بخشی از مقاله
چکیده
مساله ایمنی خودرو به هنگام تصادف همواره از مواردی میباشد طراحان برای بهبود سازه خودرو و جبران مسایل جانی و مالی با آن درگیر هستند. اکثر تصادفها از سمت جلوی خودرو است و یکی از سازههای مهم جلوی خودرو، سپر میباشد. سازه سپر از چندین قسمت تشکیل شده که مهمترین بخش آن، تیرسپر1 میباشد. امروزه برای نجات بیشتر سرنشینان و جلوگیری از تلفات مالی به طراحی این قسمت بیش از پیش میپردازند. در این مقاله به طراحی، مدلسازی و ساخت، بصورت مطالعه عددی و تجربی دو نمونه تیرسپر پرداخته شده است. قسمت اصلی طراحی، وجود قطعات تکرارپذیر در طول تیرسپر به عنوان هسته تیر یا جاذب انرژی است.
جاذبها در دو تیر سپر به ترتیب به صورت حلقهی بیضوی و حلقهی هشت ضلعی پرشده از فوم صنعتی رایج در ایران میباشد. ملاک طراحی جاذب، انتخاب آن از لحاظ بیشینهی جذب انرژی است که، از تست فشار محوری استاتیکی بدست آمده است . داخل جاذبها از فوم پر شده و در طول تیرسپر تکرار میگردد. بعد از طراحی استاتیکی مدلهای ساختهشده، تحت ضربه آونگ استوانهای - براساس تصادف خودرو با درخت، موتورسیکلت و تیر برق - به جرم آونگ 75 کیلوگرم و سرعت برخورد 15 کیلومتر بر ساعت قرار داده شد. شبیه سازی عددی با استفاده از نرمافزار ABAQUS است. مقایسه نتایج حاصل از کار تجربی و المان محدود موفقیت آمیز بوده و نشان میدهد که تیرسپر با هسته هشت ضلعی پرشده از فوم بیشترین جذب انرژی را دارا است اما تیر سپر با هسته هشت ضلعی کمترین میزان جابهجایی را دارد.
واژه های کلیدی:ماکزیمم جابهجایی، ضربه، تیرسپر و جذب انرژی.
مقدمه
براساس آمار سازمان جهانی، آمار کشتهشدگان بر اثر تصادف در سطح جهان، روزانه 3200 و تعداد مجروحان 50 هزار نفر است که سهم ایران بایستی حداکثر 32 کشته و500 مجروح باشد ولی ایران با دارا بودن یک درصد مردم جهان، دو درصد از تلفات انسانی ناشی از تصادف در جهان یعنی بیشترین سهم را به خود اختصاص دادهاست [1]، .[2] دولتها برای جلوگیری از خسارتهای ناشی از تصادف در دهههای گذشته، استانداردهایی در زمینه تصادف خودرو تدوین کردهاند که تولید کنندگان و طراحان خودرو ملزم به رعایت آن هستند. از مهمترین این استانداردها، FMVSS2 ، ECE3 ، CMVSS4 ، [3] RCAR5 و استاندارد کشورهایی نظیر آلمان و استرلیا نام برد. بر اساس[4] NCAP6 برنامهای متعلق به آمریکا، متشکل از چندین آزمایش شبیه سازی تصادف است که به هر خودرو به میزان ایمنی در تست تصادف ستاره تعلق میگیرد. NHTSA7
[5] و [6] IIHS8 از مؤسسههای وابسته به دولت آمریکا میباشد که خودروهای تولید و یا واردشده را مورد تست قرار میدهد و نتایج آن را به اطلاع عموم میرساند. همچنین کمیته EEVC9 تستهای مربوط به NCAP معروف به EURONCAP را در اروپا انجام میدهد.درسال 2005 بیزال و جرنج [7] به تحلیل عددی برخورد مانع به تیرسپر جلویی خودرو تحت استاندارد EURONCAP پرداختند. نتایج حاصل از کار، نشان دهنده اهمیت جذب انرژی در ناحیه پلاستیک بود. سودین و همکارانش [8] به مقایسهای پنج سپر طراحی شده از لحاظ جنس، محیط، اندازه، وزن، کارائیت، مراحل ساخت و تعداد پیچ و بست پرداختند و نشان داند علاوه بر معیار استاندارها، عوامل نامبرده بسیار در طراحی مهم هستند. موهاپترا [9] با استفاده از الگوریتم مورفینگ، ابعاد و قسمتی از تیرسپر با معیار استاندارد FMVSS215 را بهینه و نتایج را مثبت ارزیابی کرد.
