Naciski BMW, by stworzyć bardziej precyzyjne modele zderzeń pojazdów, stały się bodźcem do stworzenia nowej technologii symulacji w ABAQUS
Symulowanie odporności na zderzenia pojazdu jest jednym z najtrudniejszych, ale i kluczowych, wyzwań przed którymi obecnie stają inżynierowie samochodowi. Zjawiska fizyczne, które składają się na zderzenie pojazdu, są niezwykle złożone, a czas trwania całego zdarzenia jest bardzo krótki. Do deformacji materiału dochodzi w ułamku sekundy, a wiąże się to z konsekwencjami stanowiącymi o życiu lub śmierci osób znajdujących się w pojeździe.
Zadaniem symulacji odporności na zderzenia jest wykonanie jak najbardziej realistycznego modelu tego, co dzieje się podczas zderzenia pojazdu. W tej krótkiej chwili części i zespoły ulegają zgnieceniu, wybrzuszeniu, skręceniu, odkształceniu, rozciągnięciu i rozerwaniu. Na ciała osób znajdujących się w pojeździe oddziałuje przyspieszenie. Model analizy, który dokładnie symuluje siły fizyczne występujące w takim zdarzeniu w bardzo dużej mierze przyczyni się do poprawy bezpieczeństwa pojazdów.
Przyczyni się on również do obniżenia kosztów. Wystarczy jedynie uświadomić sobie, że fizyczny test zderzeniowy może mieć miejsce jedynie raz, za to prawidłowy model zderzeniowy może służyć przeprowadzeniu setek symulacji, których koszt wynosi jedynie ułamek tego, ile kosztuje test fizyczny.
Wykonawcy oprogramowania FEA cały czas opracowują nowe technologie wykorzystywane do symulacji odporności na zderzenia. W firmie ABAQUS mieliśmy możliwość współpracować z naukowcami z BMW Group przy kilku przedsięwzięciach z tej dziedziny. Dzięki tej współpracy udało się opracować kilka narzędzi przedstawionych poniżej, umożliwiających bardziej dokładne przewidywanie strukturalnej odporności pojazdu na zderzenia oraz bezpieczeństwa pasażerów. Większość z tych opracowań wykorzystała postęp, jaki dokonuje się w komputerach o dużej mocy obliczeniowej.
Modelowanie uszkodzeń materiałów
BMW oraz inni producenci samochodów, w celu zmniejszenia masy pojazdów i podniesienia ich odporności na zderzenia, aktywnie badają możliwości nowych materiałów konstrukcyjnych. Materiały te obejmują różne stopy aluminium i magnezu jak również udoskonalone stale o wysokiej wytrzymałości. Ale materiały te czasem ulegają innym uszkodzeniom niż materiały należące do konwencjonalnego zestawu konstrukcyjnych materiałów samochodowych.
Na przykład – aluminium. Badania eksperymentalne pokazują, że cienkie blachy i wytłaczane elementy cienkościenne wykonane ze stopów aluminium mogą ulec uszkodzeniom plastycznym spowodowanym wzrostem ziarna, wzrostem i koalescencją pustych przestrzeni w materiale. Pęknięcia w obrębie stref ścinania mogą powodować pęknięcia poślizgowe materiału. Inne uszkodzenia są powodowane przez zlokalizowane niestabilności.
Aby umożliwić inżynierom lepsze zrozumienie tego, w jaki sposób nowsze materiały konstrukcyjne ulegają uszkodzeniom w warunkach obciążenia spowodowanego zderzeniem, do oprogramowania ABAQUS wprowadzono ogólną strukturę służącą do modelowania uszkodzeń materiałów. Podczas symulacji odporności na zderzenia, po rozpoczęciu zderzenia sztywność materiału jest stopniowo obniżana zgodnie z określoną reakcją na rozwój uszkodzenia. Inżynierowie mogą określić jedno lub więcej początkowych kryteriów uszkodzenia – włącznie z wykresami plastyczności (ciągliwości), ścinania, wykresem odkształceń granicznych wyboblania, wykresem odkształceń granicznych wyoblania Müschenborn-Sonne i kryteriów Marciniaka-Kuczyńskiego.
