Mi történik, ha beborul? | 3. rész

A standard borítási kísérlet modellezése. Ábra: [14]

> > > 2. rész < < <

A szimuláció elméleti alapjai

Általánosságban elmondható, hogy amikor egy test egy másik testnek ütközik, az ütközés közös területén, lokális jelenség játszódik le, amely érintkezési-súrlódási és deformációs hatásokkal jár együtt. Az ütközés után a testek szétválhatnak (visszarugózhatnak) vagy egyben maradhatnak. A rugalmasságot és a deformációt a testek tömege, anyaga, az ütközés és az alakváltozás iránya, sebessége, valamint a súrlódási viszonyok befolyásolják.

Ahhoz, hogy az ütközést, mint fizikai jelenséget modellezzük, először az ütközésben résztvevő testeket (majd magát a jelenséget) kell valamilyen módon modellezni. A végeselem módszer és modell, amely régóta használatos szilárdsági, dinamikai, hő- és áramlástani feladatokra, megfelelő megoldást kínál az ütközések modellezésére is.

A végeselem módszer a numerikus módszerek egyike, olyan közelítő módszer, amely egy feladat egzakt, zárt formájú megoldása helyett a megoldást valamilyen változó, vagy változók önkényes, de célszerű felvételével közelíti. A módszer lényege az az alábbiakban foglalható össze:

1. A vizsgált tartományt véges számú, a tartományt egyszeresen lefedő résztartományokra, azaz véges méretű elemekre bontjuk.
   

2. A résztartományokon belül az elmozdulásmező meghatározásához közelítő (approximációs) függvényeket veszünk fel. A tartományok méretét úgy kell megválasztani, hogy a vizsgált teljes tartomány alakváltozását leíró elmozdulás-függvényt a felvett approximációs függvények rendszere előírt pontossággal közelítse.
   

3. A résztartományok approximációs függvényeinek felvételekor figyelembe kell venni, hogy a tartományok peremén kompatibilitási (illeszkedési) feltételeket is ki kell elégíteni. A gyakorlatban többnyire lineáris vagy másodfokú közelítést alkalmaznak.
   

4. A közelítő függvény-rendszer paramétereit – valamilyen alkalmas fizikai elv (pl.: energia minimum) segítségével képezhető – algebrai egyenletrendszerből határozzuk meg. Ezt fejezi ki a végeselemes módszer alapegyenlete:

K u = F

ahol:

K         a test (vagy szerkezet) módosított merevségi mátrixa          u          a csomóponti elmozdulások vektora  F          a test (vagy szerkezet) általánosított terhelési vektora.

A merevségi mátrix (elem tulajdonságok által meghatározott) együtthatóinak, a külső csomóponti erők vektorának, valamint a kényszerek (alátámasztások, befogások) definiálása után a végeselemes módszer alapegyenlete algebrai egyenletrendszerré alakul, amelynek megoldása megadja a csomópontok elmozdulásait, azután az ébredő feszültségek is számíthatók.

Ez a klasszikus végeselem módszer tehát megfelelő statikai, dinamikai stb. számítási feladatokra, de egy ütközés esetén nem lehet előre megmondani, hogy a járműmodell melyik csomópontja melyik másik csomóponttal fog találkozni. Vagyis olyan szoftverre van szükség, amely maga keresi meg ezeket a kontakt kapcsolatokat és végzi el a számítást. Egy ilyen ütközés szimulációs szoftver (LS-Dyna, PAM-Crash) az ütközést, mint időben lejátszódó folyamatot modellezi, ennek megfelelően un. időlépések szerint számolja az eredményeket. Minden időlépésben (0,001 sec) un. kontakt keresési és kontakt kezelési algoritmust hajt végre. Második lépésként pedig megoldja azt az egyenletet, amely a fizikai problémát leíró modell approximációja. A kontakt keresési és kezelés igen időigényes tevékenység a számítógép processzora számára.

