model simplu de analiză 2

Fig.17 Structura de ranforsare pentru o cabină de tractor

Fig.18 Structura de caroserie de autoturism realizată în cadrul activității cu studenții

Planul National de Cercetare, Dezvoltare şi Inovare PN II...

Documents

Transcript of Planul National de Cercetare, Dezvoltare şi Inovare PN II...