ککولا [10] دو تیر سپر از دو اآلیاژ آلومینیومی AA7003 و AA6060 تحت ضربه دینامیکی قرار داد و نشان داد که سختی کرنشی و عملیات حرارتی اثر بسزایی در نتایج تصادف و جذب انرژی دارد. داوودی و ساپوآن [11] تیر سپری را با استفاده از تکرار حلقه بیضوی کامپوزیتی طراحی کردند به نحوی که انتخاب حلقه کامپوزیتی توسط تست تجربی فشار استاتیکی محوری بود و با معادل کردن انرژی ورودی مانع، تحت استانداردEEVC WG17 تعداد حلقه را تا 11 عدد به عنوان جاذب انرژی در طول سپر افزایش دادند . لادمو و همکارانش [12] به بررسی تجربی و عددی تیرسپر تحت ضربه بامانعی به سرعت 54 کیلومتر بر ساعت پرداختند. این بررسی به نحوه ساخت تیرسپر و عملیات حرارتی و خاصیت انیزوتروپی ماده آلومینیوم آلیاژی و اثرات آن بر نتایج محدود میشد.کیسنر و زمیک [13] تیرکامپوزیتی را تحت استاندارد RCAR و AZT طراحی و نتایج را به صورت تحلیلی و تجربی گزارش و مقایسهکردند.
لاسزلو وفراکاس [14] تیرسپر را با معیار AZT و ضربه پاندول استوانهای1 توسط منطق فازی طراحی و بهینه سازی کردند. میزان نیرو و ماکزیمم جابهجایی به عنوان پارامتر کنترلی برای این بهینهسازی انتخاب شده بود. ریمی و فائیزا [15] سه سپر را تحت استانداردFMVSS208 بصورت تجربی و عددی مقایسه و معیار انتخاب بهترین سپر را نمودار جذب انرژی قرار دادند. زیآدی[16] به بررسی حلقه های جذب انرژی پر شده از فوم پرداخت و نشان داد که هرچه ضخامت حلقه بشتر و میزان فوم متراکم تر جذب انرژی بیشتر می- شود. حسین زاده [17] تیرسپر ساخته شده از الیاف شیشه ترموپلاستیک را تحت استاندارد اروپا با سه رویکرد شرایط ضربه شکل و ماده به کار رفته ارزیابی کرد و ماده SMC را به جای الیاف شیشه پیشنهاد داد. بالمورگان [18 ] در طراحی تیر سپر مطابق مرجع [11] عمل کرد با این تفاوت که از حلقههای دایروی فولادی وبستهای پلیاتیلنی در طراحی استفاده کرد.
طراحی تیرسپربا هستههای تکرار پذیر
ملاک و اصول طراحی تیر سپر در این مقاله بر اساس مراجع [11] ، [17] و [18] میباشد. هر تیر سپر از بستههای حلقویی تشکیل شده است که به صورت هسته های تکرار پذیر در طول آن می باشد که در ادامه به نحوه انتخاب حلقه و مونتاژتیر سپر پرداخته شده است. جنس تمامی قطعات فلزی به کار رفته آلومینیوم آلیاژی است.
انتخاب پروفیل حلقه به صورت تجربی
ملاک انتخاب بهترین حلقه برای ساخت تیر سپر، بیشینهی انرژی جذب شده در آزمایش فشار محوری استاتیکی تا جابهجایی 150cm می باشد. دونوع حلقه، یکی بصورت انحنادار و دیگری بصورت چند ضلعی برای طراحی انتخاب و ساخته شد. در شکل 1 سه حلقهی اول به صورت انحنادار c و b ، a ، به ترتیب با شعاع بزرگ 100mm و شعاع کوچک 100mm، 75mm و 50mm میباشد. نوع دوم حلقهها، شامل f و e ،d ، که به صورت چند ضلعیهای محاط شده در حلقههای بیضیگون منتاظر به همان ابعاد به دو گونهی منتظم 8 ضلعی و منتظم12 ضلعی است. با توجه به شکل 1 در تمامی حلقهها برای اتصال به دو صفحات بالایی و پایینی تیرسپر، از بالا وپایین هر حلقه صفحهای به اندازه 40mm در نظر گرفته شد.
