Моделирование поведения тонкостенных труб с металлическим усилителем при ударном нагружении применительно к решению задач пассивной безопасности

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ УСИЛИТЕЛЕМ ПРИ УДАРНОМ НАГРУЖЕНИИ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Сулегин Дмитрий Андреевич

аспирант, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана,

РФ, г. Москва

Зузов Валерий Николаевич

д-р техн. наук, проф., Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана,

РФ, г. Москва

BEHAVIOR MODELING OF THIN-WALLED PIPES WITH A METAL AMPLIFIER IN IMPACT LOADING AS APPLIED TO SOLVING PROBLEMS OF PASSIVE SAFETY

Dmitry Sulegin

Postgraduate student, Moscow State Technical University named after N.E. Bauman, Russia, Moscow

Valery Zuzov

Doctor of Technical Sciences, Professor, Moscow State Technical University named after N.E. Bauman, Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены вопросы, связанные с выбором эффективного конечно-элементного моделирования тонкостенных труб с металлическим усилителем (имитирующими усилители дверей и порогов автомобиля) при ударном режиме нагружения. Объектами исследований являются полые тонкостенные трубы и трубы, усиленные вставкой в виде ромба. Для верификации теоретических положений проведены испытания на испытательной машине копёр. Представлены результаты расчетов прочности и жесткости для разных по сложности конечно-элементных моделей полой трубы и трубы с усилителем, выполненных численными методами, и результаты эксперимента (погрешность расчетов не превышает 3%). Показано, что наилучшим с точки зрения точности является моделирование конечно-элементной модели высшего уровня (размер конечного элемента составляет 5% от длины трубы), а модели среднего уровня приемлемы для многовариантных и оптимизационных расчётов.

ABSTRACT

The issues related to the choice of effective of finite - element modeling of thin-walled pipes with a metal amplifier (simulating amplifiers of doors and thresholds of cars) in impact loading mode are considered. The objects of research are hollow thin-walled pipes and pipes reinforced with a diamond-shaped insert. Tests were carried out on a pile driver testing machine to verify the theoretical provisions. The results of calculations of strength and stiffness for finite-element models of a hollow tube and a tube with an amplifier of different complexity, performed by numerical methods, and the results of an experiment (the calculation error does not exceed 3%) are presented. It is shown that the best is the modeling of the highest level finite-element model from the point of view of accuracy (the size of the finite element is 5% of the pipe length), and the middle level models are acceptable for multivariate and optimization calculations.

Ключевые слова: энергоёмкость, труба, конечный элемент, удар, верификация.  

Keywords: energy intensity, a pipe, a finite element, an impact, verification.

Задача обеспечения требуемой энергоемкости боковой части легкового автомобиля при боковом ударе весьма сложная и многогранная [1]. Обычно у конструктора в этом случае не так широк диапазон возможностей по изменению конструкции (с учетом компоновки, требований по минимальной массе, расстояния между дверными панелями и др.). При боковом ударе наибольший вклад в поглощение энергии вносит дверь автомобиля и её усилители (балки) [2]. Балки двери представляют собой сложную тонкостенную пространственную конструкцию замкнутого (обычно круглого) профиля. 

Основной проблемой при ударном режиме нагружения кузовов автомобилей является потеря несущей способности из-за образования пластических шарниров в зоне контакта или в местах резкого изменения жесткости. 

Как отмечалось, при боковом ударе основную долю энергии кузова автомобиля воспринимает дверь, которая преимущественно работает на изгиб и смятие, что приводит к уменьшению изгибной жесткости. В связи с этим изменение формы поперечного сечения усиливающих балок двери автомобиля представляет большой интерес [3,4,5].  Для оценки границ применимости КЭМ, погрешностей решений в данной работе использовался эксперимент по ударному нагружению тонкостенной трубы.

Цель данной работы заключается в выборе эффективных способов конечно-элементного моделирования поведения тонкостенных труб с металлическим усилителем (типа усилителей двери и порогов) и исследования их поведения при ударном режиме нагружения, а также верификация разработанных моделей применительно к задачам пассивной безопасности автомобилей.

Полученные результаты в дальнейшем будут применяться для оценки и предсказания поведения конструкций тонкостенных труб с учетом конструктивных факторов при виртуальном моделировании.

С целью верификации были проведены натурные эксперименты следующих образцов:

• полая труба (диаметр 88,9мм, длина 1000 мм, толщина стенок 1,5 мм);
• труба, усиленная ромбом (60*60мм; толщина 1,2мм).