Naukowcy BMW określili, że kryteria wykresu odkształceń granicznych wyoblania Müschenborn-Sonne są szczególnie użyteczne do ich własnych zastosowań przy przewidywaniu przewężenia materiałów. Przy poziomach deformacji wychodzących poza wartość graniczną wyoblania materiał prawdopodobnie ulegnie takiemu uszkodzeniu, jak wspomniane przewężenie lub rozdarcie. Zaletą korzystania z wykresu odkształceń granicznych wyoblania Müschenborn-Sonne jest to, że bierze on pod uwagę wpływ przebiegu odkształceń na naprężenia graniczne blach, podczas gdy tradycyjny wykres odkształceń granicznych jest prawidłowy jedynie dla liniowych przebiegów naprężeń.
Dzięki ABAQUSowi analitycy zderzeń mogą również włączać do swoich symulacji skutki wynikające z… procesów produkcyjnych. Dzięki uchwyceniu naprężenia, które faktycznie jest obecne w blasze przed nastąpieniem zderzenia, symulacja jest w stanie w bardziej dokładny sposób odzwierciedlić rzeczywistość fizyczną (patrz rys. 1a–1d). Struktura uszkodzeń wprowadzona do ABAQUSA ma zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Na przykład, może ona również zostać wykorzystana w ustawieniach produkcyjnych do symulowania cięcia metalu.
RYS. 1a. Konfiguracja służąca do symulacji quasi-statycznego, trzypunktowego testu zgięcia cienkościennego aluminiowego kształtownika wytłaczanego. Materiał to tłoczony stop aluminium EN AW-7108 T6
RYS. 1b. Końcowy, odkształcony kształt modelu z podziałem sieciowym
RYS. 1c. Zdeformowany kształt aluminiowego kształtownika wytłaczanego uzyskany po przeprowadzeniu quasistatycznego trzypunktowego testu zgięcia
RYS. 1d. Kontury naprężenia Von Mises. Wyniki symulacji dobrze odpowiadają danym uzyskanym w eksperymencie. Modelowanie postępującego uszkodzenia i zniszczenia jest kluczowe dla uchwycenia całkowitego odkształcenia materiałów
Elementy złączne niezależne od zazębienia
Zazwyczaj zespoły samochodowe zawierają tysiące zgrzein punktowych. Sposób, w jaki zgrzeiny punktowe ulegają uszkodzeniu i pękają podczas zderzenia w oczywisty sposób ma wpływ na strukturalną odporność pojazdu na zderzenia. Jednym z najbardziej użytecznych narzędzi jakie zostały opracowane dla ABAQUS do wykonywania symulacji jest element złączny – niezależny od zazębienia – symulujący zgrzeiny punktowe.
Przez kilka lat współpracy z klientami technologia elementów złącznych w ABAQUS przeszła ogromny rozwój. Element złączny stanowi obliczeniowo wydajne wyobrażenie 1D, które symuluje zachowanie połączenia dwupunktowego pomiędzy dwiema lub więcej powierzchniami. Typowy element złączny, łączący dwie powierzchnie, składa się z elementu łączącego oraz dwóch ograniczeń zwanych połączeniami rozdzielającymi, które identyfikują łączone powierzchnie. Inżynierowie mogą czerpać z bogatej biblioteki zachowań kinematycznych i związanych z materiałem, które są dostępne wraz z elementami łączącymi, by stworzyć dowolny rodzaj elementu złącznego, jaki tylko mogą wymyślić. Odkształcalne zgrzeiny punktowe zazwyczaj są modelowane z wykorzystaniem połączenia typu tulejowego, w celu opisania ich kinematyki. Reakcje związane z materiałem opisują sprężystość lub plastyczność wraz z uszkodzeniami i zniszczeniem.
