А. Ю. Муйземнек
Применение компьютерного
моделирования для оценки стойкости
автомобиля к ударным нагрузкам
В шести частях
Часть 1
Компьютерные модели манекенов и элементов системы
обеспечения пассивной безопасности автомобиля
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области
транспортных машин и транспортно-технологических
комплексов в качестве учебного пособия для студентов
вузов, обучающихся по специальности
«Автомобиле- и тракторостроение»
Пенза
Издательство ПГУ
2012
УДК 656.13.08
М89
Р е ц е н з е н т ы:
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Эксплуатация автомобильной техники»
Пензенского государственного университета архитектуры и строительства,
действительный член Российской академии транспорта <...> М89
Применение компьютерного моделирования для оценки
стойкости автомобиля к ударным нагрузкам : учеб. пособие :
в 6 ч. <...> Компьютерные модели манекенов и элементов системы обеспечения пассивной безопасности автомобиля / <...> ISBN 978-5-94170-528-3
Учебное пособие написано в соответствии с новыми учебными
программами и продолжает общий цикл практических работ по дисциплинам «Безопасность транспортных средств», «Расследование и экспертиза ДТП», «Биомеханика ДТП». <...> Стоимость одного краш-теста автомобиля составляет 150–200 тыс. долл., а экспериментальной модели автомобиля – до 2 млн долл. <...> Для компьютерного моделирования поведения автомобиля при
различных видах ДТП автопроизводителями, научно-исследовательскими и экспертными организациями используются такие программы,
как LS-DYNA, Abaqus, Mark, MSC-Dytran, PAM-Crash, PC-Crash,
4
CARAT. <...> Несмотря на достаточно высокую точность результатов компьютерного моделирования процесса ДТП автомобиля в целом и
системы обеспечения пассивной безопасности автомобиля в частности, на стадии разработки автомобиля, например, при сертификационных испытаниях автомобиля на пассивную безопасность, используются экспериментальные методы. <...> В качестве основных приняты следующие методы <...>
«Применение_компьютерного_моделирования_для_оценки_стойкости_автомобиля_к_ударным_нагрузкам»_Ч.1.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Пензенский государственный университет» (ПГУ)
А. Ю. Муйземнек
Применение компьютерного
моделирования для оценки стойкости
автомобиля к ударным нагрузкам
В шести частях
Часть 1
Компьютерные модели манекенов и элементов системы
обеспечения пассивной безопасности автомобиля
Допущено УМО вузов РФ по образованию в области
транспортных машин и транспортно-технологических
комплексов в качестве учебного пособия для студентов
вузов, обучающихся по специальности
«Автомобиле- и тракторостроение»
Пенза
Издательство ПГУ
2012
Стр.1
УДК 656.13.08
М89
Р е ц е н з е н т ы:
доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой «Эксплуатация автомобильной техники»
Пензенского государственного университета архитектуры и строительства,
действительный член Российской академии транспорта
В. В. Салмин
доктор технических наук, профессор
Пензенского филиала Военной академии материально-технического
обеспечения им. генерала армии А. В. Хрулёва
В. Я. Савицкий
М89
Муйземнек, А. Ю.
Применение компьютерного моделирования для оценки
стойкости автомобиля к ударным нагрузкам : учеб. пособие :
в 6 ч. Ч. 1. Компьютерные модели манекенов и элементов системы
обеспечения пассивной безопасности автомобиля /
А. Ю. Муйземнек. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. – 126 с.
ISBN 978-5-94170-529-0 (1 ч.)
ISBN 978-5-94170-528-3
Учебное пособие написано в соответствии с новыми учебными
программами и продолжает общий цикл практических работ по дисциплинам
«Безопасность транспортных средств», «Расследование и экспертиза
ДТП», «Биомеханика ДТП». Содержит описание способов
использования компьютерного моделирования для оценки стойкости
автомобиля к ударным нагрузкам.
Подготовлено на кафедре «Транспортные машины» ПГУ и предназначено
для студентов специальностей 190012 «Автомобиле- и тракторостроение»
и 190702 «Организация и безопасность движения» очной
и заочной форм обучения.
УДК 656.13.08
ISBN 978-5-94170-529-0 (1 ч.)
ISBN 978-5-94170-528-3
2
© Пензенский государственный
университет, 2012
Стр.2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение .................................................................................................... 4
1. Методы экспериментальных исследований пассивной
безопасности автомобиля ........................................................................ 7
1.1. Статистический метод ...................................................................... 7
1.2. Метод полномасштабных испытаний ............................................. 8
1.3. Методы испытания отдельных компонентов и систем
в условиях частичной имитации ДТП ................................................... 17
1.4. Методы испытаний отдельных элементов системы
обеспечения внутренней пассивной безопасности ............................... 23
2. Компьютерные модели манекенов ..................................................... 29
2.1. История разработки манекенов ....................................................... 33
2.2. Основные компьютерные модели манекенов ................................ 37
2.3. Тестирование моделей манекенов и их элементов ........................ 46
3. Компьютерные модели автомобилей ................................................. 49
3.1. История разработки компьютерных моделей автомобилей ......... 49
3.2. Направления совершенствования компьютерных моделей
автомобилей .............................................................................................. 50
4. Компьютерные модели подушек безопасности ................................ 52
4.1. Моделирование газогенератора ....................................................... 53
4.2. Моделирование ткани ....................................................................... 58
4.3. Геометрия подушки безопасности в исходном
и сложенном положениях ........................................................................ 59
4.4. Аэродинамические эффекты ............................................................ 62
4.5. Потери массы в подушке .................................................................. 66
4.6. Тестирование компьютерных моделей подушек
безопасности ............................................................................................. 67
5. Компьютерные модели ремней безопасности .................................. 70
6. Моделирование деформируемых барьеров ....................................... 75
7. Критерии повреждаемости .................................................................. 80
8. Компьютерное моделирование столкновения автомобиля ............. 90
8.1. Моделирование бокового удара ...................................................... 90
8.2. Использование в моделях компонентов ......................................... 95
9. Качество компьютерных моделей ...................................................... 98
9.1. Обеспечение качества компьютерных моделей на этапе
их создания ............................................................................................... 98
9.2. Оценка качества компьютерных моделей на этапе
обработки результатов моделирования ................................................ 101
Заключение ............................................................................................... 106
Список литературы .................................................................................. 107
Приложение .............................................................................................. 108
3
Стр.3
Введение
Для исследования процесса функционирования системы обеспечения
пассивной безопасности автомобиля, оценки ее эффективности
и соответствия существующим нормам используются расчетные,
экспериментальные и расчетно-экспериментальные методы.
