CC BY
36
викэшш ©шеджшй
ЗУЗОВ Игорь Валерьевич
аспирант кафедры «Колесные машины» (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
УДК 629.113
Моделирование продольного смятия передних лонжеронов кузова легкового автомобиля с учетом инициаторов деформации
И.В. Зузов
С помощью программного комплекса ANSYS LS-DYNA исследовано влияние на энергоемкость локальных концентраторов напряжений (отверстия, выштамповки и др.) Получена количественная оценка влияния каждого из перечисленных факторов.
Ключевые слова: лонжерон, инициаторы, энергоемкость, напряжение, перемещение.
The article represents the local initiators (beads, holes etc.) influence analysis using ANSYS LS-DYNA software. The quantitative estimation of each factors influence has been evaluated.
Keywords: longeron, initiators, energy capacity, stress, displacement.
ID настоящее время обеспечение пассивной безопасности колесных машин (КМ) — одна из наиболее сложных и трудоемких задач, которую приходится решать при проектировании новых транспортных средств (ТС). В мире внедряются все более жесткие правила, по которым оценивается степень защиты водителя и пассажиров КМ. Кроме того, обеспечение пассивной безопасности в ряде случаев весьма дорого, так как инженерам приходится вносить многочисленные изменения в конструкцию КМ и при этом проводить испытания для проверки обеспечения пассивной безопасности.
Одним из наиболее опасных столкновений является фронтальный удар, при котором наибольший вклад в поглощение энергии вносят лонжероны автомобиля. Лонжероны представляют собой сложную тонкостенную пространственную конструкцию замкнутого профиля. По многочисленным исследованиям выявлено, что лонжерон во время удара в основном испытывает осевое сжатие, поэтому для изучения влияния отдельных геометрических особенностей (отверстия, выштам-повки и т. д.) целесообразно привести модель лонжерона к модели тонкостенной трубки квадратного сечения с различными инициаторами деформации и провести расчеты при действии осевой ударной нагрузки. Целью данной работы является исследование поведения тонкостенных труб при осевом сжатии с различными конфигурациями конструкции, численная оценка энергоемкости каждого из рассмотренных случаев и анализ поведения конструкции для групп представленных инициаторов деформаций. Полученные результаты в дальнейшем будут применяться для оценки и предсказания поведения конструкций лон-
5!
ж
м
Рис. 1. Конечно-элементные модели трубки с различными инициаторами деформации:
а — без инициаторов; б — отверстие d =20 мм; в — отверстие d =40 мм; г — два отверстия d =20 мм; д — два отверстия d =20 мм расположены вдоль оси трубки; е — два отверстия d =20 мм расположены вдоль оси трубки на расстоянии 30 мм друг от друга; ж — два отверстия d =20 мм расположены перпендикулярно оси трубки на расстоянии 10 мм друг от друга; з — внутренняя выштамповка г = 3,5 мм; и — внутренняя выштамповка г = 7 мм; к — внешняя цилиндрическая выштамповка г =5 мм; л — двойные внешние цилиндрические выштамповки г =5 мм на расстоянии 20 мм друг от друга; м — тройные внешние цилиндрические выштамповки г =5 мм на расстоянии 20 мм друг от друга
жеронов с учетом конструктивных факторов и инициаторов деформаций.
В данной работе были созданы конечно-элементные модели труб (КЭМ) квадратного поперечного сечения с различными инициаторами деформаций (рис. 1). При этом использовались идентичные характеристики и конфигурация сетки для всех моделей.
Расчетная схема испытания тонкостенных труб (рис. 2) состоит из недеформируемой опорной поверхности и молота массой т = 25 кг, движущегося вертикально вниз, скорость которого в момент касания с трубкой составляет 17,78 м/с. Масса молота выбрана такой, что-
Рис. 2. Расчетная схема тонкостенных труб
бы происходило неполное смятие трубки для облегчения определения энергоемкости. Модель материала трубки учитывает упрочнение.
д
г
е
викэшш ©шеджшй
ж
\
к
л
м
Рис. 3. Результаты расчета трубки с различными инициаторами деформации:
а — без инициаторов; б — отверстие d =20 мм; в — отверстие d =40 мм; г — два отверстия d =20 мм; д — два отверстия d =20 мм расположены вдоль оси трубки; е — два отверстия d =20 мм расположены вдоль оси трубки на расстоянии 30 мм друг от друга; ж — два отверстия d =20 мм расположены перпендикулярно оси трубки на расстоянии 10 мм друг от друга; з — внутренняя выштамповка г = 3,5 мм; и — внутренняя выштамповка г = 7 мм; к — внешняя цилиндрическая выштамповка г =5 мм; л — двойные внешние цилиндрические выштамповки г =5 мм на расстоянии 20 мм друг от друга; м — тройные внешние цилиндрические выштамповки г =5 мм на расстоянии 20 мм друг от друга
В результате расчета оценивалась энергоемкость конструкции, представляющая собой отношение энергии, потребляемой системой, к величине, характеризующей результат функционирования данной системы, т. е. абсолютное перемещение верхних точек трубки и пове-
дение конструкции. Выявлялись конструкции, показывающие наиболее стабильное поведение в процессе удара.
