Розрахунково-експериментальний метод оцiнювання енергопоглинальних властивостей елементiв пасивної безпеки автомобiлiв для спорту

Сергiєнко, Олександр Володимирович

Розрахунково-експериментальний метод оцiнювання енергопоглинальних властивостей елементiв пасивної безпеки автомобiлiв для спорту

Дата

2018

Автори

Сергiєнко, Олександр Володимирович

Анотація

Дисертація присвячена розробці методу оцінювання енергопоглинальних властивостей елементів пасивної безпеки виготовлених з композиційних матеріалів. Також виконана робота по оцінки енергоємності різних композиційних матеріалів та їх порівняння з точки зору енергопоглинання. Актуальність дисертаційної роботи визначається необхідністю раціонального підбору матеріалів та конструкції елементів пасивної безпеки на ранніх стадіях проектування. Актуальним науково-прикладним завданням є розробка моделей оцінювання важкості травмування людини під час аварії на стадії ескізного проектування для модернізації вже існуючих і формування нових функціональних завдань, що надалі вимагатиме розроблення методів оцінювання енергопоглинальних властивостей елементів пасивної безпеки спортивного автомобіля на стадії ескізного проектування. Було виконано аналіз задачі розробки розрахунково-експериментального методу оцінки енергопоглинальних властивостей елементів пасивної безпеки автомобілів для спорту, встановлено що проблема оцінки рівня пасивної безпеки вирішується або на етапі моделювання зіткнення методом кінцевих елементів за допомогою точних трьовимірних моделей, або проведення натурних експериментів з експериментальними зразками. На етапі ескізного проектування параметри елементів пасивної безпеки беруться або на основі аналогів або опираючись на стару конструкцію. Це призводить до збільшення часу на оптимізацію конструкції. 3 Проведення статистичного аналізу виявило що більшість аварій приходиться на носову структуру безпеки, при цьому необхідно поглинати максимальну кількість кінетичної енергії. Удари збоку не е найважчими для спортивних автомобілів які мають розвинену бічну структуру енергопоглинання, фронтальні удари під кутом більше за 30 градусів призводять до зміни траєкторії руху автомобіля та його поступового поглинання енергії під час ковзання. Математична модель зіткнення автомобіля ґрунтується на тому, що вся кінетична енергія автомобіля витрачається на руйнування енергопоглинального елемента пасивної безпеки. Це справедливо для спортивного автомобіля у якого при фронтальному зіткненні руйнується тільки елемент пасивної безпеки. Було введено поняття питомої енергоємності яке характеризує кількість кінетичної енергії, що поглинається матеріалом конструкції при руйнуванні. Питома енергоємність визначається експериментальним шляхом за допомогою зразків виготовлених з аналогічного матеріалу при цьому напрямок удару є перпендикулярним щодо оболонки що відповідає реальним енергопоглинальним елементам. Як критерій оцінки безпеки автомобіля при аварії застосовуються критерії ймовірності травмування. Для розрахунку такого критерію необхідно знати уповільнення які діють на людину під час зіткнення. Для визначення вповільнень була запропонована тримасова модель людини. Така модель описує рух людини під час фронтального зіткнення, вона враховує геометричні характеристики посадки і антропометричні дані людини, в моделі окремо опис поясні і плечові ремені безпеки а також змодельована система запобігання травмуванню шиї HANS яка застосовується в спортивних автомобілях. Приводиться алгоритм застосування методу на початковому етапі проектування автомобіля, розглянуті питання перспектив застосування конструкцій з композитних матеріалів у масовому автомобілебудуванні. За допомогою запропонованого методу на початковому етапі проектування стає можливим визначити кількість шарів армую чого матеріалу у перерізі 4 конструкції елемента пасивної безпеки, проводиться оцінка уповільнення автомобіля, оснащеного таким енергопоглинальним елементом під час проходження стандартного тесту FIA на фронтальний удар. Наведено приклад використання пропонованого методу при проектуванні носового енергопоглинального елемента й оцінки його відповідності технічним вимогам. У прикладі здійснено добір шарів армуючого матеріалу з умов заданої форми носового елементу проектуємого автомобіля та вимог до уповільнення під час фронтального тесту з удару. Вибір параметрів носового енергопоглинального елемента найбільш задовільне вимогам до енергопоглинального елементу та являється оптимальним рішенням на етапі початкового проектування. Під час аналізу є змога побудувати криву уповільнення під час фронтального зіткнення автомобіля з таким енергопоглинальним елементом. Приведені результати експериментальних досліджень. Докладно описана розроблена