Využitie moderných metód pri vývoji sedadla automobilu
Účinok dynamického zaťaženia na sedačku automobilu má veľmi veľký vplyv na bezpečnosť posádky automobilu. Preto význam numerickej alebo experimentálnej simulácie je viac ako potrebný, predtým ako sa skutočný prototyp zavedie do výroby. Takéto simulácie nám môžu dopredu určiť vplyv tvarových alebo materiálových zmien na pevnosť a tuhosť štruktúry a tým urýchliť a zlacniť proces vývoja.
Ak používame FEM analýzu je potrebné disponovať potrebným hardvérom a softvérom. Pri použití tejto analýzy potom veľmi jednoducho dokážeme vyhodnotiť jednotlivé komponenty simulovanej štruktúry (napr. z hľadiska napätí, pretvorení alebo posunutí). Ďalej dokážeme vyhodnotiť rýchlosti a zrýchlenia ktorýchkoľvek častí, a následne určiť, ako tieto parametre vplývajú na bezpečnosť ľudskej posádky. Všetky tieto numerické výpočtové postupy sú zahrnuté v konkrétnych normách, na základe ktorých môžu rôzne výpočtové kancelárie zachovať rovnaký postup.
Matematický model
Na obr. 1. je znázornený dynamický model s tlmiacou silou
posobiacou na tlmenie vibrácií vyvolaných budiacou silou F(t).
Obr.1 Hlavný dynamický systém.
Táto sila má opačný smer pôsobenia ako budiaca sila F(t). Potom pre hlavnú pohybovú rovnicu môžeme písať:
Ďalej túto dynamickú rovnicu pre rovnováhu môžeme napísať pre systém s konečným počtom stupňov voľnosti v tvare:
Všetky sily v rovnici sú funkcie času a sú definované ako:
Fi Zotrvačná sila
Fd Tlmiaca sila
Fs Elastická sila
F Vonkajšia sila
Rovnica (2) je platná pre lineárny aj pre nelineárny systém. Túto rovnicu môžeme upraviť na štandardný tvar pohybovej rovnice pre dynamický systém:
Vzťahy v rovnici (3) majú nasledovný význam:
Z vyššie uvedeného vyplýva, že riešenie dynamického problému sa môže zhrnúť do troch nasledujúcich bodov:
1. Určenie vhodného matematického modelu (MKP model)
2. Derivácia dynamických pohybových rovníc pomocou diagramu pre volné telesá (free body diagram).
3. Riešenie dynamických pohybových rovníc s okrajovými podmienkami.
CAD a MKP model
Na tvorbu geometrického modelu bol použitý program Catia. Tento program je určený najmä na dizajnové modelovanie v automobilovom priemysle a preto bolo potrebné objemový model sedačky za účelom výpočtu ešte upraviť (obr.2).
Obr.2 Geometrický 3D model.
Táto úprava sa uskutočnila v programe Hypermesh, kde sa z objemového modelu vytvorili strednicové plochy. Pri vytváraní strednicových plôch vznikali rôzne geometrické tvary nevhodné pre aplikovanie MKP prvkov a preto bolo nutné pristúpiť k ďalšej úprave modelu. Toto riešenie bolo zvolené z hľadiska zníženia počtu prvkov, a tým aj výpočtového času, lepšej aplikácie zvarov a jednotlivých druhov spojov.
Obr.3 MKP model autosedačky.
Po finalizácii geometrického modelu nasledovala tvorba MKP modelu (obr.3). Pre sieťovanie strednicových plôch bol použitý explicitný škrupinový prvok shell 163. Tento prvok sa tiež aplikoval na telový blok (bodyblock), ktorý v danej analýze simuluje figurínu človeka. Ďalej bol použitý aj na povrch peny (foam) a to z dôvodu lepšieho záberu kontaktu spodnej časti bodyblocku a peny. Na penu, ako objemový model, sa aplikoval štrukturálny explicitný 3D prvok solid 164 v prevedení štvorstenu. Tento prvok dovoľuje väčšie deformácie a nie je tak náchylný na časový krok ako prvok solid 168. Preto bol vhodný na vysieťovanie peny, ktorá vykazuje najväčšie deformácie. Pre MKP model boli okrem škrupinových a priestorových prvkov použité aj prvky seatbelt a slipring aplikované na bezpečnostný pás. Pre simuláciu pružných členov v systéme sa použili beam prvky vo viacerých prevedeniach.