To, co czyni element złączny niezależnym od zazębienia, to możliwość rozmieszczenia połączeń tak, by zostały one rozłożone na całym obszarze zazębienia FE (patrz rys. 2a i 2b). Zazwyczaj każdy z elementów złącznych byłby identyfikowany za pomocą określonej lokalizacji węzła, a więc wszystkie lokalizacje zgrzein punktowych musiałyby być definiowane od nowa za każdym razem, kiedy model byłby zazębiany. Elementy złączne niezależne od zazębienia przyczyniają się do wydajności modelowania i pozwalają inżynierom w wielu gałęziach przemysłu zaoszczędzić dużo czasu. Na przykład, elementy złączne niezależne od zazębienia są używane również do symulowania nitów w przemyśle lotniczym i astronautycznym.
RYS. 2a. Symulowane zgniecenie rury cienkościennej ze zgrzeinami punktowymi, pokazujące wpływ elementów złącznych na przewidywane odkształcenie
RYS. 2b. Na schemacie pokazano, jak rozłożenie połączeń ABAQUS pozwala elementom złączonym niezależnym od zazębienia łączyć się z obszarem powierzchni podzielonej na siatkową zamiast z określoną lokalizacją węzła
Patrząc w przyszłość producenci samochodów badają korzyści, jakie wiążą się z zastosowaniem klejów konstrukcyjnych do łączenia zespołów. Łączenia klejone mogą okazać się bardziej wytrzymałe i mogą umożliwiać lepszą redukcję hałasu, niż łączenia wykonane za pomocą zgrzein punktowych. Aby wykonać symulację zachowania klejów konstrukcyjnych podczas zderzenia pojazdu, inżynier może skorzystać z funkcji oprogramowania ABAQUS, zwanej „elementy spójne”, która pozwala na modelowanie odkształceń i uszkodzeń połączeń klejonych tam, gdzie połączone elementy stykają się. ABAQUS obsługuje również nowoczesne zastosowania kompozytów samochodowych oraz obecnie bada kilka modeli uszkodzeń kompozytów przeznaczonych do analizy zderzeń.
Bezpieczeństwo pasażerów
Aby przewidzieć, co stanie się z pasażerami pojazdu podczas zderzenia, analitycy techniczni modelują wzajemne oddziaływanie na siebie manekinów oraz siedzeń samochodowych, systemów pasów bezpieczeństwa oraz dodatkowych poduszek powietrznych. W systemie ABAQUS system pasów bezpieczeństwa jest modelowany za pomocą serii charakterystycznych elementów łączących. Są to wyobrażenia 1D reprezentujące szczególną kinematykę punktów połączeń systemu pasów. Jednym z nich jest specjalne połączenie typu koła pasowego zwane „pierścieniem ślizgowym”.
Element łączący zwany pierścieniem poślizgowym pozwala na zmianę kierunku poruszania się linki lub kabla tak, jakby miało to miejsce na kole pasowym. Pierścień ślizgowy modeluje zachowanie pasa bezpieczeństwa podczas zderzenia tak samo, jak obciążenie wywołane przez przesuwający się manekin powoduje odkształcenie plastyczne i rozciąganie materiału pasa na mocowaniach. Jak pokazano na rys. 3, do modelowania pasa bezpieczeństwa wykorzystanych zostało sześć pierścieni poślizgowych, poczynając tam, gdzie pas rozwija się ze zwijacza znajdującego się w słupku B samochodu. Różne połączenia modelują zachowanie zwijacza pasa oraz napinacza.
RYS. 3. Ramy pochodzące z symulacji systemu pasa bezpieczeństwa. Wstępna prędkość manekina została ustawiona na ok. 45 mil/h, podczas gdy fotel oraz punkty mocowania pasa bezpieczeństwa do ramy pojazdu są nieruchome, emulując w ten sposób pojazd, który uległ nagłemu zatrzymaniu Promień obszaru, na który wpływ wywiera połączenie
Połączenia pierścienia ślizgowego również mają zastosowanie w innych niż motoryzacja gałęziach przemysłu, np. w inżynierii wodno-lądowej oraz inżynierii przybrzeżnej, gdzie mogą być wykorzystywane chociażby do modelowania systemów kablowych.
