Sztywność nadwozia

Wynikiem zderzenia mogą być rozległe uszkodzenia samochodów, które, biorąc pod uwagę głębokość deformacji, obejmują swym zakresem różne układy i podukłady samochodu, w zależności od punktu przyłożenia siły zderzeniowej.

W procesie naprawy elementy te są najczęściej wymieniane. Najważniejszym aspektem jest jednak fakt, że odkształcenia bryły nadwozia w połączeniu np.

z nierównomiernym obciążeniem pojazdu mogą powodować zmianę rozkładu mas, w wyniku czego zmienić się mogą parametry masowo-bezwładnościowe.

W dalszej części tego rozdziału przeprowadzono analizę zmian położenia środka masy modeli pojazdów biorących udział w symulacji zderzenia. Współrzędne środka masy dla samochodów uszkodzonych porównano ze współrzędnymi dla samochodów przed zderzeniem. Prowadząc rozważania, uwzględniono kilka scenariuszy rozkładu mas w samochodzie, w tym także wariant uwzględniający położenie i masę najważniejszych elementów pojazdu (silnik, układ napędowy, elementy kabiny pasażerskiej itp.).

Wyniki tych analiz umożliwiły ocenę przydatności analitycznego sposobu wyznaczania parametrów masowo-bezwładnościowych modelu samochodu oraz wykorzystanie ich do badania stateczności (rozdz. 7).

Symulacja zderzenia, na podstawie której prowadzono rozważania, została przeprowadzona w programie PC-Crash 8.0 (por. rozdz. 3), gdzie początkowo nadwozie traktowane jest jako pojedyncza bryła sztywna [231]. Świadczy o tym choćby fakt przedstawienia modelu pojazdu jak na rys. 4.1, gdzie nadwozie re-prezentowane jest przez prostopadłościan o określonej masie, momentach bez-władności oraz sztywności strukturalnej¹² i skrętnej.

Rys. 4.1. Przedstawienie nadwozia jako prostopadłościanu w programie PC-Cash Źródło: PC-Crash.

12 Sztywność strukturalna wg [231] jest definiowana na podstawie głębokości deformacji odnie-sionej do ciężaru samochodu w stanie spoczynku. Uwzględniono także fakt, że po zderzeniu odkształcone elementy nadwozia są sztywniejsze niż części nieodkształcone, co może mieć znaczenie zwłaszcza w przypadku, gdy dochodzi do kilku zderzeń w ramach jednej symulacji.

Aspekt sztywności strukturalnej uwzględniany jest dwojako. Jednym z mo-deli zderzenia wykorzystywanym w PC-Crash jest tzw. sztywnościowy model zderzenia, gdzie dla wyznaczenia sił między zderzającymi się modelami samo-chodów obrys nadwozia reprezentowany jest przez kształty elipsoidalne umoż-liwiające uzyskanie dokładnie jednego punktu styku. W modelu tym sztywność opisywana jest funkcją liniową. Do obliczeń elastyczności zderzenia może być przyjęty określony współczynnik restytucji. Funkcja sztywności nadwozia może być zmieniona przez określenie charakterystyki siły w funkcji głębokości od-kształceń. Dotyczy to jedynie modeli pojazdów znajdujących się w bazie sztyw-ności¹³.

Parametr określany jako sztywność nadwozia jest w programie PC-Crash opisany jako głębokość odkształceń w odniesieniu do masy lub ciężaru modelu pojazdu. Sztywność modeli kół stanowi połowę wartości określonej dla nadwo-zia, zaś w przypadku powierzchni dachu pojazdu przyjmowana jest jedna czwar-ta sztywności dolnej części nadwozia.

Drugim modelem zderzenia wykorzystywanym w PC-Crash jest tzw. siat-kowy model zderzenia, w którym nadwozie modelu samochodu dzielone jest na małe elementy, przy czym ich sztywność jest jednakowa dla całej bryły nadwo-zia. Energia kinetyczna zamieniana jest na energię odkształceń, natomiast de-formacja strukturalna wraz z restytucją określana jest przez podanie funkcji sztywności. Elementy odkształcone są sztywniejsze niż nieodkształcone [231].

Wynika to zapewne z pracy wykonanej przez siły odkształcenia, co w rezultacie powoduje zmianę sztywności i mniejszą podatność na rozpraszanie energii ele-mentów już zdeformowanych.

Jak wynika z powyższego opisu, sztywność w siatkowym modelu zderzenia jest parametrem stałym, określanym dla bryły nadwozia jako całości. Dowodem tego może również być przykładowy protokół symulacji przeprowadzonej w podrozdziale 3.3.3 (tab. 4.1), gdzie pokazano wartości sztywności strukturalnej nadwozia dla wybranych modeli pojazdu biorących udział w symulacji zderzenia.

Jak widać, nadwozie samochodu sportowego jest sztywniejsze, co wynika zarów-no z mniejszych wymiarów, jak i krótszych stref kontrolowanego zgniotu z przodu i z tyłu nadwozia. Pozostałe, wybrane elementy zamieszczane w protokole zde-rzenia zostały omówione w dalszej części rozdziału w związku z analizą dotyczą-cą parametrów masowo-bezwładnościowych.

Zmiana sztywności skrętnej nadwozia w programie PC-Crash 8.0, rozumia-na jako zjawisko niwelowania różnic w rozumia-nacisku kół tej samej osi rozumia-na rozumia- nawierzch-nię drogi, nie została wzięta pod uwagę. W protokołach zderzeniowych za-mieszczane są wartości normalnych reakcji nawierzchni na koła pojazdów przed i po zderzeniu. Przykładowo wartości reakcji nawierzchni dla zderzenia skośne-go mimośrodkoweskośne-go, omawianeskośne-go w podrozdziale 3.3.3 za pracą [269],

13 Baza danych sztywności nadwozi zawiera parametry sztywności dla wielu samochodów uzy-skane w oparciu o testy zderzeniowe. Parametry te są podane jako charakterystyki siły uderze-nia w funkcji głębokości deformacji [231].

zano na rys. 4.2, 4.3. W symulacjach wykorzystanych w tym rozdziale przyjęto, że modele pojazdów poruszają się po płaskiej nawierzchni o określonym współ-czynniku przyczepności. Założono, że sztywność skrętna nadwozia jest w oma-wianym przypadku stała.

Rys. 4.2. Wartości reakcji nawierzchni na koła pojazdów przed zderzeniem (rozdz. 3.3.3) Źródło: [269].

Rys. 4.3. Wartości reakcji nawierzchni na koła pojazdów po zderzeniu (rozdz. 3.3.3) Źródło: [269].

W pracy [257] również pokazano, że zmiana sztywności skrętnej nadwozia w programie PC-Crash 8.0 w wyżej omawianym aspekcie nie została uwzględ-niona, na dowód czego w protokole zderzeniowym symulacji obu zderzeń (rys. 4.4–4.6) zamieszczono wartości obciążenia kół obu pojazdów przed i po zderzeniu.

Rys. 4.4. Wartości reakcji nawierzchni na koła pojazdów przed zderzeniem Źródło: [257].

Rys. 4.5. Wartości reakcji nawierzchni na koła pojazdów po zderzeniu bocznym Źródło: [257].

Rys. 4.6. Wartości reakcji nawierzchni na koła pojazdów po zderzeniu czołowym Źródło: [257].

W badaniach stateczności technicznej stochastycznej modelu matematycz-nego samochodu (rozdz. 7) przyjęto zatem traktować nadwozie samochodu jako bryłę o stałej sztywności strukturalnej i skrętnej.