Okrajové podmienky
Ako už bolo spomínané, v tejto simulácii je nahradený človek, sediaci na sedačke, takzvaným horným a dolným telovým blokom. Na tieto bloky, ktorých rozmery sú definované podľa normy, boli aplikované sily (max.13,5 kN), ktoré nahrádzajú zotrvačné sily ľudskej osoby.
Obr.4 Zaťaženie na telové bloky
Ďalej bolo treba zohľadniť zotrvačnú silu od operadla sedadla, ktorá je zadaná taktiež pomocou sily (max.2,75 kN).
Obr.5 Zaťaženie na operadlo
V mieste ukotvenia sedačky o karosériu automobilu je sedačka uchytená, teda má odobratých šesť stupňov voľnosti. Sily od telových blokov sú prenášané pomocou bezpečnostného pásu, ktorý je takisto v troch miestach kotvený odobratím šiestich stupňov voľnosti. V mieste nad ľavým ramenom sediacej osoby je použitý špeciálny prvok (slipring) - vodiace oko, ktoré pás smeruje na potrebné miesto. Všetky dotýkajúce sa komponenty v simulovanom modely sú uvažované v kontakte. Teda kontakt je aj vytvorený. Špeciálny vnútorný kontakt je zavedený pre objemový prvok peny (contact interior), ktorý zabraňuje vytvoreniu negatívneho objemu. Kedže na niektorých komponentoch sú predpokladané veľké deformácie, musia byť ich povrchy ošetrené samostatným kontaktom (single surface), pretože sa povrch objemu môže dostať do kontaktu sám zo sebou. Komponenty, ktoré sú zvarené sú v modely zviazané špeciálnou okrajovou podmienkou (spotweld).
Vyhodnotenie
Po zadaní okrajových podmienok a ukončení výpočtu v solvery LS Dyna sa pristúpilo k zhodnoteniu výsledkov. Pre vyhodnotenie výsledkov bol použitý program LS prepost slúžiaci špeciálne pre LS Dyna ako pre a postprocesor. Keďže zaťaženie modelu bolo zjednodušené a výpočet bol realizovaný ako pilotný projekt, ktorý mal za úlohu overiť schopnosti riešiteľov a technického vybavenia fakulty, nemožno považovať výsledky za porovnateľné s experimentom.
Obr.6 Napätia Von Misses v čase 0 sekúnd a v čase 0,25 sekundy.
Systém LS prepost umožňuje vyhodnocovať rôzne výsledky výpočtu. Najzaujímavejšie však bolo vyhodnotenie Von Missesových redukovaných napätí, plastických pretvorení a celkového posunutia sedačky.
Záver
Tento projekt bol na našej fakulte pilotným projektom a jeho riešenie si vyžadovalo dôkladné naštudovanie manuálov, najmä LS-Dyna Theoretical Manual a User Manual. Po zvládnutí základných postupov bude riešenie nasledujúcích podobných problémov menej náročné. Softvér LS-Dyna umožňuje riešiť aj prípady ako napr. zrážanie sa štruktúr, rôzne pády, priestrely a pod.
Š.Medvecký, S.Hrček, R.Kohár, J.Mikušík, J.Palkech, J.Schmidt
Žilinská univerzita v Žiline
Aktuálne vydanie
Partnerské periodiká
Copyright © 2008 TechPark, o.z. | Všetky práva vyhradené | Realizácia: Webmax