W ABAQUS modelowanie zabezpieczeń złożonych z dodatkowych poduszek powietrznych zostało oparte na koncepcji płynowych zagłębień opartych na powierzchniach. Powierzchnia struktury poduszki powietrznej została zdefiniowana z wykorzystaniem regularnych elementów skończonych, ale płyn znajdujący się wewnątrz poduszki nie jest uziarniony. Zamiast tego gaz został zdefiniowany jako ciągłe ciśnienie, które rozchodzi się od urządzenia nadmuchującego i jest natychmiast odczuwalne w całej poduszce powietrznej. W miarę rozwoju symulacji do ciśnienia zamkniętego płynu, znajdującego się na granicy wgłębienia, dodawane są odkształcenia struktury wypełnionej płynem. Zagłębienia płynowe oparte na powierzchniach są wykorzystywane również w przemyśle wytwórczym do modelowania procesu formowania z rozdmuchiwaniem.
Podobnie jak wiele modeli FEA, modele poduszek powietrznych są weryfikowane poprzez porównywanie wyników symulacji z danymi z eksperymentów. Producent poduszek powietrznych opracowuje produkt, wykonuje testy fizyczne i mierzy reakcję fizyczną systemu. Następnie symulacja jest tak opracowywana, by modelowała test fizyczny. Im bardziej wyniki symulacji zgadzają się z wynikami eksperymentów, tym bardziej producent może być pewny – korzystając z modelu – że właściwie przewidzi zachowanie konstrukcji poduszek powietrznych.
Rysunek 4 pokazuje wyniki symulowanego testu impaktora bocznej kurtyny powietrznej (model kurtyny powietrznej udostępniła Autoliv GmbH.). W tej symulacji poduszka powietrzna została podzielona na 18 komór, by przybliżyć niejednolite rozłożenie gazów i gradientów ciśnienia obserwowanych podczas napełniania. Każda z komór została oddana w modelu jako zagłębienie płynowe oparte na powierzchni. Powierzchnia poduszki powietrznej została przedstawiona za pomocą elementów membranowych i wykorzystuje model materiału specjalnej tkaniny, który jest dostępny w ABAQUS. Impaktor został oddany jako struktura sztywna o masie całkowitej wynoszącej 7,2 kg oraz prędkości początkowej równej 4500 mm/s skierowanej na napełniającą się poduszkę. Wyniki symulacji pokazują bliską zbieżność z próbami fizycznymi.
RYS. 4. Symulowany test napełnionej bocznej kurtyny powietrznej, obrazujący ciężar ludzkiej głowy oraz przyspieszenie zwykle obserwowane przy bocznych zderzeniach pojazdów
Moc obliczeniowa
Aby lepiej obsługiwać modelowanie zderzeń i podobnie złożone symulacje, ABAQUS rozwinął swoją prędkość komputerowego przetwarzania równoległego wykorzystując metodę rozkładu domeny. Pomysł polega na podzieleniu modelu symulacji na oddzielne domeny i uruchomieniu każdej domeny na osobnym procesorze (CPU). Tam, gdzie domeny łączą się, udostępniona została wymiana informacji, by zapewnić spójną kolejność obliczeniową. Teoretycznie model jest tak rozłożony, by każdy procesor (CPU) wykonywał zbliżoną pracę (patrz rys. 5).
RYS. 5. Aby ograniczyć czas działania symulacji zderzenia, ABAQUS wykorzystuje równoległe obliczanie rozdzielonych domen. Model jest rozdzielony na osobne domeny, z których każda jest uruchomiona na oddzielnym procesorze (CPU)
W przypadku symulacji zderzenia, która obejmuje krytyczne odkształcenia materiałów, bardzo nieznaczne różnice numeryczne wypływające z kolejności, w której informacje są wymieniane pomiędzy domenami, mogą prowadzić do znacznych niezgodności w wynikach, kiedy ten sam model jest uruchamiany z wykorzystaniem różnej liczby domen. Wprowadzenie obliczania równoległego stanowi dodatkowe kroki mające na celu zminimalizowanie tych efektów i zapewnienie powtarzalności wyników. A co za tym idzie, powtarzalność wyników stwarza pewność, że… symulacja jest poprawna.
Autor jest menedżerem samochodowym
firmy ABAQUS Inc.
Autor: ERIC WEYBRANT