شرط مرزی برای تست تجربی محوری دو انتها بسته می باشد. هر پروفیل حلقوی به صورت عمودی در راستای بیشترین شعاع به فکهای دستگاه تست فشار محوری متصل گردید. شکل 2 منحنی تجربی نیرو برحسب تغییر مکان محوری برای حلقهها را نشان میدهد. هر منحنی برای هر پروفیل دارای دو قسمت اولیه و ثانویه می باشد که قسمت اول به صورت خط شیب دار و در ادامه به صورت خط تقریباعمودی با شیب نزدیک به صفر است. نتایج تجربی در شکل 2 و جدول 1نشان میدهد که هر چه شعاع دوم دایره کوچکتر و به سمت بیضی شدن پیش میرود شیب قسمت اول منحنی ها و میزان جذب انرژی بیشتر میشود.
از طرفی همین استدلال برای چند ضلعیهاصادق است. در جدول 1 به راحتی قابل مشاهده است که 8 ضلعی محاط - پروفیل - f و حلقه انحنادار - پروفیل - c بیشترین جذب انرژی و کمترین میزان جرم به ترتیب در بین چند ضلعیها وانحنادارها دارا است. دو پروفیل c و f با توجه به تفاوت در پروسه تولید، برای ساخت دو تیر سپر انتخاب شدند. برای افزایش و برابرکردن میزان جذب انرژی، داخل دو حلقه از فوم صنعتی پر گردید و توسط دستگاه فشار محوری دو حلقه آزمایش شدند. جدول 2 میزان جذب انرژی به صورت تجربی را نشان میدهد. با توجه به جدول .2،پس از پر کردن حلقه ها از فوم میزان جذب انرژی به وزن دو پروفیل تقریبا با هم مساوی و نسبت به حالت بدون فوم افزایش یافته است.
مونتاژ تیرسپر و تستهای تجربی
شکل3 دو نمونه تیر سپر ساخته شده را نشان می دهد. دو تیر سپر در تمامی ابعاد با یکدیگر مشابه بوده با این تفاوت که در تیر سپر با هسته هشت ضلعی 11 عدد حلقه و در سپر با هسته بیضی 9 عدد حلقه مونتاژ شده است. علت اختلاف تعداد حلقه در هر مدل با توجه به میزان ابعاد حلقه در طول تیر سپر میباشد. هر تیر سپر برای اتصال تکیهگاهی و انجام تست ضربه به دو بازو یا مربع جدار نازک متصل و همراه شدند. روش و انجام تست بر گرفته از مراجع [19] و [20] می باشد.شکل 4 دستگاه پاندول ضربه را نشان می دهد که در آن انتهای بازو آن به استوانه 75 کیلوگرمی متصل شده است.
استوانه توسط جرثقیل سقفی، در زوایه 67/7 درجه - معادل سرعت 15 کیلومتر بر ساعت - نسبت به افق قرار میگیرد و به هنگام ضربه رها میگردد. میزان زاویه برای رها کردن و میزان بیشترین جابجایی آونگ در ضربه و میزان ارتفاع بالا آمدن استوانه توسط زاویه سنج دیجیتالی اونیورسال خوانده میشود. در پایین ترین ارتفاع استوانه یا در موقعیتی که استوانه به حالت کاملا عمودی است مقدار سرعت استوانه توسط دستگاه تاکومتر در هنگام رفت و برگشت ثبت می-گردد. استوانه به تیر سپر به صورت مماس و عمود به مرکز تیر سپر برخورد می کند.شکل 5 و شکل 6 به ترتیب تیرسپر با هسته بیضوی پر شده با فوم و تیرسپر با هسته هشت ضلعی پر شده با فوم بعد از ضربه را نشان میدهد.
