Кіріспе
Апатты жағдайды модельдеу – автомобильдің немесе магистральдық қоршау рельс жүйесінің қирату соққысына қатысты сынағын компьютерлік симуляция арқылы виртуалды түрде қайта жасау, осы арқылы автомобильдің және оның ішіндегілердің қауіпсіздік деңгейін тексеру. Автомобиль өндірушілер жаңа автомобильдерді модельдеудің компьютерлік көмекпен жобалау (CAD) процесінде, апатқа төзімділікті компьютерлік көмекпен инженерлік (CAE) талдау кезінде апатты жағдайды модельдеуді қолданады. Апатты жағдайды модельдеу кезінде көліктің соққыға дейінгі кинетикалық энергиясы, яғни қозғалыс энергиясы, соққының соңында көбінесе автомобиль корпусының (ақ корпус) пластикалық деформациясы (пластикалық қасиеттері) арқылы деформация энергиясына айналады. Апатты жағдайды модельдеуден алынған деректер автомобиль корпусының немесе қоршау рельс құрылымының көлік құралындағы жолаушыларды (сондай-ақ, автомобильмен соқтығысқан жаяу жүргіншілерді) жарақаттан қорғау мүмкіндігін көрсетеді. Маңызды нәтижелер – жолаушылар (көлік жүргізушісі, жолаушылар) отырған орынның деформациясы (мысалы, рульдің ішке кіруі) және олар сезінген баяулау (мысалы, бас үдеуі), бұл көрсеткіштер автомобиль қауіпсіздігі туралы заңда белгіленген шекті мәндерден төмен болуы керек. Нақты соққы сынақтарын модельдеу үшін қазіргі апатты жағдайды модельдеулерге соққы сынақтарына арналған манекендердің виртуалды модельдері және пассивті қауіпсіздік құрылғылары (қауіпсіздік белбеулері, ауа қаптамалары, соққыны жұтатын панельдер және т.б.) кіреді. Жолсеріктегі сынақтар көліктің баяулауын, аударылу мүмкіндігін, сондай-ақ көліктердің кедергіге енуін бағалайды.
A crash simulation is a virtual recreation of a destructive crash test of a car or a highway guard rail system using a computer simulation in order to examine the level of safety of the car and its occupants. Crash simulations are used by automakers during computer aided engineering (CAE) analysis for crashworthiness in the computer aided design (CAD) process of modelling new cars. During a crash simulation, the kinetic energy, or energy of motion, that a vehicle has before the impact is transformed into deformation energy, mostly by plastic deformation (plasticity) of the car body material (Body in White), at the end of the impact. Data obtained from a crash simulation indicate the capability of the car body or guard rail structure to protect the vehicle occupants during a collision (and also pedestrians hit by a car) against injury. Important results are the deformations (for example, steering wheel intrusions) of the occupant space (driver, passengers) and the decelerations (for example, head acceleration) felt by them, which must fall below threshold values fixed in legal car safety regulations. To model real crash tests, today's crash simulations include virtual models of crash test dummies and of passive safety devices (seat belts, airbags, shock absorbing dash boards, etc.). Guide rail tests evaluate vehicle deceleration and rollover potential, as well as penetration of the barrier by vehicles.
Қолдану
Соқтығысу симуляциялары автомобильдің алдыңғы құрылымына "алға соқтығысу" немесе "frontal impact" кезінде, бүйірлік құрылымына "жанама соқтығысу" немесе "side impact" кезінде, артқы құрылымына "артқа соқтығысу" немесе "rear impact" кезінде, және автомобиль аударылғанда шатыр құрылымына "аударылу" кезінде автомобильдегі жолаушылардың қауіпсіздігін зерттеу үшін қолданылады. Соқтығысу симуляциялары автомобильмен қағылған жаяу жүргіншілердің жарақаттарын бағалауға да пайдаланылуы мүмкін.
Артықшылықтары
Апаттық симуляция жаңа автомобиль үлгісін нақты сынақтан өткізбей-ақ нәтижелерді көрсетеді. Осы арқылы, сынақтарды компьютерде жылдам әрі үнемді түрде жүргізуге болады, бұл автомобильдің нақты прототипін жасамас бұрын конструкцияны жақсартуға мүмкіндік береді. Симуляцияны пайдалану арқылы, нақты апаттық сынаққа уақыт пен қаржы жұмсамастан мәселелерді шешуге болады. Басып шығарудың және графикалық бейнелеудің жоғары икемділігі дизайнерлерге компьютердің көмегі болмағанда шешуге тиын болмас еді деген кейбір мәселелерді шешуге мүмкіндік береді.
