CC BY
86
УДК 629.113
Л. Н. Орлов, А. В. Тумасов, А. В. Герасин
РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ КУЗОВА АВТОБУСА1
Аннотация. Актуальность и цели. Проблема снижения тяжести последствий дорожно-транспортных происшествий (ДТП) является всегда актуальной. Особое внимание уделяется вопросам повышения пассивной безопасности автобусов, поскольку ДТП с участием пассажирских транспортных средств характеризуются серьезными травмами и ранениями, получаемыми пассажирами во время аварии. Хорошо известно, что одним из наиболее опасных видов ДТП является опрокидывание, характеризуемое высокими динамическими нагрузками, действующими на кузовную конструкцию автобуса. Требования безопасности, предъявляемые к несущим системам пассажирских транспортных средств большой вместимости, регламентируются Правилами ЕЭК ООН № 66, предполагающими проведение оценки пассивной безопасности как по результатам расчетов, так и по результатам компьютерного моделирования. Проведение полномасштабных испытаний, имитирующих опрокидывание автобуса, как правило, связано с большими материальными затратами. В этой связи в настоящее время существенную роль в оценке пассивной безопасности играют расчетные методы, позволяющие реализовать достоверное виртуальное моделирование условий аварийного нагружения кузовных конструкций. Однако при использовании расчетных методов особое внимание следует уделять вопросу адекватности исследуемой расчетной модели. Основной целью настоящей работы является подтверждение правомерности практического применения результатов компьютерного моделирования условий опрокидывания секций и кузова в целом при использовании их подробных конечно-элементных моделей для оценки пассивной безопасности автобусов. Материалы и методы. Подтверждение правомерности результатов компьютерного моделирования проведено на основе сравнительного анализа результатов расчетов с данными экспериментальных исследований поведения секций кузова автобуса под действием аварийной нагрузки. Методика расчетов включает формирование моделей секций, условий их закрепления и нагрузки; проведение нелинейного расчета с использованием современных программных средств; анализа полученных результатов. Стендовые испытания секций проведены в лаборатории кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ на уникальном оборудовании, позволяющем воспроизводить условия нагружения секций в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН № 66. Результаты. Получены новые расчетные и экспериментальные зависимости изменения разрушающих нагрузок от деформаций, имеющие хорошую сходимость с данными экспериментальных исследований. На основании этого выполнена расчетная оценка безопасности кузова автобуса. Выводы. Доказана достоверность результатов компьютерного моделирования на примере сравнения расчетных и экспериментальных данных по отдельным секциям кузова. Сделан вывод об обоснованности применения предлагаемой расчетноэкспериментальной методики оценки безопасности кузовов при проектировании и доводке автобусов, а также при разработке их модификаций.
Ключевые слова: пассивная безопасность, автобус, секции кузова, несущая способность, испытания, компьютерное моделирование.
1 Работа выполнена в рамках поисковой НИР, финансируемой из средств Федеральной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
L. N. Orlov, A. V. Tumasov, A. V. Gerasin
EXPERIMENT-CALCULATED ASSESSEMENT OF BUS BODY PASSIVE SAFETY
Abstract. Background. The problem of reducing severity of road traffic accidents (RTA) is always relevant.Particular attention is paid to improving the passive safety of buses, as accidents involving passenger vehicles are characterized by severe injuries and wounds, obtained by the passengers in an accident. It is well known that one of the most dangerous types of rollover accidents is characterized by high dynamic loads acting on the bus body constriction. The safety requirements for passenger carrying systems of large vehicles are regulated by ECE Regulation number 66, involving the assessment of passive safety as by the results of the calculations and also by the results of computer simulations. Usually full-scale bus rollover simulating tests require high material costs. In this regard, currently the computational methods implementing a reliable virtual simulation of the emergency conditions of body structures loading play a significant role in the assessment of passive safety. However, special consideration should be given to the adequacy of the study design model when using computational techniques. The main purpose of the study is to confirm the legitimacy of the practical application of the computer simulation results on conditions of separate sections and bus body rollover with the use of their detailed finite element models to assess the passive safety of buses. Materials and methods. Validity confirmation of the computer simulation results is carried out on the basis of a comparative analysis of the calculation results with the experimental studies of the body sections behavior under the influence of emergency bus load.
