بخشی از مقاله
چکیده
سپر بعنوان یکی از اجزاء اصلی سازه خودرو، وظیفه محافظت از قسمتهای دیگر خودرو را در برخوردها برعهده دارد. اساساً سپر خودرو به منظور محافظت از قسمت جلو و عقب بدنه وسایل نقلیه سواری - بخصوص قسمتهایی از خودرو که مستقیماً به ایمنی حرکت خودرو ارتباط دارند - در برخوردهای با سرعت پایین طراحی میشود. در این مقاله تیر تقویت کننده سپر خودروی سواری سمند مورد تحلیل آزمون ضربه در محیط کد LS-DYNA-V970 قرار گرفته است.
شرایط آزمون ضربه مطابق با شرایط برخورد از روبرو در استاندارد اروپایی تأیید تجهیزات محافظتی عقب و جلوی خودروها - آیین نامه - ECE042 می باشد. هدف از این مطالعه، شبیهسازی و بررسی عملکرد دینامیکی سپر مورد تحلیل در برخورد با سرعتهای پایین و بررسی اثر ضخامت مقطع و مصالح تکیه گاههای سپر که با عنوان جذب کنندههای انرژی در این نوع سپر بکار برده میشوند، در عملکرد تیر سپر می باشد.
مقدمه
سپر یکی از اجزاء مستقل سازه خودرو است که از جنس فولاد، آلومینیوم، لاستیک و یا کامپوزیت ساخته شده و در قسمت جلو و عقب خودروهای سواری نصب میشود. وقتی تصادفی رخ میدهد، سیستم سپر، ضربه ناشی از برخورد را جذب می کند تا از رسیدن صدمه به خودرو جلوگیری کرده یا از شدت آسیب وارده بکاهد.
سپرهای اتومبیل نوعاً بعنوان قطعه سازه ای که در ایمنی مسافرین و محافظت از کابین سرنشین تأثیر عمده ای داشته باشد طراحی نمی-شود بلکه هدف آن محافظت از کاپوت جلو، صندوق عقب، پنجره مشبک جلوی خودرو، مخزن سوخت، سیستم اگزوز، سیستم خنک کننده و همچنین بخشهای دیگر وابسته به ایمنی حرکت خودرو نظیر چراغهای کوچک جلو و عقب و چراغهای بزرگ جلو در برخوردهای با سرعت پایین یا در اصطلاح برخوردهای ترافیکی میباشد. بطور مثال بازشدن درهای خودرو پس از تصادف نیز از جمله ملزومات برخی از استانداردهای سپر می باشد.
متأسفانه بیشتر سپرهای امروزی بگونهای طراحی و ساخته میشوند که حداقل نیازهای استانداردهای مربوطه را برآورده سازند و این درحالیست که مبالغ بسیار زیادی صرف تعمیرات خودرو پس از تصادف های کوچک میشود. بسیاری از این تصادفها در نتیجه برخورد خودرو با سرعتهای کم به یک مانع یا یک خودروی دیگر از جلو و عقب می باشد، بنابراین سیستم سپر خودرو باید قادر باشد انرژی برخورد را در اینگونه تصادفها جذب کرده و از صدمه دیدن قسمتهای دیگر خودرو جلوگیری نماید
تیر سپر اصلی ترین جزء سازه سپر میباشد که در پشت پوسته سپر قرار داشته و در معرض دید نیست. در حقیقت این عضو از سیستم سپر، محافظ اصلی خودرو در برخورد ها می باشد. در این پژوهش برخورد تیر سپر جلوی خودروی سمند، در سرعت های پایین و با شرایط آزمون ضربه روبرو که در استاندارد اروپایی تأیید تجهیزات محافظتی عقب و جلوی خودروها1 - آیین نامه - ECE042 توصیف شده است، شبیه سازی شده است.
بر اساس شرایط آیین نامه مذکور، خودرو باید روی یک سطح صاف در حالت دنده آزاد و بدون درگیر بودن ترمز، قرار داشته باشد. برای آزمون ضربه از روبرو، خودرو مورد اصابت ضربه زن استاندارد با سرعت 4 کیلومتر بر ساعت قرار می گیرد. ابعاد هندسی و جنس ضربه زن در استاندارد مربوطه توصیف شده است و وزن آن برابر خودروی بدون سرنشین می باشد. منظور از »وزن بدون سرنشین« در این استاندارد، وزن وسیل ه نقلیه در حالت عملی آن بدون مسافر اما شامل سوخت، خنک کننده، روانساز، ابزار و چرخ یدکی می باشد.