Испытания на удар проводились на универсальной испытательной машине копёр.  Схема испытания и универсальная машина показаны на рисунке 1.

Труба располагалась на опорах, расстояние между которыми составляет 890 мм. С высоты 2,5 метра падает ударный элемент массой 22,3 кг и размерами ударной поверхности 102х97,5мм.

Рисунок 1. Испытательная машина

Картина деформированного состояния труб в результате эксперимента показана на рис.., а результаты эксперимента в таблице №1.

а                                                 б

Рисунок 2.  Деформированный вид тонкостенных труб: а – полая труба, б – труба с ромбом внутри.

На основе проведенных расчетов выявлено, что усиление тонкостенной трубы ромбом позволяет снизить деформацию трубы с 35 мм до 15 мм.

В данной работе были созданы КЭМ труб с идентичными геометрическими характеристиками, и поставленная задача решалась с помощью программы LS-DYNA в явной постановке методом конечных элементов. Были проведены расчеты удара тонкостенной полой трубы и трубы усиленной ромбом внутри с различной конфигурацией сетки КЭ: грубая сетка (размер КЭ составляет 15% от длины трубы), средняя сетка (размер КЭ составляет 10% от длины трубы), мелкая сетка (размер КЭ составляет 5% от длины трубы) (рис.3 и рис.4) и проводилось сравнение с результатами экспериментов. Использовались оболочечные КЭ типа Shell (формулировка Белычко-Цая с пятью точками интегрирования по толщине). Материал трубы стали 08Х18Н10 (аналог AISI 304).

                   а                                                              б

в

Рисунок 3. Расчётная схема и КЭМ полой трубы:

а – размер КЭ 15мм, б – размер КЭ 10 мм, в – размер КЭ 5 мм.

а                            б

в

Рисунок 4. Расчётная схема и КЭМ трубы с ромбом внутри:

а – размер КЭ 15мм, б – размер КЭ 10 мм, в – размер КЭ 5 мм.

Картины деформированного состояния показаны на рисунке 5 и 6.

а                                                                             б

в

Рисунок 5. Деформированный вид полой трубы:

а – размер КЭ 15мм, б – размер КЭ 10 мм, в – размер КЭ 5 мм

а                                                                     б

   в

Рисунок 6. Деформированный вид трубы усиленной ромбом:

а – размер КЭ 15мм, б – размер КЭ 10 мм, в – размер КЭ 5 мм

Результаты расчета показали, что наибольшей точностью обладает модель с мелкой сеткой (погрешность по перемещениям не превысила 1% для полой трубы и 2,7% для трубы с ромбом). Средней точностью (погрешность по перемещениям не превышает 7% для полой трубы и 10,3% для трубы с ромбом) обладает модель с комбинированной сеткой. Наихудшие результаты показала модель с грубой сеткой (погрешность составила 16%).

Сравнение значений деформаций труб, полученные экспериментально и расчетным путем, представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты исследования

Выводы:

1. Предложены варианты рациональных конечно-элементных моделей тонкостенных труб. Эти модели обеспечивают моделирование с приемлемой для инженерных расчетов точностью (погрешность до 1%).

2. На основе проведённых исследований рекомендовано для проведения многовариантных расчётов использовать мелкую сетку.

Список литературы:

1. Guang D, Dazhi W, Jinhuan Z, Shilin H. Side structure sensitivity to passenger car crashworthiness during pole side impact analysis of passenger car side. Tsinghua Sci Technol 2007;12:290–5.
2. Зузов, В.Н. Исследование влияния на энергоёмкость основных силовых элементов кузова автомобиля в зоне бокового удара / В.Н. Зузов, Д.А. Сулегин // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение». – 2020. – Т. 20, № 4. – С. 20–34. DOI: 10.14529/engin200403
3. Investigation of anti-intrusion beams in vehicle side doors’ by E. Cerniauskas, A. Kersys, V. LukoSevicius, J. Sapragonas. Mechanika 2010.
4. Modelling, Analysis and Comparative Study of Side Impact Beam” by HarijonoDjojodihardjo, Soo Lin Khai. International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT), November 2013
5. Crashworthiness evaluation of side-door beam of vehicle’ by T. L. Teng K. C. Chang, T.H. Nguyen. Technische Mechanika October 2007.