A járműszerkezetekre vonatkozóan az ütközésállósági szimulációkban az általános szerkezeti modell részletes felállítása csak időmennyiségi probléma, a fő nehézséget az adott ütközési szituációra érvényes kiindulási peremfeltételek, az érvényes dinamikai anyagmodell(ek) és a gyártási technológiának megfelelő geometriai modell meghatározása jelenti.

Komplett autóbusz ütközésállósági szimulációja

A számításhoz felhasznált buszmodell egy európai, nem alacsony padlós városi-elővárosi járművet reprezentál három utasajtóval. Az általunk használt PAM-Crash programban az autóbuszmodell egy olyan végelemes struktúra, amelynél a teljes vázszerkezet modellezése héj elemekkel történt, a nem teherviselő lemez és műanyag elemek (homlok- és hátfal) nem szerepelnek. A karosszériaelemek összekapcsolása egyszerű csomópont összevonással, vagy speciális „ponthegesztési” elemek alkalmazásával lehetséges. A szimuláció célja a karosszéria viselkedésének vizsgálata, de ennek pontos meghatározása elképzelhetetlen a többi alkatrész modellezése nélkül. A buszmodellbe kerekekkel felszerelt mellső- és hátsó futómű, valamint a motor és váltó egység is be van építve. E fődarabok modellezése külső burkolófelületükön héj elemekkel történt, majd – mivel ezek önmagukban jóval merevebbek, mint a vázszerkezet – merev testként lettek definiálva. (A kerék gumiabroncsa természetesen nem merevebb, mint a karosszéria, de a számítás során végig a levegőben marad, így az eredményt nem befolyásolja. Egyébként kerekek modellezésére héj elemekből felépített és belső nyomással ellátott modellek is használatosak.) [14]

Valós motorbeépítéssel és futómű felfüggesztéssel kialakított végeselem modell

A merevséget növelő üvegek vázhoz való rögzítése ragasztást modellező kontakt kapcsolat definiálásával történt. A szélvédő és hátfali üveg jelentős szerepet játszik a jármű csavaró merevségében, azonban ezek az üvegek az elsők között törnek ki. Ezért az üveg anyagdefiníciójában egy speciális opciót alkalmaztunk: megadott alakváltozás-határ után az anyag részei (a végeselem háló elemei) szétválnak, jelen esetben ezzel leképezve az üveg repedését ill. kitörését.

A legnagyobb gondot a megfelelő anyagmodell kiválasztása, a zártszelvények alakváltozás-függő viselkedése jelentette. Feltételezésünk szerint ezen paramétereket nemcsak az alakváltozás sebessége, hanem iránya, jellege, a zártszelvény falvastagsága is befolyásolja. A szimuláció elvégzésének idején sem szakirodalmi adat, sem mérési eredmény nem állt rendelkezésre és kísérletre sem volt lehetőség. Jobb híján azonos anyagú, lemezalkatrészt szimuláló modellt használtunk fel, tudván, hogy teljesen pontos eredményt így sem kaphatunk.

A borulás energiaviszonyainak pontos követése a sebességi és tömegjellemzők precíz megadásával történt. A fődaraboknak külön-külön számolt és az autóbusznak együttesen adódó tömege, a súlypont koordinátái a valóságnak megfelelnek. A szimulációban a standard borítási vizsgálatot modelleztük. [14]

A végeselem modell jobb oldalról

Az autóbuszmodell és jellemzői:

Csomópontok (node) száma: 54200

Lemez elemek (shell) száma: 61900

A mellső és hátsó futómű felépítése, valamint a motor-váltó egység karosszériához való bekötése gömbcsuklókkal ellátott rúd (bar) elemekkel történik.

A jármű méretei:

Hossz: 11000 mm, Szélesség: 2500 mm, Magasság: 2940 mm,

Tengelytáv: 5570 mm, Mellső/hátsó kinyúlás: 2630/2800 mm

A busz össztömege: 15855 kg.

