 |
MODELAREA FENOMENELOR DE IMPACT ALE AUTOVEHICULELOR |
| CUPRINS: 1. Sisteme de siguranţă activă şi pasivă ale autovehiculelor........................ 1.1. Introducere............................................................................................. 1.2. Conceptul de siguranţă a circulaţiei şi posibilităţile de optimizare a acesteia....................................................................................................... 1.2.1. Măsuri de siguranţă activă.......................................................... 1.2.2. Măsuri de siguranţă pasivă.......................................................... 1.2.3. Sisteme de siguranţă pasivă în habitaclul autovehiculului.......... 1.2.3.1. Sisteme de centuri de siguranţă..................................... 1.2.3.2. Scaunele - sisteme de siguranţă pasivă......................... 1.2.3.3. Sisteme airbag................................................................ 1.2.4. Protecţia pietonilor...................................................................... 1.2.5. Integrarea conceptelor de siguranţă activă şi pasivă prin implementarea sistemelor inteligente............................................ 1.3. Metode şi mijloace de investigare a gradului de siguranţă pasivă a autovehiculelor........................................................................................... 1.3.1. Principalele reglementări legislative referitoare la siguranţa pasivă................................................................................. 1.3.2. Clasificarea metodelor pentru studiul siguranţei pasive............. 1.3.3. Metode şi mijloace pentru cercetarea experimentală a siguranţei pasive................................................................................. 1.3.3.1. Procedura încercării la coliziune frontală...................... 1.3.3.2. Procedura încercării planşei de bord.............................. 1.3.4. Metode şi mijloace pentru cercetarea prin simulare a siguranţei pasive................................................................................. 2. Evaluarea gradului de vătămare a corpului ocupantului. Indici de performanţă la protecţia acestuia................................................... 2.1. Introducere............................................................................................. 2.2. Scurtă istorie a biomecanicii impactului................................................ 2.3. Mecanismele rănirilor corpului uman în cazul coliziunilor frontale..... 2.3.1. Cazul ocupantului nereţinut de către sistemele de reţinere la coliziunea frontală............................................................................. 2.3.2. Cazul ocupantului reţinut de către sistemele de reţinere la coliziunea frontală............................................................................. 2.4. Biomecanica vătămării corpului uman.................................................. 2.5. Limitele toleranţelor la vătămare ale corpului uman............................. 2.6. Criterii de vătămare a capului................................................................ 2.7. Criterii de vătămare a celorlalte zone ale corpului uman...................... 2.8. Determinarea criteriilor de performanţă la încercările de coliziune frontală şi laterală.......................................................................................... 2.8.1. Procedurile de determinare a criteriilor de performanţă la coliziunea frontală............................................................................. 2.8.1.1. Criteriul de performanţă la protecţia capului................. 2.8.1.2. Criteriile de leziune a gâtului......................................... 2.8.1.3. Criteriul de compresiune a toracelui şi criteriul de vâscozitate.............................................................................. 2.8.1.4. Criteriul forţei femurului............................................... 2.8.1.5. Criteriul forţei de compresiune a tibiei şi indexul tibiei............................................................................ 2.8.1.6. Procedura de calcul a criteriului de vâscozitate pentru manechinul Hybrid III..................................................... 2.8.2. Procedurile de determinare a criteriilor de performanţă la coliziunea laterală.............................................................................. 2.8.2.1. Criteriul de performanţă la protecţia capului................. 2.8.2.2. Criteriile de performanţă la protecţia zonei toracice..... 2.8.2.3. Criteriul de performanţă la protecţia abdomenului........ 2.8.2.4. Criteriul de performanţă la protecţia pelvisului............. 2.8.2.5. Procedura de calcul a criteriului relativ la viscere pentru manechinul EuroSID-1.................................................... 