Талдау
Апат симуляцияларының көптеген түрлері шекті элементтер әдісі деп аталатын талдау әдісін пайдаланады. Күрделі мәселелер, бетті үлкен, бірақ сонымен қатар шекті элементтерге бөлу арқылы шешіледі және осы элементтердің өте қысқа уақыт аралығындағы қозғалысы анықталады. Апат симуляцияларына тағы бір тәсіл – макроэлементтер әдісін қолдану. Жоғарыда аталған екі әдістеме арасындағы айырмашылық – макроэлементтер әдісінде құрылым элементтердің аз санынан тұрады. Құрылымның деформациясын есептеу алгоритмі жартылай дифференциалдық теңдеулерден емес, тәжірибелік деректерге негізделген. Pam Crash апат симуляцияларын бастады және LS DYNA-мен бірге шекті элементтер әдісін қолдану үшін кеңінен қолданылатын бағдарламалық қамтамасыз ету болып табылады. Бұл әдіс құрылымды егжей-тегжейлі модельдеуге мүмкіндік береді, бірақ оның кемшілігі – жоғары өңдеу қуатының қажеттігі және ұзақ есептеу уақыты. Visual Crash Studio макроэлементтер әдістемесін қолданады. FEM-мен салыстырғанда, оның модельдеу және шекаралық шарттар бойынша кейбір шектеулері бар, бірақ оны қолдану үшін жоғары деңгейдегі компьютерлер қажет емес және есептеу уақыты айтарлықтай қысқа. Екі әдіс бір-бірін толықтырады. Макроэлементтер әдісі құрылымды жобалау процесінің бастапқы кезеңінде тиімді, ал шекті элементтер әдісі оның соңғы кезеңдерінде жақсы нәтижелер береді.
Құрылымдық талдау
Үлгілі апат симуляциясында автомобиль корпусының құрылымы кеңістіктік дискреттеу арқылы талданады, яғни, дененің нақты уақыттағы үздіксіз қозғалысы кішігірім дискретті уақыт аралықтарындағы позицияның шағын өзгерістеріне жіктеледі. Дискреттеу құрамына кіретін жұқа металл парақтарының беті көптеген (2006 жылы шамамен бір миллион) төртбұрышты немесе үшбұрышты аймақтарға бөлінеді, олардың әрқайсысы бұрыштары бекітілген "түйіндер" арасындағы аумақты қамтиды. Әрбір элементтің массасы бар, ол шоғырланған массалар түрінде және жалғасқан түйіндеріне инерциялық масса моменттері түрінде таратылады. Әрбір түйіннің 6 кинематикалық бостандық дәрежесі бар, яғни, бір түйін үш сызықтық бағытта трансляциялық қозғалыс жасай алады және үш тәуелсіз осьтің айналысына ие. Әрбір түйіннің кеңістіктік координаттары (x), орын ауыстыруы (u), жылдамдығы (v) және үдеуі (a) көбінесе X, Y және Z осьтері бар үш өлшемді тікбұрышты картезиандық координаттар жүйесінде беріледі. Егер түйіндер апат симуляциясы кезінде қозғалса, байланысқан элементтер олармен бірге қозғалады, созылады және бүгіледі, бұл олардың түйіндік байланыстарына күштер мен моменттерді беруіне себеп болады. Түйіндердегі күштер мен моменттер олардың трансляциялық (сызықтық) және бұрыштық үдеулерінен туындаған инерциялық күштері мен моменттеріне, сондай-ақ байланысқан элементтердің құрылымдық материалының деформация кезіндегі қарсылығынан берілетін күштер мен моменттеріне сәйкес келеді. Кейде қосымша сыртқы құрылымдық жүктемелер қолданылады, мысалы, бөлшектердің өзіндік салмағынан туындаған гравитациялық жүктемелер немесе сыртқы массалардан қосымша жүктемелер. Барлық түйіндердің күштері мен моменттері баған векторға (немесе баған матрицасына) жиналады, ал уақытқа тәуелді қозғалыс теңдеулері (динамикалық тепе-теңдікте) келесідей жазылуы мүмкін. Мұндағы вектор (масса еселенген үдеу векторы) түйіндердегі инерциялық күштерді, сыртқы түйіндік жүктемелерді, ал материалдың деформациясынан туындаған ішкі қарсылық күштерін жинайды. M – түйіндік массалардың диагональдық матрицасы. Әрбір вектордың (u, v, a, F және т.б.) өлшемі 6-ға тең, ол апат моделіндегі түйіндердің жалпы санына көбейтілген (шамамен 6 миллион "бостандық дәрежесі" әр 1 миллион "түйінге" 3D жұқа қабатты шекті элементтік модельдерде).
Уақыт талдауы
Апаттық симуляция уақытты дискреттеуді де қолданады, осылайша уақыттың үздіксіз өзгерулерін өте кішкентай, қолдануға ыңғайлы сегменттерге бөледі. Апаттық симуляция кезінде қозғалыс динамикалық теңдеулері әрқашан орындалады және апатқа дейін, нөлдік уақыттан бастап, уақыт t бойынша интегралдануы керек. Көптеген апаттық кодтарда қолданылатын нақты шекті айырмашылықтар уақыт интеграциясы әдісіне сәйкес, дененің үдеуі, жылдамдығы және орын ауыстыруы келесі теңдеулермен байланысты. Бұл теңдеулерде n±1/2, n, n+1 индекстері өткен, қазіргі және болашақ уақыттарды, t, жарты және толық уақыт интервалдарындағы уақыт қадамдарымен және , сәйкесінше білдіреді.