CC BY
49
ВШЗЕХЭШШ] выкшшех ©аведжшй
ЗУЗОВ Игорь Валерьевич
аспирант
ЗУЗОВ Валерий Николаевич
доктор технических наук, профессор кафедры «Колесные машины» (МГТУ им. Н.Э. Баумана)
УДК 629.113
Моделирование продольного смятия передних лонжеронов кузова легкового автомобиля с учетом наполнителей и инициаторов деформаций
И.В. Зузов, В.Н. Зузов
С помощью программного комплекса ANSYS LS-DYNA исследовано влияние пенного наполнителя лонжеронов легкового автомобиля как сплошных, так и при наличии локальных концентраторов напряжений (отверстия, выштамповки и др.) на его энергоемкость при фронтальном ударе.
Ключевые слова: пассивная безопасность, лонжерон, инициаторы, наполнители, энергоемкость, деформации, перемещения, напряжения.
The article considers the influence offoam fillers for the car frame rails on its power intensity in case of a frontal attack using the ANSYS LS-DYNA software. The quantitative estimation of each factor influence has been evaluated.
Keywords: passive safety, frame rail, initiators, fillers, power intensity, strain, displacement, stress.
Задача обеспечения требуемой энергоемкости передней части легкового автомобиля при фронтальном и косо-фронтальном ударе весьма сложная и многогранная. Как правило у конструктора не так широк диапазон возможностей по изменению конструкции (с учетом компоновки, требований по минимальной массе и др.). В связи с этим применение пенных наполнителей внутри лонжеронов, стоек и других конструктивных элементов, существенно меняющие их жест-костные характеристики и энергоемкость, представляет большой интерес. При их использовании не требуется изменять компоновку, увеличивать толщины и габариты конструкции и, соответственно, массы, и в то же время удается улучшить основные параметры, влияющие на пассивную безопасность автомобиля.
Целью данной работы является исследование поведения тонкостенных труб (элементов лонжеронов легковых автомобилей) при осевом ударе (сжатии) с пенным наполнителем и численная оценка влияния наполнителя как для сплошной конструкции, так и при наличии инициаторов деформаций.
При фронтальном ударе основную долю энергии кузова легкового автомобиля воспринимают лонжероны, которые при этом испытывают осевое сжатие. Для оценки границ применимости конечно-элементных моделей, погрешностей решений в данной работе использо-
Рис.
1. Зависимость напряжения от деформации материала пены
Рис. 2. Экспериментальная установка:
а — общий вид; б — схема
вался эксперимент по осевому сжатию тонкостенной трубки с пенным наполнителем [1] (рис. 2), который соответствует поставленной цели применительно к лонжеронам автомобиля. Материал трубки выбран в соответствии с материалом лонжерона кузова — Ст3. Образец предварительно заполняется полистиролом со следующими механическими характеристиками: плотность р = 40 кг/м3, модуль Юнга Е = = 15,6 МПа. График зависимости напряжения от деформации материала пены представлен на рис. 1. Испытуемый образец представляет собой тонкостенную коническую трубку с конфигурацией, показанной на рис. 3.
Рис. 3. Геометрические и физические параметры испытуемого образца
Трубка большим основанием крепится к поддерживающей пластине при помощи поддерживающего кольца. Удар выполняется под углом 5° по отношению к вертикальной оси ударной установки со скоростью 10 м/с, масса молота 60 кг. Процесс деформирования показан на рис. 4.
Рис. 4. Процесс деформирования испытуемого образца
Максимальное значение абсолютного перемещения при наличии пенного наполнителя составило 63,3 мм, а при его отсутствии — 115 мм. На рисунке 5 представлен график, отражающий зависимость энергии поглощения (энергоемкость) от перемещения.
ВШзехэшш] выкшшпх ©аведжшй
Рис.