3. Modele numerice pentru studiul impactului frontal al autovehiculelor............................................................................................. 3.1. Introducere............................................................................................. 3.2. Rigiditatea structurii autovehiculului..................................................... 3.2.1. Model uni-dimensional pentru studiul impactului frontal.......... 3.2.2. Model cu n grade de libertate pentru studiul impactului frontal.................................................................................. 3.2.3. Evaluarea rigidităţii structurii autovehiculului cu ajutorul modelelor numerice............................................................ 3.3. Aproximarea dependenţei rigidităţii structurii frontale de deformarea acesteia cu o funcţie matematică.................................................................. 4. Modele analitice pentru studiul mişcării corpului ocupantului în habitaclul autovehiculului în timpul impactului frontal.......................... 4.1. Introducere............................................................................................. 4.2. Modele ale corpului uman folosite în studiile de impact....................... 4.2.1. Modele ale corpului uman cu mase concentrate......................... 4.2.2. Modele multi-corp ale corpului uman......................................... 4.2.3. Modele cu elemente finite ale corpului uman............................. 4.2.4. Modele multi-corp versus modele cu elemente finite................. 4.3. Model simplificat pentru studiul mişcării ocupantului în habitaclu în timpul impactului frontal.......................................................................... 4.4. Model cu trei grade de libertate pentru studiul mişcării corpului ocupantului în habitaclu în timpul impactului frontal, când acesta nu este reţinut de centurile de siguranţă............................................................. 4.4.1. Rezolvarea modelului cu ajutorul ecuaţiilor lui Lagrange......... 4.4.2. Model Simulink-SimMechanics cu trei grade de libertate........... 4.5. Model cu patru grade de libertate pentru studiul mişcării corpului ocupantului în habitaclu în timpul impactului frontal, când acesta este reţinut de centurile de siguranţă.................................................................... 4.5.1. Rezolvarea modelului cu ajutorul ecuaţiilor lui Lagrange......... 4.5.2. Model Simulink-SimMechanics cu patru grade de libertate........ 4.5.3. Model cu patru grade de libertate bazat pe teoria Multi Body Systems............................................................................... 4.5.3.1. Coordonatele generalizate şi constrângerile cinematice.................................................................................. 4.5.3.2. Scrierea ecuaţiilor de mişcare folosind metoda multiplicatorilor Lagrange............................................ 4.5.3.3. Rezolvarea numerică a sistemului de ecuaţii diferenţiale................................................................................. 4.6. Model cu patru grade de libertate, cu frecare, bazat pe principiul lui D’Alembert.............................................................................................. 4.7. Calcularea vitezei teoretice de impact a capului cu planşa de bord....... 5. Modele pentru studiul impactului dintre capul ocupantului şi planşa de bord............................................................................................... 5.1. Introducere............................................................................................. 5.2. Noţiuni despre modelarea analitică a dinamicii impactului................... 5.2.1. Abordarea modelării impactului cu ajutorul mecanicii clasice................................................................................................... 5.2.2. Abordarea modelării impactului cu ajutorul teoriei propagării undelor elastice.................................................................... 5.2.3. Abordarea modelării impactului cu ajutorul mecanicii contactului............................................................................................ 5.2.4. Abordarea modelării impactului cu ajutorul teoriei deformării plastice.................................................................................................. 5.3. Modelarea impactului pe baza coeficientului de restituire. Modelul stereomecanic................................................................................. 5.4. Modelarea impactului pe baza dependenţei forţă - penetraţie............... 5.4.1. Relaţia forţă de contact - penetraţie............................................ 