A jármű koordináta rendszere: x a menetirány szerint előre, y a középsíktól a menetirány szerint jobbra, z tengely pedig felfelé mutat. Az origó a mellső tengely és a jármű középsíkjának metszésvonalában a talajon helyezkedik el.

A súlypont koordinátai:

x=3500 mm (a mellső tengely vonalától hátra, a hátsó tengelytől 2070 mm-re előre)

y=62 mm (a középsíktól balra)

z=944 mm (a talajtól mérve felfelé)

A borulás szimulációja

Az előírás szerinti standard borulási kísérlet az első részben, a borulás folyamata pedig a második részben került bemutatásra. A szimuláció kezdőpontja az a pillanat, amikor a szabvány szerinti 800 mm mély merev felszínű árokba mar leborult a busz, a tetőél még éppen nem ér a talajhoz. Ebben a 0. kezdőpillanatban az autóbusznak pillanatnyi szögsebessége van, amelynek forgástengelye a felső vízszintes borítófelület és a függőleges fal metszésvonala. A járműre a továbbiakban csak a gravitáció hat. A számítás 150 ms-ig tart, ekkor a busz meg nem került teljesen nyugalmi helyzetbe (!), mert a szoknyarésze még nem érte el a talajt, de a mellöv (ami a túlélési tér szempontjából fontos rész) mar a talajon van, és deformációs munkával elnyelte az előírt energiát.

A szimuláció során két változatot vizsgáltunk.

A változat: a teljes vázszerkezet, beleértve az ablakoszlopokat és a hozzá tartozó ablaktartó profilokat, a valóságnak nagyságrendileg megfelelő anyagvastagsággal és anyagtulajdonságokkal definiált. Az ablakoszlopok esetében ez 2 mm falvastagságot és 240 MPa folyáshatárú acélt jelent.

B változat: a gyengített modellben az ablakoszlopok,  – a második és az utolsó ablakoszlopok kivételével, amelyek eredeti anyagvastagságban maradtak meg és tartalmazzak a borulókereteket is -, gyakorlatilag hiányoznak. Ebben a modellben 0,1 mm falvastagsággal vettük figyelembe ezeket a gyengített ablakoszlopokat, amelyek a modellben piros színnel vannak jelölve.

Eredmények

Az eredmény azt mutatta, hogy az autóbusz szerkezeti részei behatolnak az előírás által definiált túlélési térbe, vagyis az általunk készített modell nem felel meg a szabványos előírásnak. Ennek okát két dologban találjuk. Nem volt a birtokunkban tervdokumentáció, amely az autóbusz teljes geometriáját tartalmazta volna, így sok helyen egyszerűsítéssel, közelítéssel éltünk. Az anyagmodell szintén nem a valóságnak megfelelő, valószínűleg gyengébbnek feltételeztük, mint ahogy az a valóságban létezik.

A következő diagramokon a deformációs munkával elnyelt belső energia függvényeket ábrázoltuk.

A mellső és a hátsó merev keretre jutó deformációs energia (A kivitel)

A mellső és a hátsó merev keretre jutó deformációs energia legyengített ablakoszlopok esetén (B kivitel)

A második (B) esetben 17%-kal nagyobb deformációs energia jut a mellső és hátsó „borulókeretekre”, mint normál ablakoszlopok beépítése esetén.

A korábbi laboratóriumi mérések azt mutatták, hogy az összes ablakoszlop megléte vagy hiánya 15-20%-nál nem nagyobb részben befolyásolja az energiaelnyelést, illetve más megfogalmazásban a boruláskor a vázszerkezet által elnyelendő energia kevesebb mint 15-20%-a jut az ablakoszlopokra.