установка для проведення випробувань з удару, а, також реєструвальний комплекс для запису параметрів у процесі удару. Описані експерименти з визначення питомої енергоємності композитних матеріалів які проводилися під час виконання роботи. У ході експериментів встановлено, що питома енергоємність не залежить від початкової швидкості зіткнення й маси рухливої частини, питома енергоємність вуглепластику становить 60 Дж/г, що приблизно в три рази вище, чим показники склопластику. Отримані значення питомої енергоємність вуглекомпозиту складають 60 Дж/г, склопластику 22 Дж/г. Таким чином, енергопоглинальні елементи на основі вуглепластику мають значні переваги в порівнянні з конструкціями із традиційних матеріалів. Крім цього було проведено експеримент для визначення впливу кута удару на питому енергоємність, у ході експерименту встановлено, що зразок мав подібний характер руйнування як і під час удару під прямим кутом, зміна значення питомої енергоємності незначна й лежить у межах погрішності. Для перевірки адекватності пропонованого методу був виготовлений зразок носового елемента пасивної безпеки. Він являв собою прямокутну трубу, 5 що має звуження до передньої частини й сендвічні стінки. Зовнішня й внутрішня оболонки виготовлені з вуглепластику з розташованим між ними прошарком з пінополіуретану, така конструкція є найпоширенішою серед елементів пасивної безпеки що застосовуються у спортивних автомобілях. Похибка даних отриманих за допомогою розробленої моделі та натурних експериментів склала в середньому 5% і не перевищувала 10%, що підтверджує адекватність запропонованої моделі. Розроблена математична модель поведінки людини при ударі адекватно описує переміщення людини при ударі, пристебнутого ременями безпеки і використовує систему захисту голови HANS. Аналіз моделі дозволив виявити характерні залежності ймовірності травмування людини від посадки в автомобілі. Було встановлено що збільшення нахилу спинки сидіння більше 30 градусів призводить до виникнення ефекту піднирювання під поясний ремінь. При використанні в автомобілі крісла з кутом нахилу більше 30 градусів необхідно застосування подушки сидіння з великим нахилом для сприйняття частини навантаження і обмеження переміщення людини. Різниця критерію тяжкості травмування HIC між посадкою з нахилом спинки в 20 градусов і 45 градусів склала 18% при уповільненні відповідному вимогам FIA до фронтального зіткнення, ймовірність травмування знижується при збільшенні кута нахилу сидіння. До інноваційних, отриманих особисто автором, слід віднести такі результати: Вперше одержано: – розроблено динамічну модель взаємодії водія й автомобіля в процесі зіткнення, яка на відміну від існуючих, дозволяє оцінити ймовірність і важкість ушкоджень людини під час аварії, враховує антропометричні дані, ергономічні особливості автомобіля, утримуючу систему спортивного автомобіля й систему захисту шиї й голови водія; – розроблено метод який дозволяє визначити показники значення питомого енергопоглинання для композитних матеріалів, що на відміну від 6 отриманих за традиційним методом, можна застосовувати для проектування елементів пасивної безпеки. Удосконалено: – розрахунково-експериментальний метод оцінювання енергопоглинальних властивостей елементів пасивної безпеки на стадії ескізного проектування за рахунок використання тримасової динамічної моделі людини, що дозволяє більш точно оцінювати важкість і ймовірність травмування людини під час аварії; – динамічну модель руйнування елементів пасивної безпеки в частині використання величини енергоємності структур з композитних матеріалів, яка дозволяє відмовитися від витратних натурних випробувань прототипів виробів. Набуло подальшого розвитку: – тримасова динамічна модель оцінювання важкості аварії на людину, з урахуванням особливостей спортивних автомобілів, у напрямку визначення ефективних рішень з урахуванням особливостей структури пасивної безпеки спортивних автомобілів. Результати дисертаційної роботи упроваджені для подальшого використання в перспективних розробках підприємства «Харківський автомобільний завод», підприємства ВАТ «Український інститут автобусотролейбусобудування» ВАТ «УКРАВТОБУСПРОМ», підприємством «Навигатор».

Ключові слова

пасивна безпека, фронтальне зіткнення, енергопоглинання, композіційни матеріали, питома енергомісткість, елементи пасивної безпеки

Бібліографічний опис

Сергiєнко, Олександр Володимирович. Розрахунково-експериментальний метод оцiнювання енергопоглинальних властивостей елементiв пасивної безпеки автомобiлiв для спорту : дис. ... доктора техн. наук : 05.22.02 - автомобiлi та трактори, 27 - транспорт [Електронний ресурс] / Сергiєнко Олександр Володимирович ; М-во освiти i науки України, ХНАДУ. - Харкiв, 2018. - 184 с.