5.4.1.1. Modelul resort liniar...................................................... 5.4.1.2. Modelul Hertz................................................................ 5.4.2. Iniţierea curgerii plastice în cazul contactelor............................ 5.4.3. Disiparea vâscoasă...................................................................... 5.4.3.1. Modelele Kelvin-Voight şi Maxwell.............................. 5.4.3.2. Modelul Hertz cu element amortizor cu caracteristică neliniară (Model Hertz amortizat).............................................. 5.4.4. Frecarea în fenomenul de impact................................................ 5.4.5. Legătura dintre coeficientul de restituire şi disiparea în contacte............................................................................................. 5.5. Modelarea fenomenului de impact dintre cap şi planşa de bord............ 5.5.1. Analiza impactului capului uman în timpul evenimentelor de crash ale autovehiculului................................................................. 5.5.2. Model pentru analiza impactului dintre un cap flexibil şi un plan elastic.................................................................................... 5.5.3. Determinarea pulsaţiilor proprii ale vibraţiilor transversale ale plăcilor plane subţiri........................................................................ 6. Modele cu elemente finite pentru studiul impactului secundar al manechinului Hybrid III în habitaclul autovehiculului............................ 6.1. Introducere............................................................................................. 6.2. Descrierea manechinului fizic Hybrid III 50th bărbat............................ 6.3. Descrierea modelului cu elemente finite al manechinului Hybrid III 50th bărbat.................................................................................... 6.3.1. Metodologia de modelare............................................................ 6.3.2. Metodologia de testare................................................................ 6.3.3. Modelul capului şi validarea acestuia......................................... 6.3.4. Modelul gâtului şi validarea acestuia.......................................... 6.3.5. Modelul toracelui şi validarea acestuia....................................... 6.3.6. Modelul coloanei lombare şi validarea acestuia......................... 6.3.7. Modelul pelvisului şi validarea acestuia..................................... 6.3.8. Modelele membrelor şi validarea acestora.................................. 6.3.8.1. Modelul genunchiului.................................................... 6.3.8.2. Modelele membrelor...................................................... 6.3.8.3. Modelul mâinii............................................................... 6.3.8.4. Modelele gleznelor şi picioarelor.................................. 6.3.9. Ansamblul modelului complet al manechinului......................... 6.3.9.1. Asamblarea modelului................................................... 6.3.9.2. Instrumentaţia manechinului.......................................... 6.3.9.3. Sumarul elementelor modelului cu elemente finite....... 6.3.9.4. Masele componentelor manechinului............................ 6.3.9.5. Pasul de timp.................................................................. 6.3.9.6. Validarea modelului complet prin testul de impact cu pendulul asupra toracelui....................................................... 6.3.9.7. Validarea modelului complet al manechinului reţinut de centurile de siguranţă în cadrul testului cu sania dinamică........................................................................ 6.3.9.8. Validarea modelului complet al manechinului reţinut de airbag în cadrul testului cu sania dinamică................. 6.4. Modele numerice pentru simularea mişcării manechinului Hybrid III 50th în habitaclul autovehiculului şi a impactului capului fals cu planşa de bord.................................................................................... 6.4.1. Procedura de stabilire a condiţiilor iniţiale pentru simularea comportamentului cinematic al manechinului în habitaclu............................................................................................ 6.4.2. Modelul numeric cu elemente finite al planşei de bord.............. 6.4.3. Simularea mişcării manechinului Hybrid III 50th în habitaclul autovehiculului, în timpul impactului frontal................... 6.4.4. Simularea impactului dintre un cap fals şi planşa de bord.......... 7. Studiu experimental asupra impactului dintre un cap fals şi planşa de bord............................................................................................... 7.1. Introducere............................................................................................. 