Оценка эффективности системы обеспечения пассивной безопасности
проводится при всех основных видах столкновений – фронтальном
и боковом, ударе сзади и опрокидывании.
Расчетные методы.
В настоящее время в связи с активным внедрением на предприятиях
автомобильной промышленности компьютерных технологий
и развитием систем автоматизированного инженерного анализа
(CAE-систем) расчетные методы приобрели большую значимость,
нежели раньше. Достаточно высокая точность компьютерного моделирования
позволяет уже на стадии проектирования оценить поведение
элементов системы обеспечения пассивной безопасности и
нагрузки, действующее на человека, что значительно повышает эффективность
как процесса разработки автомобиля в целом, так и оптимизации
параметров отдельных частей, включая элементы системы
обеспечения пассивной безопасности.
В последнее время компьютерные методы прогнозирования
поведения автомобиля в различных видах дорожно-транспортного
происшествий (ДТП) занимают все больше времени, отведенного на
разработку автомобиля. Мировые автопроизводители имеют в своем
арсенале мощнейшие вычислительные и программные средства для
дополнения натурных экспериментов виртуальными испытаниями.
Использование CAE-систем позволяет также снизить затраты на
проведение испытаний как отдельных узлов автомобиля, так и всего
автомобиля в целом, так называемых краш-тестов. Стоимость одного
краш-теста автомобиля составляет 150–200 тыс. долл., а экспериментальной
модели автомобиля – до 2 млн долл. Компьютерное моделирование
краш-теста (виртуальный краш-тест) стоит 5–7 тыс. долл.
При разработке новой модели автомобиля производители проводят
150–200 виртуальных краш-тестов и 5–6 реальных.
Для компьютерного моделирования поведения автомобиля при
различных видах ДТП автопроизводителями, научно-исследовательскими
и экспертными организациями используются такие программы,
как LS-DYNA, Abaqus, Mark, MSC-Dytran, PAM-Crash, PC-Crash,
4
Стр.4
CARAT. Некоторые из них основаны на применении метода конечных
элементов (МКЭ), другие – на методах механики абсолютно твердых
тел, например, в ОАО «Ижмаш-Авто» для прочностного анализа автомобиля
и его деталей используется программа ANSYS/LS-DYNA.
Расширение применения численных методов в последние десятилетия
привело к тому, что CAE-системы, основанные на МКЭ, сегодня
являются инструментом, полностью интегрированным в процесс
проектирования транспортного средства (ТС) и элементов дороги,
обеспечивающих безопасность. Сейчас можно констатировать, что
дальнейшее развитие транспортной отрасли невозможно без массового
применения CAE-систем на всех стадиях жизненного цикла
транспортного средства и элементов транспортной инфраструктуры.
Кроме CAE-систем, основанных на МКЭ, для моделирования
системы «автомобиль – водитель – дорога» также успешно используются
универсальные математические пакеты, например, модуль
SimMechanics среды MATLAB, предназначенный для моделирования
механического движения систем абсолютно твердых тел.
Для анализа травмирования водителя и пассажира при различных
видах ДТП используются компьютерные модели манекенов, которые
позволяют, основываясь на результатах компьютерного моделирования,
вычислить необходимые критерии травмирования человека.
Компьютерным моделям манекенов (Hybrid-III, SID, Eurosid и
др.), используемым при оценке стойкости автомобиля к ударным нагрузкам,
посвящен первый раздел данного учебного пособия. В качестве
примера на рис. В.1 показаны компьютерные модели манекенов
фирмы Toyota.
Рис. В.1. Компьютерные модели манекенов фирмы Toyota
5
Стр.5
Экспериментальные методы.
Несмотря на достаточно высокую точность результатов компьютерного
моделирования процесса ДТП автомобиля в целом и
системы обеспечения пассивной безопасности автомобиля в частности,
на стадии разработки автомобиля, например, при сертификационных
испытаниях автомобиля на пассивную безопасность, используются
экспериментальные методы.
В качестве основных приняты следующие методы экспериментальных
исследований на пассивную безопасность автомобиля:
– статистические методы, которые основаны на статистической
обработке данных по реальным ДТП;
– метод полномасштабных испытаний, при котором оценка
пассивной безопасности осуществляется в условиях, близких к реальным
условиям ДТП. Примером таких испытания являются краштесты;
–
методы испытания отдельных компонентов и систем автомобиля
в условиях частичной имитации ДТП. Примером таких испытаний
являются салазочные тесты;
– методы испытания отдельных деталей и узлов автомобиля,
входящих в систему обеспечения пассивной безопасности. Примерами
таких испытаний являются испытания ремней безопасности на прочность
и истирание, маятниковые тесты, испытания на падение и пр.
Расчетно-экспериментальные методы имеют достоинства расчетных
и экспериментальных методов, не имея их недостатков.
6
Стр.6