5. Зависимость энергии поглощения образца от перемещения: а — без пенного наполнителя; б — с пенным наполнителем
Авторами статьи создана конечно-элементная модель (КЭМ) конической трубки с идентичными геометрическими характеристиками для проведения расчета в программном комплексе ANSYS LS-Dyna. Для описания геометрии тонкостенной трубки применялись конечные элементы типа Shell, а для описания пенного заполнителя — конечные элементы типа Solid, поскольку структура пены имеет объемную цельную геометрию. Для описания материала трубки использовался материал MAT_PLASTIC_KINEMATIC, поскольку он в полной мере описывает характеристики стали. Для описания пенного наполнителя был выбран материал MAT_CRUSHABLE_FOAM, который разработан для быстротекущих процессов и учитывает демпфирование. Итоговая КЭМ, состоящая из 30 тыс. узлов и элементов, показана на рис. 6. Она была составлена с учетом ранее проведенных авторами исследований применительно к ударному смятию трубок без наполнителя [2].
Рис. 6. Конечно-элементная модель трубки с пенным наполнителем
На основе проведенных расчетов выявлено, что сплошная тонкостенная трубка с пенным наполнителем имеет значительно большую энергоемкость (и наименьшее перемещение) и стабильное поведение при ударе, чем без наполнителя. Максимальное расчетное перемещение составило 65 мм. При отсутствии пенного наполнителя энергоемкость конструкции существенно снижается, максимальные перемещения составляют 102 мм. Результаты расчета и сравнение с экспериментальными данными показаны на рис. 7.
Рис. 7. Деформированные трубки:
а — с пенным наполнителем; б — без пенного наполнителя
Сравнение значения энергоемкости трубок и перемещений в них, полученные экспериментально и расчетным путем, представлены в табл. 1.
Таблица 1
Значения энергоемкости и перемещений в трубках при осевом
ударе
Расчетная модель Энергоемкость, кДж/м Перемещение, м По-грешность, %
Эксперимент Расчет Эксперимент Расчет
С пенным наполнителем 4,74 4,61 0,063 0,065 2,7
Без пенного наполнителя 2,97 2,60 0,115 0,102 11
В работе [2] был проведен подробный анализ тонкостенных трубок квадратного поперечного сечения с различными инициаторами деформаций и при отсутствии пенного наполнителя. На основе полученных результатов были выбраны трубки с инициаторами деформаций, которые характеризовались наименьшей энергоемкостью и наибольшей нестабильностью поведения конструкции во время деформации (трубки с четырьмя отверстиями диаметром 20 мм и трубка с внешними выштамповками). Для них был выполнен расчет с аналогичными параметрами, но с наличием пенного наполнителя. Результаты расчета (рис. 8) показали, что пенный наполни-
Рис. 8. Прямоугольные трубы с пенным наполнителем при ударном смятии
тель не только существенно увеличивает энергоемкость конструкции, но и повышает стабильность поведения конструкции за счет увеличения общей жесткости. В таблице 2 представлены расчетные значения энергоемкости и перемещений в различных трубках при осевом ударе.
Таблица 2
Расчетные значения энергоемкости и перемещений в различных трубках при осевом ударе
Расчетная модель Энергоемкость, кДж/м Перемещение, м
С двумя отверстиями диаметром 20 мм С тройными внешними вы-штамповками С двумя отверстиями диаметром 20 мм С тройными внешними вы-штамповками
С пенным наполнителем 131,72 37,28 0,03 0,106
Без пенного наполнителя 19,20 20,16 0,21 0,196
Выводы
1. Предложенная КЭМ обеспечивает моделирование с приемлемой для инженерных расчетов точностью (погрешность до 11%).
2. Использование пенного наполнителя позволяет значительно повысить энергоемкость сминаемых труб (в 1,6 раза) и уменьшить деформации (в 1,8 раз).
3. Использование пенного наполнителя позволяет существенно уменьшить влияние инициаторов деформаций (см. табл. 1).
Литература
1. Ahmad Z. Impact and Energy Absorption of Empty and Foam-filled Conical Tubes. School jf urban development Queensland University of technology. 2009.
2. Зузов И.В. Моделирование продольного смятия передних лонжеронов кузова легкового автомобиля с учетом инициаторов деформаций // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2011. № 1. С. 34—37.
Статья поступила в редакцию 15.12.2012
