Topological optimization of the roof structure of a passenger car in order to increase energy intensity in a side impact

Full Text

Введение Автомобильные аварии являются одной из основных причин роста смертности людей во всем мире. В частности, боковой удар является одним из самых серьёзных видов аварии из-за непосредственной близости водителя и пассажира к месту столкновения. По данным мировой статистики ДТП, почти 60% смертей в результате бокового столкновения происходят из-за травм головного мозга. Травма головного мозга в основном возникала из-за проникновения элементов кузова внутрь пассажирского салона. При боковом ударе автомобиля с другим транспортных средством или узким объектом (дерево, столб) ударный объект замедляется за счёт пластического деформирования и поглощения энергии таких силовых элементов как двери, пороги, центральная стойка и крыша. Крыша, несмотря на то, что подключается не сначала процесса деформирования, так как не является наиболее выступающим в сторону препятствия элементом, оказывает существенное влияние на деформирование кузова и, как следствие, на величину проникновения внутренней панели двери в салон [1]. Вследствие этого повышение ее жесткости является важной задачей, решение которой позволит повысить уровень пассивной безопасности автомобиля. Крыша, которая усилена только пеноалюминием повышает энергоёмкость кузова автомобиля на 10%, но при этом масса автомобиля возрастает на 97 кг, поэтому усиление крыши необходимо проводить с помощью топологической оптимизации [1]. В работе Р.Б. Гончарова, В.Н. Зузова [2] с помощью топологической оптимизации было реализовано оптимальное расположение силовых элементов на задней стенке кабины при ударе маятником и при этом масса кабины увеличилась незначительно. В работе А. А. Французов и др. [3] благодаря применению топологической оптимизации была снижена масса звеньев захвата в 1,5 раза по сравнению с первоначальной. Zhaokai Li [4] с помощью топологической оптимизации исследовал способы рационального распределения пеноалюминия в бампере автомобиля для повышения его ударопрочности при фронтальном ударе. Цель исследования Цель работы заключается в повышении энергоёмкости кузова за счёт разработки усиления крыши автомобиля на базе топологической оптимизации с целью удовлетворения требований пассивной безопасности. Методы и средства проведения исследований Топологическая оптимизация крыши На первый взгляд может показаться, что крыша в режиме бокового столкновения автомобиля с препятствием типа «столб» является лишь опорой для двери и принимаем косвенное участие в деформирования боковой части кузова. Однако, как это было показано в статье [1], в фазе 3 (рис. 1) крыша подключается в непосредственное восприятие воздействия столба и, следовательно, влияет на общую энергоёмкость кузова и проникновения различных элементов кузова в салон. Ввиду того, что пассивная безопасность включает в себя минимизацию продавливания элементов во внутреннее пространство салона, поэтому в данной статье производится оценка влияния различных вариантов усиления крыши на величину продавливания при боковом ударе. Рис. 1. Фаза 3. Деформирование крыши Fig. 1. Phase 3. Roofing deformation В базовом варианте крыша усилена 3 поперечными лонжеронами корытообразного типа (рис. 2). Вариантами усиления крыши были рассмотрены: · рациональная расстановка стальных усиливающих элементов; · размещение пеноалюминия под крышу; · комбинация стальных элементов с заполнением их полостей пеноалюминием. Рациональная расстановка усиливающих элементов может быть найдена с использованием оптимизационных подходов [2-7]. Крыша представляет собой листовое штампованное тело, для которых может быть применима топографическая оптимизация, позволяющая получить расположение выштамповок, пуклей и зигов на ней. Альтернативным вариантом является топологическая оптимизация, которая позволяет получить карты псевдоплотностей материала, трактовка которых ведет к формированию расстановки усиливающих элементов. Рис. 2. Усиление крыши в базовом варианте Fig. 2. Roofing reinforcement in basic version Существует ряд программных продуктов, реализующих методы оптимизации, наиболее популярными из которых являются Ansys и Altair Inspire. Altair Inspire реализует как метод топологической оптимизации, так