Для оценки поведения труб с различными инициаторами деформаций целесообразно разделить их на четыре группы: 1 — без ини-
а
г
е
циаторов (рис. 1, а); 2 — с инициаторами в виде отверстий (рис. 1, б); 3 — с инициаторами в виде внутренних выштамповок (рис. 1, з—и); 4 — с инициаторами в виде внешних выштамповок (рис. 1, к—м). Наименьшее перемещение, а следовательно, наибольшая энергоемкость и наиболее стабильное поведение наблюдается у трубки без каких-либо инициаторов деформаций. В то же время наименьшей энергоемкостью обладает конструкция, имеющая отверстие диаметром 40 мм (рис. 1, в, рис. 3, в). Во второй группе наибольшей энергоемкостью обладает трубка с двумя отверстиями d =20 мм, расположенными вдоль оси, а наименьшей — трубка с двумя отверстиями d = 40 мм. Стабильное поведение показывают варианты конструкций (рис. 3, б—д). В вариантах (рис. 3, е—ж) происходит закручивание и смещение поперечного сечения. Энергоемкость конструкции с двумя сквозным отверстиями (рис. 3, г), расположенными перпендикулярно оси трубки меньше энергоемкости трубки с одним сквозным отверстием (рис. 1, б) на 4,5%.В данном случае при увеличении расстояния между отверстиями энергоемкость практически не изменяется. Если те же отверстия расположены вдоль оси трубки (рис. 1, д), то энергоемкость увеличивается на 11,7%. При увеличении расстояния между отверстиями (рис. 1, е) энергоемкость уменьшается на 2%. В третьей группе наибольшей энергоемкостью и стабильностью обладает трубка с цилиндрической выштампов-кой г = 3,5 мм (рис. 1, з). При увеличении радиуса выштамповки в два раза энергоемкость уменьшается на 2%. В четвертой группе все варианты трубок отличаются стабильным поведением во время удара. Наибольшую энергоемкость можно выделить в варианте с двумя внешними выштамповками, расположенными на расстоянии 20 мм друг от друга. Примечательно, что энергоемкость конструкции увеличивается с добавлением выштамповок — на 2% с каждой. Ниже представлена таблица расчетных энергоемкостей труб с различными инициаторами (расчетные модели соответствуют обозначениям на рис. 1).
Таблица
Значения энергоемкости для каждой расчетной модели
Расчетная модель Энергоемкость, Дж/м
а 28 634,82
б 20 058,91
в 18 126,63
г 19 182,55
д 21 712,12
е 21 245,19
ж 19 089,88
з 20 264,64
и 19 857,31
к 19 857,31
л 20 474,64
м 20 161,25
На основе проведенных расчетов можно сделать вывод, что наибольшей энергоемкостью и стабильным поведением при ударе обладает тонкостенная сплошная трубка. При введении в конструкцию инициаторов деформаций наибольшая энергоемкость наблюдается в случае двух отверстий d =20 мм, расположенных вдоль оси трубки. Наименьшей энергоемкостью обладает трубка со сквозным отверстием d =40 мм. Отверстия, расположенные перпендикулярно оси трубки, приводят к закручиванию поперечного сечения трубки и ее изгибу. Кроме того, увеличение радиуса скругления внутренних цилиндрических выштамповок приводит к изгибу трубки в процессе сжатия.
Список литературы
1. Abramowicz W., Jones N. Dynamic Axial Crushing of Square Tubes. Int. J. Impact Engng. 1984. Vol. 2. No. 2. Pp. 179—208.
2. Wierzbicki T., Abramowicz W. On the Crushing Mechanics of Thin Walled Structures. J. of Applied Mechanics. 1983. Vol. 50. Pp. 727—734.
3. Otubushin A. Detailed validation of non-linear finite element code using dynamic axial crushing of a square tube. Int. d. Impact Engng. 1998. Vol. 21. No. 5. Pp. 349—368.
4. DiPaolo B.P., Monteiro P.J.M., Gronsky R. Quasi-static axial crush response of a thin-wall, stainless steel box component. Int. J. of Solids and Structures 41, 2004. 3707—3733.
Статья поступила в редакцию 09.12.2010 г
