Введение
Виртуальное воспроизведение разрушительного автомобильного столкновения
Симуляция столкновения – это виртуальное воспроизведение разрушительного краш-теста автомобиля или системы дорожных ограждений с использованием компьютерного моделирования для оценки уровня безопасности автомобиля и его пассажиров. Симуляции столкновений используются автопроизводителями в ходе инженерного анализа с применением компьютерных технологий (CAE) для оценки пассивной безопасности при компьютерном проектировании (CAD) новых автомобилей. Во время симуляции столкновения кинетическая энергия, или энергия движения, которой обладает автомобиль до удара, преобразуется в энергию деформации, главным образом за счет пластической деформации (пластичности) материала кузова автомобиля (Body in White) в конце столкновения. Данные, полученные в результате симуляции столкновения, показывают способность кузова автомобиля или конструкции ограждения защищать пассажиров транспортного средства (а также пешеходов, сбитых автомобилем) от травм во время столкновения. Важными результатами являются деформации (например, смещение рулевой колонки) пространства для пассажиров (водителя, пассажиров) и замедления (например, ускорение головы), которые они испытывают, и которые должны оставаться ниже пороговых значений, установленных в нормативных документах по автомобильной безопасности. Для моделирования реальных краш-тестов современные симуляции столкновений включают виртуальные модели манекенов и пассивных систем безопасности (ремни безопасности, подушки безопасности, панели приборов, поглощающие энергию удара, и т.д.). Испытания дорожных ограждений оценивают замедление и вероятность опрокидывания автомобиля, а также степень проникновения автомобиля в ограждение.
Применение
Симуляции аварий используются для исследования безопасности водителя и пассажиров автомобиля при столкновениях с передней частью конструкции при "лобовом столкновении" или "фронтальном ударе", с боковой частью конструкции при "боковом столкновении" или "боковом ударе", с задней частью конструкции при "столкновении сзади" или "заднем ударе", а также с крышей автомобиля при опрокидывании. Симуляции аварий также могут использоваться для оценки травм, полученных пешеходами, сбитыми автомобилем.
Преимущества
Симуляция аварии позволяет получить результаты без проведения реальных разрушающих испытаний новой модели автомобиля. Это позволяет быстро и экономично проводить тесты на компьютере, что дает возможность оптимизировать конструкцию до изготовления реального прототипа. С помощью симуляции можно выявить и решить проблемы до того, как будут затрачены время и средства на реальный краш-тест. Высокая гибкость печатных и графических материалов позволяет конструкторам решать задачи, которые было бы практически невозможно решить без использования компьютера.
Анализ
Большое количество симуляций аварий используют метод анализа, называемый методом конечных элементов. Сложные задачи решаются путем разделения поверхности на большое, но всё же конечное число элементов и определения движения этих элементов за очень короткие промежутки времени. Другой подход к моделированию аварийных ситуаций выполняется с применением метода макроэлементов. Отличие между двумя вышеупомянутыми методологиями заключается в том, что структура в случае метода макроэлементов состоит из меньшего числа элементов. Алгоритм расчета деформации структуры основан на экспериментальных данных, а не вычисляется на основе частных дифференциальных уравнений. Pam-Crash начал использоваться для моделирования аварийных ситуаций и вместе с LS-DYNA является программным пакетом, широко применяемым для метода конечных элементов. Этот метод позволяет детально моделировать структуру, но его недостатком являются высокие требования к вычислительным ресурсам и время расчета. В Visual Crash Studio используется методология макроэлементов. По сравнению с методом конечных элементов он имеет некоторые ограничения в моделировании и граничных условиях, но его применение не требует мощных компьютеров, а время расчета значительно меньше. Оба представленных метода дополняют друг друга. Метод макроэлементов полезен на ранних стадиях проектирования конструкции, в то время как метод конечных элементов наиболее эффективен на заключительных этапах.
Структурный анализ
В типичной симуляции аварии структура кузова автомобиля анализируется с использованием пространственной дискретизации, то есть разбивки непрерывного движения тела в реальном времени на более мелкие изменения положения на небольших, дискретных временных шагах. Дискретизация включает в себя подразделение поверхности составляющих, тонких, листовых деталей на большое количество (приближающееся к одному миллиону в 2006 году) четырехугольных или треугольных областей, каждая из которых охватывает область между "узлами", к которым прикреплены ее углы. Каждый элемент имеет массу, которая распределяется как концентрированные массы и как моменты инерции к его соединяющим узлам. Каждый узел имеет 6 кинематических степеней свободы, то есть один узел может перемещаться в трех линейных направлениях и вращаться вокруг трех независимых осей. Пространственные координаты (x), смещение (u), скорость (v) и ускорение (a) каждого узла в основном выражаются в трехмерной прямоугольной декартовой системе координат с осями X, Y и Z. Если узлы перемещаются во время симуляции аварии, связанные элементы двигаются, растягиваются и изгибаются вместе со своими узлами, что заставляет их передавать силы и моменты своим узловым соединениям. Силы и моменты в узлах соответствуют силам и моментам инерции, вызванным их поступательным (линейным) и угловым ускорениями, а также силам и моментам, передаваемым сопротивлением материала соединенных элементов при их деформации. Иногда применяются дополнительные внешние структурные нагрузки, такие как нагрузки от силы тяжести, действующей на собственный вес деталей, или дополнительные нагрузки от внешних масс. Силы и моменты всех узлов собираются в вектор-столбец (или матрицу-столбец), и уравнения движения, зависящие от времени (в состоянии динамического равновесия), могут быть записаны следующим образом. где вектор (масса, умноженная на вектор ускорения) суммирует инерционные силы в узлах, суммирует внешние нагрузки на узлы, а суммирует внутренние силы сопротивления, возникающие при деформации материала. M – диагональная матрица, содержащая массы узлов. Каждый вектор (u, v, a, F и т.д.) имеет размерность, равную 6, умноженной на общее число узлов в модели аварии (около 6 миллионов "степеней свободы" на каждый 1 миллион "узлов" в 3D тонкостенных моделях с использованием метода конечных элементов).
Анализ времени
Симуляция аварии также использует дискретизацию времени для разделения непрерывных изменений во времени на очень малые, пригодные для использования сегменты. Динамические уравнения движения выполняются в любой момент времени во время симуляции аварии и должны быть интегрированы по времени t, начиная с начального условия в момент времени, непосредственно предшествующий аварии. В соответствии с методом явной конечно-разностной интеграции по времени, используемым большинством программных комплексов для моделирования аварий, ускорения, скорости и перемещения тела связаны следующими уравнениями. В этих уравнениях индексы n-1/2, n, n+1 обозначают прошлые, текущие и будущие моменты времени t, соответственно, на полу- и полных временных интервалах с шагами по времени Δt и Δt, соответственно.