The calculation procedure involves the formation of section patterns, the conditions of their attachment and loading, carrying out of non-linear analysis using modern software tools, analysis of the results. Bench tests of separate sections was conducted in the laboratory of "Automobiles and Tractors" Department of NNSTU with the use of unique equipment that allows to reproduce the loading conditions of sections in accordance with the requirements of Regulation number 66. Results. The new computational and experimental dependences of the failure loads and deformations with good convergence in the experimental studies were obtained. On the basis of these calculations the bus body safety assessment was made. Conclusions. The validity of the computer simulation results was proved by comparing the calculated and experimental data on individual body sections. The reasonableness of the proposed settlement and an experimental methodology for assessing of the bodies safety during designing and final stages, as well as in the development of their modifications was proved.
Key words: passive safety, bus, body section, load bearing capacity, tests, computer simulation.
Расчетно-экспериментальный метод оценки пассивной безопасности кузовов занимает определенное место при доводке и сертификации автобусов. При этом заслуживает внимания посекционное испытание кузова: оценка несущей способности секций по разрушающим нагрузкам, сравнение результатов расчетов и экспериментов, корректировка расчетной модели всего кузова и последующая оценка его пассивной безопасности по результатам компьютерного моделирования.
Апробация данного метода проведена на кафедре «Автомобили и тракторы» НГТУ им. Р. Е. Алексеева на примере кузова автобуса. Полномас-
штабные испытания двух передних, двух задних и средней секций кузова осуществлены на специальном стенде (рис. 1).
Рис. 1. Стенд для разрушающих испытаний кузовных конструкций
Стенд имеет опорное основание, несущие колонны с жесткой обвязкой по периметру, нагружающую балку с динамометрическими площадками, включающими скобы ИИ-Т2, гидравлическую систему с насосной станцией и двумя гидроцилиндрами. Перемещение нагружающей балки по дуге задается ее направляющими и имитирует движение опорной поверхности на конструкцию так, если бы секция на нее падала, как по условиям испытания в соответствии с Правилами ЕЭК ООН № 66. Измерительная система предусматривает регистрацию напряжений в характерных местах с помощью тен-зорезисторов FLA-5-11 и тензостанции TDS-150; перемещений мест приложения нагрузки, деформаций конструкций с помощью лазерных триангуляционных LS5-100/200, струнно-потенциометрических и струнно-тензометри-ческих датчиков (рис. 2).
Испытания передних и задних секций проводились попарно с целью получения характера их разрушения аналогичного, как в составе всего кузова. Для этого они предварительно жестко соединялись между собой на определенном расстоянии с помощью трубчатых элементов. На рис. 3 показан результат разрушения передних секций, а на рис. 4 - соответствующие графические зависимости. Передняя секция кузова имеет несимметричную конструкцию, поэтому кривые 1 и 2 отличаются друг от друга. Как видно из рисунка, несущая способность секций по разрушающей нагрузке выше в случае опрокидывания автобуса влево. Эти условия испытаний были смоделированы в компьютере с использованием программного комплекса LS-DYNA. Полученная при этом расчетная картина деформируемости модели приведена на рис. 5. Как видно из сравнения с рис. 3, они хорошо согласуются с результатами испытаний, что подтверждает правомерность выбора конечно-элементных моделей.
Рис. 2. Схема расположения датчиков
Рис. 3. Разрушение передних секций при испытании
Аналогичные результаты по сходимости получены для задних секций (рис. 6). На рис. 6,а показан фрагмент их испытаний, а на рис. 6,б - результат компьютерного моделирования.
Рис. 4. Зависимости между нагрузкой и перемещением для передней секции в условиях опрокидывания автобуса влево (1) и вправо (2)
Рис. 5. Деформированный вид модели передних секций
На рис. 7 показаны результаты разрушающих испытаний (рис. 7,а) и их компьютерного моделирования (рис. 7,б) для средней секции кузова. Полученные при этом и приведенные на рис. 8 графические зависимости изменения нагрузки от деформации конструкции имеют хорошую сходимость. На этом рисунке показаны результаты для двух поперечных сечений, входящих в секцию.
Полученная сходимость результатов статических нагружений при рассмотрении отдельных секций кузова, а также данных по ударным нагружениям дают основание судить об обоснованности выбора конечно-элементных моделей. Используемые принципы их построения можно распространить на разработку конечно-элементной модели всего кузова [1-3].