هدف از انجام این شبیه سازی، تحلیل سپر مورد نظر در برخوردهای با سرعت پایین - V<8 Km/Hr - و بررسی اثر تغییر ضخامت مقطع و جنس تکیه گاههای تیر سپر که به عنوان جذب کننده انرژی در این نوع سیستم سپر مطرح می باشند، در عملکرد تیر سپر میباشد. بدین منظور، پارامترهایی شامل حداکثر نیروی برخورد بین سپر و ضربه زن ، حداکثر انرژی درونی تیر سپر، حداکثر انرژی درونی سرشاسی، نمودار انتقال انرژی و سرعت قطعات مورد بررسی قرار گرفته اند.
مشخصات مدل
با استخراج ابعاد دقیق هندسی از نقشه های مربوطه، تلاش شده است تا حدامکان مدل بصورت دقیق و شبیه نمونه واقعی مدلسازی شود. سیستم سپر مدلسازی شده شامل تیر سپر از جنس کامپوزیت GMT - پلاستیک تقویت شده با فیبر شیشه - و جاذبهای انرژی چپ و راست - تکیه گاههای تیرسپر - از جنس پلی پروپیلن میباشند. شکل مقطع تیر سپر در قسمتهای مختلف آن دقیقاً مطابق نمونه واقعی و ضخامت متوسط آن 5 میلیمتر می باشد. به منظور تسریع در انجام محاسبات عددی مربوطه در نرم افزار LS-DYNA مطابق شکل - - 2، شاخکهای تیر از مدل حذف شده و لبه های مدل از حالت fillet خارج شده است.
شکل :1 مدل تیر سپر خودروی سمند
شکل :2 مدل تیر سپر پس از حذف fillet و شاخکها
جذب کننده های انرژی چپ و راست که نقش اتصالات بین تیر سپر و بدنه خودرو را نیز ایفا میکنند، توخالی و دارای ضخامت متوسط 5 میلیمتر میباشند.
شکل :3 جذب کننده های انرژی چپ و راست سپر
مدلسازی شده است.بعلاوه اینکه وزن خودروی مورد نظر، روی المانهای شاسی توزیع شده است.
در نهایت برای تکمیل مدل، ضربه زن نیز طبق مشخصات هندسی توصیف شده در استاندارد مربوطه مدلسازی شده و در موقعیت مشخص شده در استاندارد به مجوعه مدل اضافه شده است.
روش حل با توجه به ماهیت غیر خطی برخورد، روش آنالیز دینامیکی صریح می باشد که روشی مناسب برای حل مسائل Short time، تغییر شکلهای بزرگ - دینامیکی و شبه استاتیکی - و مسائل غیر خطی چندتایی - Multiple Nonlinearities - و همچنین مسائل پیچیده برخورد و ضربه می باشد. با توجه به اینکه ضخامت مقطع تیر سپر و جاذبهای انرژی در مقایسه با ابعاد سازه بسیار کم می باشد، در المان بندی مدل از المان Shell استفاده شده است. جدول - - 1 مشخصات اجزاء محدود بخشهای مختلف مدل را نشان می دهد.
جدول :1 مشخصات اجزاء محدود مدل
ضریب اصطکاک در تماس بین این دو بخش 0/02 در نظر گرفته شده است. در سیستم سپر مورد مطالعه جاذبهای انرژی از طریق دو عدد پیچ به سپر متصل میشوند و به همین ترتیب اتصال بین جذب کنندههای انرژی و خودرو نیز با استفاده از دو عدد پیچ صورت می پذیرد. به منظور ایجاد شرایط واقعیتر محل دقیق پیچها از روی نقشههای مربوطه استخراج شده و در آن محل با استفاده از اعمال تماس از نوع to surface Tied surface شرایط حقیقی پیچها شبیه سازی شده است.
آنها توسط دو عدد پیچ به تیر سپر و توسط دو عدد پیچ دیگر به سر شاسی متصل میشوند. در مدلسازی انجام شده به منظور بررسی انتقال انرژی از سپر به خودرو و همچنین برای مقید ساختن صفحه اتصال جاذبهای انرژی به خودرو، شماتیکی از شاسی خودرو نیز دایره ها محل پیچهای اتصال می باشند که از تماس TStS استفاده شده است
شکل :4 نوع تماسهای تعریف شده در مدل
مشخصات متریال
در سیستم سپر مورد مطالعه، جنس تیر سپر کامپوزیت GMT میباشد، کامپوزیت GMT، پروپیلن تقویت شده با الیاف شیشه است که شکل دهی و تولید قطعات آن از طریق قالب ریزی فشاری صورت می پذیرد.