и топографической, Ansys - только метод топологической оптимизации. Однако формирование выштамповок в Altair Inspire возможно лишь в трех вариантах: двух ортогональных и круговом. Крыша выбранного нами автомобиля (рис. 1) находится при ударе в сложном напряженно-деформированном состоянии, это позволяет предположить, что расположение усиливающих элементов не будет ортогональным, поэтому целесообразно использовать ПК Ansys. Идея метода топологической оптимизации приведена в работе [3], в которой выполнялась оптимизация звеньев захвата тюбингов тоннельного экскаватора. Это показывает на универсальность метода топологической оптимизации. Для выполнения топологической оптимизации необходимо: · задание массива материала для оптимизации и определение оптимизируемой части; · формирование расчетной модели; · определение целевой функции; · задание ограничений. Массив материала для оптимизации представлял собой крышу с частями стоек (рис. 3) в двух вариантах: без базовых усиливающих лонжеронов и с ними. Рис. 3. Массив материала для оптимизации Fig. 3. Array of material for optimization Расчётная модель разрабатывалась преимущественно с использованием оболочечных конечных элементов, граничными условиями (ГУ) для которой являлись: закрепление по стойкам и усилие вдоль борта (рис. 4). При проведении оптимизации стойки кузова не учитывались, потому что они могут искажать результаты оптимизации. Нагрузка бралась неполной, так как часть энергии в процессе деформирования была уже затрачена на порог и дверь, потому что эти два силовых элемента первыми вступают в контакт со столбом. Кроме того, единичный краш-тест не позволяет оценить приложение нагрузки не в месте размещения препятствия, столба, поэтому потребуется ряд расчетов и оптимизации на основания совокупности результатов. Значение нагрузки определялось по графикам распределения энергий, которые представлены в работе [1]. При больших деформациях жесткость и размеры конструкции меняются существенно, что влияет на расчетную схему, однако задачей является минимизация деформаций, поэтому справедливо рассматривать действие произвольной силы, приложенной к недеформированной геометрии. Рис. 4. Конечно-элементная модель и схема граничных условий Fig. 4. Finite element model and boundary conditions scheme Целевой функцией являлась максимизация жесткости, ограничением - остаточная масса, равная 50% от исходной. На рис. 5 представлены результаты оптимизации по вариантам «без лонжеронов» и «с лонжеронами». Рис. 5. Результаты топологической оптимизации Fig. 5. Topological optimization results Рис. 6. Варианты усиления по результатам оптимизации Fig. 6. Reinforcement options based on optimization results В процессе удара автомобиля о столб, столб может находиться в любой точке, соответственно целесообразно усиливать всю крышу, поэтому усилие от столба может прилагаться вдоль всего борта, закрепление выполнено по стойкам в местах их отделения от остальной части. В результате трактовки карт псевдоплотностей (рис. 6) были разработаны следующие варианты усиления с толщиной стенки 3мм и высотой 24мм (размеры соответствуют толщине и высоте базовых лонжеронов). В дальнейшем данные размеры уточнялись с помощью параметрической оптимизации. Интерпретация результатов проводилась с учётом технологических возможностей, но это не является основной целью статьи поэтому способ изготовления и установки усилителей в кузов не рассматривается. Рис. 7. Энергии процесса удара о столб Fig. 7. The energies of the process of hitting the pillar Для проверки эффективности усилений была выполнена проверка в условиях виртуального краш-теста, регламентированных правилами ЕЭК ООН 135 «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении их характеристик при боковом ударе о столб». Примем следующие обозначения: · A - кузов в исходном исполнении, без усилителей; · B - вариант после оптимизации «без лонжеронов»; · С - вариант после оптимизации «с лонжеронами». Корректность решения поставленной задачи проверяется контролем энергий процесса (рис. 7). Сумма внутренней, кинетической и энергии скольжения должна быть равна полной энергии с величиной погрешности определяемой энергией «песочных часов» [8]. На рис. 8 приведены деформированные состояния кузова после удара о столб. Рис. 8. Деформированное