7.2. Stand conceput şi realizat pentru desfăşurarea impactului dintre un cap fals şi planşa de bord............................................................... 7.2.1. Dimensionarea pendulului.......................................................... 7.2.2. Descrierea standului.................................................................... 7.2.3. Avantajele şi dezavantajele prezentate de standul realizat......... 7.3. Efectuarea încercărilor şi prezentarea rezultatelor................................. Bibliografie....................................................................................................... |
|
| PREZENTARE: Lucrarea „Modelarea Fenomenelor de Impact ale Autovehiculelor”, înscrisă în cadrul general al creşterii siguranţei circulaţiei rutiere, care prin implicaţiile sale, reprezintă astăzi un domeniu cu o importanţă socială semnificativă, realizează prin conţinutul său conceperea şi rezolvarea unitară a unor modele analitice destinate studiului mişcării corpului ocupantului din habitaclu în timpul evenimentului de impact frontal al automobilului şi crearea unui mediu virtual de simulare destinat studiului impactului dintre cap şi planşa bord cu simularea evenimentului de impact. |
|
| PREFATA: Competiţia acerbă la care sunt supuşi fabricanţii de autovehicule şi în mod particular constructorii de autoturisme, care intră într-un mediu concurenţial extrem de dinamic în ceea ce priveşte cererea pieţei şi cadrul legislativ, impune ca pe o necesitate imperativă reducerea timpului de trecere de la idee la produs şi o creştere a flexibilităţii activităţilor de dezvoltare şi producţie a noilor tipuri de autovehicule. În acest sens s-a impus reducerea sensibilă a cercetărilor experimentale de laborator în favoarea ingineriei conceptuale şi studiului validării virtuale. Deşi nu s-a ajuns la automobilul 100% simulat numeric, progresul informatic a redus substanţial frontiera dintre real şi virtual în sensul că mediul virtual tinde să devină realitate. În sensul celor de mai sus lucrarea „Modelarea Fenomenelor de Impact ale Autovehiculelor”, înscrisă în cadrul general al creşterii siguranţei circulaţiei rutiere, care prin implicaţiile sale, reprezintă astăzi un domeniu cu o importanţă socială semnificativă, realizează prin conţinutul său conceperea şi rezolvarea unitară a unor modele analitice destinate studiului mişcării corpului ocupantului din habitaclu în timpul evenimentului de impact frontal al automobilului şi crearea unui mediu virtual de simulare destinat studiului impactului dintre cap şi planşa bord cu simularea evenimentului de impact. În cadrul acestei lucrări autorul face o selecţie a elementelor şi a factorilor care influenţează conceptul de securitate al automobilelor pornind de la constatarea că deşi evenimentul nedorit numit „accident de circulaţie” are o apariţie aleatore, el nu este întâmplător, iar analizele efectuate de-a lungul timpului au condus la concluzia că prin asigurarea unor condiţii minimale, acesta poate fi evitat sau, dacă, totuşi s-a produs, efectele sale pot fi diminuate, evidenţiind importanţa cunoaşterii mecanismelor de vătămare în timpul accidentelor rutiere a diferitelor zone ale corpului uman, precum şi a răspunsului biomecanic al corpului ocupantului în timpul acestor evenimente. De asemenea, subliniază importanţa cunoaşterii cinematicii corpului ocupantului, a factorilor care determină mişcarea acestuia în habitaclu în timpul evenimentului de impact considerat, precum şi a suprafeţelor din interior succeptibile de a fi impactate de către ocupant cu diferite zone ale capului, concluzionând că modelarea cu elemente finite în raport cu modelele multi-corp este cea mai potrivită pentru analiza comportamentului structurii corpului uman, întrucât oferă capabilitatea de a descrie local deformaţiile structurale şi distribuţia tensiunilor, ceea ce permite studiul mecanismelor vătămărilor parţilor corpului uman. Sunt prezentate apoi noţiuni despre modelarea analitică a dinamicii impactului, considerat ca evenimentul anulării energiei cinetice fără schimbarea poziţiei, identificându-se patru modalităţi principale de abordare a studiului, bazate pe legile specifice ale mecanicii clasice, teoriei propagării undelor elastice; mecanicii contactului şi teoriei deformării plastice, identificând principalele direcţii de aplicabilitate ale fiecărei teorii, cu recomandarea ca în funcţie de scopul cercetării să se aleagă cea mai potrivită metodă de studiu, astfel încât modelul adoptat să depăşească dificultăţile legate de expresia ecuaţiei forţei de impact şi de identificarea