GMT اهمیت ویژه ای در کاربردهای تجاری پیدا کرده است، بویژه در کاربردهایی که کاهش وزن یک فاکتور کلیدی است. استحکام بالا، دوام زیاد، خصوصیات مکانیکی و فیزیکی خوب، GMT را به یک جایگزین ایده آل برای بسیاری از مواد متداول پیشین تبدیل کرده است.
مخصوصاً استفاده از این کامپوزیت در صنایع خودرو سازی که در آن وزن، کارایی سازه، فرضیات مهم برای انتخاب مواد هستند، در حال افزایش استGMT .[4] ماده بسیار مناسبی برای کاربرد در سپر اتومبیل می باشد. دلایلی که باعث گرایش طراحان و سازندگان خودرو به استفاده روزافزون از این ماده در ساخت سپر شده است نیاز به جذب انرژی بیشتر و کاهش وزن وسیله نقلیه است. مشخصات مکانیکی GMT از مرجع [5] استخراج شده و با استفاده از مدل ماده Piecewise Linear Isotropic Plasticity در نرم افزار LS-DYNA اعمال شده است.
جذب کننده های انرژی از جنس پلی پروپیلن می باشند. پلی پروپیلن از خانواده ترموپلاستیک ها است که موادی بسیار شکل پذیر بوده و براحتی به فرم دلخواه درمی آیند. به این دلیل به این دسته از مواد ترموپلاستیک گفته می شود که برای فرم دادن، باید آنها را به اندازه کافی گرم کرد. پلی پروپیلن جزو پلیمرهای منعطف نیز محسوب می شود. این دسته از پلیمرها به آن اندازه ای که در برابر Break از خود مقاومت نشان می دهند در برابر تغییر شکلهای دایمی مقاومت زیادی از خود نشان نمیدهند. مشخصات مکانیکی پلیپروپیلن از مرجع [6] استخراج شدهاند.
شرایط مرزی و بارگذاری
برای اعمال شرایط مرزی و بارگذاری مدل، از شرایط آزمون ضربه سپر در استاندارد ECE042 استفاده شده است. سرعت اولیه ضربه زن مطابق شرایط استاندارد 4 کیلومتر بر ساعت می باشد و وزن آن برابر وزن خودروی بدون سرنشین 1200 - کیلوگرم - در نظر گرفته شده است. با توجه به شرایط استاندارد برای تست ضربه، خودرو باید بدون درگیر بودن ترمزها و در حالت دنده آزاد باشد. بنابراین در شبیه سازی انجام شده اصطکاکی بین خودرو و صفحه آزمون در نظر گرفته نشده است و خودرو امکان حرکت به هر جهتی غیر از راستای عمود بر سطح را دارد ولیکن ضربه زن فقط در راستای برخورد حرکت می کند. وزن خودرو برابر وزن خودروی مورد نظر، بدون سرنشین ولی با سوخت، خنک کننده، ابزار، چرخ یدکی برابر1200کیلوگرم در نظر گرفته شده است، این وزن روی گره های شاسی توزیع شده است.
شکل :5 چیدمان آزمون ضربه از روبروی سپر
نتایج شبیه سازی برخورد با سرعت های پایین به منظور بررسی تیر سپر مورد تحلیل در برخورد با سرعت های پایین، علاوه بر سرعت 4 کیلومتر بر ساعت که در استاندارد تعیین شده است، برخورد با سرعت های 6 و 8 کیلومتر بر ساعت نیز شبیه سازی شد و نتایج عملکرد سپر در قالب نمودارهای حداکثر نیروی برخورد سپر، نمودار حداکثر انرژی درونی تیر سپر، نمودار حداکثر انرژی درونی سرشاسی و نمودار انتقال انرژی با یکدیگر مقایسه شدهاند.
در ابتدا به منظور بررسی صحت مدلسازی میزان تغییرات انرژی کل مدل را در طول تحلیل بررسی شده است. به همین منظور منحنی تغییرات انرژی کل سازه در شکل - - 6 نشان داده شده است. همانطور که ملاحظه می شود تغییرات انرژی کل مجموعه در طول تحلیل ناچیز و در حدود 0,14 ژول می باشد، لذا می توان نتیجه گرفت که مدلسازی مسئله به طور صحیح صورت گرفته است و جواب ها از لحاظ پایستاری انرژی در طول تحلیل قابل اعتماد می باشند.