состояние после удара Fig. 8. Deformed state after impact Эффективность вариантов оцениваем по энергоемкости. Энергоёмкость определялась как отношение начальной энергии к разности между начальным (при недеформированном состоянии кузова) и конечным (при деформированном состоянии кузова), результаты приведены в таблице 1 и на рис. 9 и 10. Таблица 1 Энергоемкость различных вариантов кузова Table 1. Energy intensity of different body options Вариант Начальный размер Масса, кг Размер после деформации, мм Энергоемкость, Дж/мм Прирост, % A 1843 - 1302 169 - B +26 1332,62 181 6,99 C +34 1328,2 180 6,36 На основании полученных результатов можно сделать вывод о том, что вариант усиления B является более эффективным, вследствие чего дальнейшее рассмотрение вариантов усиления будем выполнять на его основе, в качестве дополнительного рассмотрим также вариант размещения усиления из пеноалюминия под крышей. Рис. 9. Энергоемкость различных вариантов кузова Fig. 9. Energy intensity of different body options Рис. 10. Пояснение к расчету размера в деформированном состоянии Fig. 10. Explanation of the calculation of the size in the deformed state Такими вариантами являются (рис. 11): · B1 - усиливающий элемент собран из балок швеллерообразного сечения; · B2 - вариант В1 с заполнением полостей усиливающего элемента пеноалюминием; · B3 - вариант В1 с установленными в балках диагональными перемычками; · D - пеноалюминий под крышей без стальных балок с исходными усиливающими лонжеронами. · Для описанного ранее краш-теста были выполнены расчеты, в таблице 2 и на рис. 12 приведены расчётные величины энергоёмкости, которая определялась как отношение начальной энергии к разности между начальным (при недеформированном состоянии кузова) и конечным (при деформированном состоянии кузова). Деформированное состояние кузова для рассмотренных вариантов представлено на рис. 13. Рис. 11. Варианты усиления крыши (варианты B2, B3 и D в рассеченном состоянии) Fig. 11. Roofing reinforcement options (options B2, B3 and D in the dissected state) Таблица 2 Сравнение эффективности усиления крыши по энергоемкости Table 2. Comparison of the efficiency of roofing reinforcement in terms of energy intensity Вариант Исполнение Начальный размер Масса, кг Размер после деформации, мм Энергоемкость, Дж/мм Прирост, % A Оригинальная конструкция 1843 - 1302 169 - B Усиление по результатам оптимизации +26 1332,62 181 6,99 B1 По варианту В с балками швеллерообразного сечения +25 1330,11 180 6,76 B2 По варианту В1 с пеноалюминием +39 1389,21 204 20,88 B3 По варианту В1 в диагональными перемычками +81 1379 203 19,94 D Пеноалюминий по крышей с исходными лонжеронами +52 1365,3 195 15,36 Рис. 12. Энергоемкости вариантов с усиленными крышами Fig. 12. Energy intensity options with reinforced roofings Анализ результатов позволяет сделать вывод о том, что наиболее эффективными являются варианты В2 и В3, один из них В2 содержит балочную конструкцию на основе топологической оптимизации с запененными ее полостями, второй, В3, реализован также на основе результатов оптимизации, но доработан установкой диагональных перемычек в балки усиления. Рис. 13. Деформированное состояние кузова для вариантов A, В1,2,3 и D Fig. 13. Deformed state of the body for options A, B1,2,3 and D Выводы 1. В результате моделирования бокового удара о столб кузова с двумя вариантами конструкции крыши (с лонжеронами и без) на основе интерпретации результатов топологической оптимизации, получено, что их эффективность практически одинакова и приводит к увеличению энергоемкости на 6,36 и 6,99% соответственно (таблица 1); 2. Проведённые исследования показали, что наиболее эффективными, с позиции повышения энергоемкости, оказались варианты усиления крыши балками швеллерообразного сечения и заполнения их пеной и вариант усиления крыши балками швеллерообразного сечения и диагональными перемычками в них, обусловливающие ее повышение по сравнению с оригинальной конструкцией на 20,88 и 19,94% соответственно, но при этом масса первого варианта на 42 кг меньше массы второго.

About the authors

D. A Sulegin

Bauman Moscow State Technical University

Email: d_sulegin@mail.ru
Moscow, Russia

V. N Zuzov

Bauman Moscow State Technical University

DSc in Engineering Moscow, Russia

References

Supplementary files