Рис. 6. Деформированный вид задних секций: а - при испытании; б - по результатам расчета
Рис. 7. Деформированный вид средней секции: а - при испытании; б - по результатам расчета
На рис. 9 для примера приведены результаты компьютерного моделирования и оценки деформируемости кузова в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН № 66. Отсутствие проникновения элементов салона кузова в зону необходимого остаточного пространства свидетельствует о соответствии конструкции существующим требованиям.
«)
б)
Рис. 8. Зависимость Е = А$) для первого (а) и шестого (б) поперечных сечений средней секции; 1 - эксперимент, 2 - расчет
Таким образом, выполненные исследования подтверждают правомерность использования разрабатываемых конечно-элементных моделей и обоснованность используемых подходов для оценки пассивной безопасности кузовов автобусов.
б)
Рис. 9. Деформированный вид модели кузова автобуса (а) при действии ударной нагрузки со стороны поворотной плиты и сохранение остаточного жизненного пространства (б)
Список литературы
1. Орлов, Л. Н. Оценка пассивной безопасности, прочности кузовных конструкций автомобилей и автобусов : моногр. / Л. Н. Орлов. - Н. Новгород : Изд-во НГТУ, 2005. - 230 с.
2. Основы разработки конечно-элементных моделей кузовных конструкций автотранспортных средств. Расчеты на безопасность и прочность : учеб. пособие / Л. Н. Орлов, А. В. Тумасов, Е. В. Кочанов, С. А. Багичев, Е. А. Наумов. - Н. Новгород : НГТУ, 2009. - 153 с.
3. Оценка несущей способности каркаса кузова автобуса по результатам компьютерного моделирования / А. В. Тумасов, Л. Н. Орлов, П. С. Рогов и др. // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева / НГТУ им. Р. Е. Алексеева. - Н. Новгород, 2012. - № 3 (96). - С. 150-156.
References
1. Orlov L. N. Otsenka passivnoy bezopasnosti, prochnosti kuzovnykh konstruk-tsiy avto-mobiley i avtobusov: monografya [Assessment of passive safety and strength of automobile and bus body constructions: monograph]. Nizhny Novgorod: Izd-vo NGTU, 2005, 230 p.
2. Orlov L. N., Tumasov A. V., Kochanov E. V., Bagichev S. A., Naumov E. A. Osnovy razrabotki konechno-elementnykh modeley kuzovnykh konstruktsiy avtotransportnykh sredstv. Raschety na bezopasnost’ i prochnost’: ucheb. posobie [Development basics of finite-element models of autotransport body constructions. Safety and strength calculations: tutorial]. Nizhny Novgorod: NGTU, 2009, 153 p.
3. Tumasov A. V., Orlov L. N., Rogov P. S. et al. Trudy Nizhegorodskogo gosudarstven-nogo tekhnicheskogo universiteta im. R. E. Alekseeva [Proceedings of Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseev]. Nizhny Novgorod, 2012, no. 3 (96), pp. 150-156.
Орлов Лев Николаевич
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автомобилей и тракторов, Нижегородский государственный технический университет имени Р. Е. Алексеева (Россия, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24)
E-mail: [email protected]
Тумасов Антон Владимирович
кандидат технических наук, доцент, кафедра автомобилей и тракторов, Нижегородский государственный технический университет имени Р. Е. Алексеева (Россия, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24)
E-mail: [email protected]
Герасин Андрей Владимирович аспирант, Нижегородский государственный технический университет имени Р. Е. Алексеева (Россия, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24)
E-mail: [email protected]
Orlov Lev Nikolaevich
Doctor of engineering sciences, professor,
head of sub-department of trucks
and tractors, Nizhny Novgorod State
Technical University named
after R. E. Alekseev (24 Minin street,
Nizhny Novgorod, Russia)
Tumasov Anton Vladimirovich
Candidate of engineering sciences, associate
professor, sub-department of trucks
and tractors, Nizhny Novgorod State
Technical University named
after R. E. Alekseev (24 Minin street,
Nizhny Novgorod, Russia)
Gerasin Andrey Vladimirovich
Postgraduate student, Nizhny Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseev (24 Minin street, Nizhny Novgorod, Russia)
УДК 629.113 Орлов, Л. Н.
Расчетно-экспериментальная оценка пассивной безопасности кузова автобуса / Л. Н. Орлов, А. В. Тумасов, А. В. Герасин // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. -№ 3 (27). - С. 210-218.
