Исследование и оптимизация прочностных и жесткостных параметров магнитоактивных эластомеров, используемых в конструкции травмобезопасного бампера автомобиля Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Механика деформируемого твердого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (4), с. 1401-1403

УДК 620.22;419:629.33

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И ЖЕСТКОСТНЫХ ПАРАМЕТРОВ МАГНИТОАКТИВНЫХ ЭЛАСТОМЕРОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В КОНСТРУКЦИИ ТРАВМОБЕЗОПАСНОГО БАМПЕРА АВТОМОБИЛЯ

© 2011 г. В.В. Богданов\ Р.В. Боков1, Д.Ю. БориН

'Московский государственный технический университет «МАМИ» 2Институт механики жидкостей Дрезденского технического университета (Германия)

bogdanov@mami.ru

Поступила в редакцию 15.06.2011

Представлены теоретические и экспериментальные результаты исследований магнитоактивных (магни-тореологических) эластомеров различной внутренней структуры, используемые авторами при разработке конструкции травмобезопасного энергопоглощающего бампера легкового автомобиля. Внимание акцентировано на расчете и оптимизации ряда прочностных и жесткосных параметров вышеупомянутых материалов при динамических нагрузках, эквивалентных фронтальному столкновению легкового автомобиля с препятствием или пешеходом.

Ключевые слова: бампер, магнитореологический эластомер, фронтальный удар, эффект памяти формы.

Решение проблемы безопасности на автомобильном транспорте в России, в частности минимизация негативных последствий ДТП при столкновении автомобилей с пешеходами, представляет собой актуальную задачу [1]. Один из действенных путей решения данной проблемы — применение новых смарт-материалов (в том числе с эффектом памяти формы, например таких, как магнитоупругие или магнитореалогические эластомеры) в конструкциях энергопоглощающих травмобезопасных бамперов, как первых элементов конструкции, соприкасающихся с препятствиями во время удара [2].

Магнитоактивный эластомер — композит, состоящий из упругой матрицы (на основе силиконовой резины) и микро- или наночастиц магни-томягкого материала (например, порошка карбонильного железа) — под действием наведенного внешнего магнитного поля из-за сил взаимодействия между частицами, вызывающих процессы образования структур и препятствующих механической деформации образца материала, способный за единицы миллисекунд изменять свою жесткость, а также обладающий другими магнито-управляемыми эффектами. Из последних для практического применения в автомобилестроении более всего пригодны следующие: магнитореоло-гический (увеличение модуля Юнга в зависимости от приложенного магнитного поля), магнито-деформационный (изменение геометрических размеров образца в неоднородном магнитном поле), сжатие в переменном магнитном поле, маг-

нитострикционный эффект (изменение формы в однородном магнитном поле) и эффект памяти формы (если к образцу, помещенному в однородное магнитное поле, приложить усилие и деформировать его, то он приобретает и сохраняет вновь приданную ему форму, а при снятии магнитного поля принимает первоначальную форму). Экспериментально-теоретическое исследование вышеупомянутых эффектов способствовало созданию конструкции энергопоглощающего травмобезопасного бампера [2, 3] с накладкой из магнитоак-тивного эластомера.

Экспериментальные исследования внутренней структуры и свойств магнитоактивных эластомеров с различной концентрацией и дисперсностью магнитного наполнителя, проведенные в МГТУ «МАМИ» и Техническом университете Дрездена, позволили выбрать два наиболее подходящих для обеспечения травмобезопасности на автомобильном транспорте вида образцов вышеупомянутых материалов, микроструктура которых (а — анизотропная, б — изотропная) приведена на рис. 1.

Рис. 1

1402

В.В. Богданов, Р.В. Боков, Д.Ю. Борин

С целью определения наилучших параметров и характеристик конструкции бампера (с точки зрения энергопоглощения и травмобезопасности) еще на стадии проектирования были проведены расчеты методом конечных элементов (МКЭ). Математическая модель представляла собой пространственную трехмерную деформируемую конструкцию. Тело бампера моделировалось оболо-чечными элементами, а магнитоактивный эластомер - трехмерными объемными элементами.

С учетом данных проведенных экспериментальных исследований эластомеров были проанализированы различные математические модели нелинейных гиперупругих материалов. По результатам анализа было проведено численное моделирование имевшего место эксперимента и корреляция полученных расчетных и эксперимен-

тальных параметров.

По уточненным данным модели, в свою очередь, были проведены соответствующие расчеты конструкции бампера на прочность и жесткость, проведена многопараметрическая оптимизация для изотропной и анизотропной моделей магни-тоактивного эластомера по его толщине, форме, варьированию определенных конструктивных элементов тела бампера. На рис. 2 приведены примеры расчетов МКЭ осуществленного моделирования конструкции бампера с магнитоактивным эластомером. На рис. 2 представлено распределение эквивалентных напряжений в эластомере (на фрагменте конструкции бампера). На рис. 3 показана деформация фрагмента конструкции бампера с накладкой из магнитоактивного эластомера.

Рис. 2

Исследование и оптимизация прочностных и жесткостных параметров магнитоактивных эластомеров 1403

Список литературы

1. Балабин И.В., Богданов В.В., Симос Дж. Бампер легкового автомобиля как эффективный носитель функции защиты от травмирования участников движения // Журнал автомобильных инженеров. 2010. №5 (64).

2. Балабин И.В. и др. Магнитореологический

эластомер с эффектом памяти формы как компо нент энергопоглощающего покрытия бампера АТС // Автомобильная промышленность. 2010. №10.

3. Bogdanov V., Borin D., Stepanov G., Andru-szkiewicz A. Usage of magneto-active elastomers in a bumper of a vehicle for front impact protection // J. Physics: Conference Series 149. 2009. P. 012089.

INVESTIGATION AND OPTIMISATION OF THE STRENGTH AND RIGID PROPERTIES OF MAGNETORHEOLOGICAL ELASTOMERS USED IN THE DESIGN OF THE CAR TRAUMA-SAFE

ENERGY-ABSORBING BUMPER

V V. Bogdanov, R. V. Bokov, D. Yu. Borin

Theoretical and experimental results of the investigations of magnetorheological elastomers with various internal structures are presented. These elastomers are used by the present authors in designing a safe energy-absorbing bumper for vehicles. The study is focused on the calculation and optimization of the strength and rigid properties of elastomers under dynamic loadings equivalent to the frontal impact of the passenger vehicle with an obstacle or a pedestrian.

Keywords: bamper, magnetorheological elastomer, front impact, memory shape effect.