parametrilor acesteia. Dacă pentru analiza răspunsului dinamic al corpului uman care impactează o suprafaţă din exteriorul autovehiculului au fost dezvoltate o serie de studii, bazate în principal pe metode de analiză cu elemente finite, a căror finalitate o reprezintă identificarea căilor de minimizare a severităţii rănirii capului prin impact , impactul cu suprafeţele interioare ale habitaclului a fost mai puţin investigat, autorul prezentând în această lucrare evaluarea răspunsului dinamic al capului în cazul impactului cu suprafeţe din habitaclu cu ajutorul unui model dinamic vibrator, cu mase concentrate, format dintr-un impactor flexibil - care simulează capul - şi un plan elastic - care simulează planşa bord. În concordanţă cu structura lui biologică, capul uman este modelat din două mase şi anume: masa scalpului şi parţii osoase a capului şi masa conţinutului cutiei craniene, legate printr-un element de tip elastic cu amortizare cu o rigiditate echivalentă capului şi coeficientul de amortizare dintre scalp si creier. De asemenea, planşa bord considerată ca un plan elastic, este redusă la un model vibrator format dintr-o masă suspendată pe un element elastic cu amortizare. Aplicând legea fundamentală a mecanicii pentru modelul mecanic echivalent al sistemului format din cele trei mase în faza cuplării părţii osoase a capului cu masa planşei bord, este obţinut un sistem de două ecuaţii diferenţiale, din rezolvarea căruia calculează, pentru diverse valori ale vitezei de impact a capului, pulsaţiile proprii, deformarea creierului în cutia craniană, deformarea planşei bord, acceleraţia de impact a creierului în cutia craniană, acceleraţia de impact a părţii osoase şi forţa dinamică de impact a capului şi face comentarii în raport de valorile determinate şi limitele prevăzute în regulamente şi în criteriile de vătămare Limitările pe care le prezintă modelele cu parametri concentraţi şi de tip multi-corp în simularea impactului secundar al manechinului tridimensional în habitaclul autovehiculului motivează oportunitatea studiului pe modele virtuale şi ajută la identificarea atributelor cheie ale modelării cu elemente finite, precum şi a principalele obiective urmărite la dezvoltarea unui astfel de model. Astfel, pornind de la caracteristicile manechinului fizic, este descris procesul de modelare pentru principalele segmente ale manechinului Hybrid III 50th bărbat, după care sunt prezentate procedurile de simulare ale mişcării manechinului în habitaclu în timpul evenimentului de impact frontal şi al impactului capului fals cu planşa bord. Acest studiu debutează cu prezentarea procedurii de stabilire a condiţiilor iniţiale pentru simularea comportamentului cinematic al manechinului în habitaclu, prezintă imagini cu mediul virtual utilizat pentru simulare, precum şi modul în care acesta este asamblat în interiorul automobilului. Sunt prezentate rezultatele simulării numerice a cinematicii manechinului Hybrid III 50th în habitaclul automobilului care impactează o barieră nedeformabilă cu viteza de 54 km/h. Compararea rezultatelor obţinute aplicând modelul numeric de simulare cu cele obţinute prin utilizarea modelului cu parametri concentraţi permite autorului să constate o bună similitudine între ele, diferenţele de traiectorii fiind datorate absenţei unor elemente în modelul cu parametri concentraţi. Totodată este prezentată simularea fenomenului de impact dintre capul fals şi planşa bord, când manechinul se mişcă liber, fără constrângeri faţă de scaun şi respectând prevederile regulamentului european care stabileşte criteriile de desfăşurare a acestei proceduri. În ultima parte a lucrării autorul prezintă o investigare experimentală a încercării planşei de bord prin desfăşurarea fenomenului de impact al acesteia cu un cap fals, descriind instalaţia şi aparatura de măsurare şi înregistrare, specificând principalele caracteristici tehnice ale lanţului de măsurare, încercările efectuate şi rezultatele obţinute. Concluziile desprinse din această lucrare deschid perspective pentru abordarea unor teme de cercetare - dezvoltare din industria de automobile destinate sporirii gradului de siguranţă a circulaţiei. Lucrarea „Modelarea Fenomenelor de Impact ale Autovehiculelor”, constituie un instrument de studiu într-un domeniu interdisciplinar de înalt nivel ştiinţific, cu largi aplicaţii în proiectarea sistemelor mecanice. Bazată pe o bogată documentare în actualitatea din domeniul construcţiei de automobile, cartea este destinată, în primul rând, specialiştilor formaţi care lucrează în domeniul construcţiei şi utilizării automobilelor dar şi studenţilor, masteranzilor şi doctoranzilor de la programele de studii universitare de autovehicule rutiere. |
|
| CUVINTE CHEIE: |