Annak ellenére, hogy ezen szimuláció fő célja a módszer bemutatására és nem precíz értékek meghatározása volt, az ablakoszlopokra vonatkozó eredmény igazolta a laboratóriumi méréseket. A szimulációkból illetve a deformációs görbékből megállapítható, hogy az autóbusz felépítményének szilárdságát, borulásbiztonságát a terebélyes, merev mellső és hátsó részek adják. [14]

A fejlett számítógépes programoknak nem csak az az előnye, hogy gyorsabban és magas áruk ellenére a vizsgálatok olcsóbban elvégezhetők, de az is, hogy a kis változások hatása is pontosan és körüljárhatóan nyomon követhető és a számítások számtalanszor megismételhetők.

Összegzésként elmondható, hogy ma már adott egy olyan eszköz, amellyel teljes borulásszimulációs feladatok is elvégezhetőek, a pontos eredményekhez azonban a kísérletekkel való alapos összehasonlítás, validálás nélkülözhetetlen.

Irodalomjegyzék:

[1]   Deák János-Dr. Véssey Tamás: Gépjárművek passzív biztonsága        KÖTUKI 33. sz. kiadványa, 1979.

[2]   Autóbuszok utasbiztonsági követelményei               Közúti Közlekedési Tudományos Kutató Intézet témajelentése; 1978, 1984, 1986, 1988

[3]   ENSZ-EGB 66.sz. Előírás

[4]  Dr. Molnár Csaba -Pintér Károly: Autóbusz tetőszilárdság számítógépes szimulációja                XXI. Autóbusz Szakértői Tanácskozás

[5]  Dr. Matolcsy Mátyás: Felépítményszilárdság számításának néhány alapvető kérdése a nemzetközi jóváhagyás szempontjából. Járművek, Építőipari és Mezőgazdasági Gépek, 1993. 6-7.szám

[6] Dr. Matolcsy Mátyás-Dr.Molnár Csaba: Képlékeny csuklók működése autóbusz  vázakban karambolok esetén

[7] Dr. Molnár Csaba-Takács Ferenc-Tóth György: Képlékeny csukló szimulációja a SYSTUS végeselem programmal. Járművek, Építőipari és Mezőgazdasági Gépek, 1993. 2. szám

[8] Dr. Matolcsy M. – Dr. Molnár Cs.: Autóbusz borítási kísérlet, mint folyamat és ennek energiamérlege. Járművek, 1999, 7-8. szám

[9] Matolcsy Mátyás: Autóbusz borítóvizsgálat szimulációjának feltételei. Járművek, 2000. 7-8. szám

[10] Matolcsy Mátyás: Standard baleset, mint a jóváhagyó vizsgálatok alapja. Járművek 2001. 6-7. szám

[11] Az Ikarus 365 típusú autóbusz felépítményének szilárdsági ellenőrzése számítással           AUTÓKUT, 1989

[12] Horváth Norbert: Vázszerkezeti csőelemek plasztikus alakváltozásának vizsgálata, különös tekintettel az autóbusz borulás közbeni viselkedésére. Diplomamunka, 1997

[13]  Vincze-Pap Sándor: Autóbuszok ütközésállósági vizsgálatai és vizsgálati módszerei, különös tekintettel a borulásbiztonságra, a vázszerkezetek képlékeny csuklóira és zónáira, Ph.D dolgozat, 2008

[14] Vincze-Pap Sándor – Horváth Norbert – Csiszár András – Szász Attila: Autóbuszok passzív biztonsági vizsgálata számítógéppel. 33. Nemzetközi Autóbusz Szakértői Tanácskozás, 2002.

[15] Vizsgálati értesítő az Ikarus 386 típusú autóbusz tetőszilárdságának ENSZ EGB 66. előírás szerinti ellenőrzéséről. AUTOKUT, munkaszám: 95.0019.02, jelentés száma: VS-022/95

[16] Vizsgálati jelentés. A Karosa C 734.20 típusú távolsági autóbusz ENSZ EGB 66-os számú előírása szerinti borítóvizsgálata. Autókut, 1989. Vizsgálati értesítő száma: V-262-77/89. Munkaszám: 89.503.01-14

#műszakicikk #borulás #borulásvizsgálatbusz #buszborítás #borításvizsgálat #busz #autóbusz #buszborulás