SYMULACJA NUMERYCZNA ZDERZENIA POJAZDU Z ALUMINIOWYM, WKOPYWANYM SŁUPEM OŚWIETLENIOWYM

(1)

MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 2018 nr 66, ISSN 1896-771X

SYMULACJA NUMERYCZNA ZDERZENIA POJAZDU Z ALUMINIOWYM,

WKOPYWANYM

SŁUPEM OŚWIETLENIOWYM

Wojciech Danek

^1a

, Damian Gąsiorek

^1b

1Instytut Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej, Politechnika Śląska

awojciech.danek@polsl.pl, ^b damian.gasiorek@polsl.pl

Streszczenie

W artykule został przedstawiony proces przygotowania modelu numerycznego z zastosowaniem metody elementów skończonych zaimplementowanej w środowisku LS Dyna. Ma na celu symulowanie zderzenia pojazdu z wkopywanym, aluminiowym słupem oświetleniowym. Został wykonany do wyznaczenia wartości wskaźnika intensywności przyspieszenia (ASI), dla prędkości 35 km/h oraz prędkości 100 km/h oraz określenia zachowania się słupa o tej konstrukcji w trakcie zderzenia. Wykonany model zostanie zastosowany w przyszłości do optymalizacji postaci konstrukcyjnej słupa w celu zredukowania wartości współczynnika ASI.

Słowa kluczowe: metoda elementów skończonych, słup oświetleniowy, LS Dyna, zderzenia pojazdów

NUMERICAL SIMULATION OF THE CAR CRASH WITH ALUMINUM, ROOT MOUNTED

LIGHTING COLUMN

Summary

The paper presents process of preparation of a numerical model using Finite Element Method implemented in LS Dyna Software. Numerical model was made in order to simulate car crash with root mounted, aluminum lighting column. It was made to determine the value of the Acceleration Severity Index (ASI) for two different velocities:

35km/h and 100km/h and determine the behavior of this kind of lighting column during the collision. Prepared model will be used to shape optimization of the lighting column in order to reduce value of ASI coefficient.

Keywords: FEM, lighting column, LS Dyna, car crash

1. WSTĘP

Elementy infrastruktury drogowej, w szczególności elementy wsporcze takie jak słupy oświetleniowe, mogą być przyczyną wypadków drogowych. Dlatego wiele uwagi poświęca się modernizowaniu tych konstrukcji, aby w trakcie zderzenia powodowały jak najmniejsze obrażenia dla uczestników takiego zdarzenia. Zgodnie z normą PN-EN 12767 można wyróżnić trzy kategorie biernego bezpieczeństwa dla konstrukcji wsporczych:

• pochłaniające energię w wysokim stopniu (HE),

• pochłaniające energię w niskim stopniu (LE),

• nie pochłaniające energii (NE). [7]

W celu lepszego zobrazowania tych kategorii zostały one przedstawione na rys. 1.

(2)

SYMULACJA NUMERYCZNA ZDERZENIA POJAZDU Z ALUMINIOWYM (…)

Rys. 1. Poziomy pochłaniania energii wg normy PN-EN 12767 [7]

Kategoria, do jakiej zakwalifikowana zostanie dana konstrukcja wsporcza, jest określana na podstawie dwóch współczynników:

• wskaźnik intensywności przyspieszenia (ASI),

• teoretyczna prędkość uderzenia głowy (THIV).

Wskaźnik intensywności przyspieszeń (ASI) ma na celu określenie uciążliwości ruchu pojazdu dla osób znajdują- cych się w pojeździe w pobliżu obranego punktu podczas zderzenia i jest wyznaczany na podstawie następującej zależności. [6]

= / + / + / ^/ (1)

gdzie:

, , - są składowymi przyspieszenia wybranego punktu P pojazdu uśrednionymi z ruchomego przedziału czasu =50ms.

, , - są granicznymi wartościami przyspieszenia wzdłuż osi nadwozia x, y, z.

Natomiast współczynnik THIV określa teoretyczną prędkość uderzenia głowy w powierzchnię znajdującą się wewnątrz pojazdu na skutek zderzenia z przeszkodą i jest określany z następującej zależności.

= + ^/ (2)

Przedstawiony w tej pracy sposób modelowania słupów oświetleniowych ma posłużyć w późniejszym czasie do wyznaczenia tych dwóch współczynników oraz być bazą do optymalizacji postaci konstrukcyjnej w celu minima- lizacji tych współczynników.

2. WYMAGANIA STAWIANE MODELOWI

Badania doświadczalne elementów wsporczych, takich jak słupy oświetleniowe, są znormalizowane i, budując model numeryczny, postanowiono również trzymać się tych wytycznych. Określono parametry badanego pojazdu:

• masa własna pojazdu: 825kg ±40kg,

• masa manekina: 78kg ±5kg,

• rozstaw przedniej i tylnej osi: 1,35m ±0,2m,

• środek ciężkości na linii podłużnej pojazdu (CGx) usytuowany w odległości 0,9m±0,09m,

• środek ciężkości na linii poprzecznej pojazdu (CGy) w odległości od linii środkowej podłuż- nej pojazdu ±0,07m,

• środek ciężkości w odległości od podłoża (CGz) 0,49m ±0,05m.[6,7]

Do symulacji został przyjęty pojazd Suzuki Swift speł- niający powyższe wymagania.

Przyjęto a priori, że badany słup oświetleniowy będzie analizowany w klasie prędkości 100, dlatego symulacje zostały przeprowadzone dla prędkości 35 i 100 km/h, co jest zgodne z normą PN-EN 12767.

Przy modelowaniu podłoża, w którym umiejscowiony był słup oświetleniowy, wymiary zostały dobrane zgodnie z PN-EN 12767.

3. MODEL NUMERYCZNY

Model numeryczny badanego słupa przygotowano w oprogramowaniu LS DYNA.

Model fizyczny słupa oświetleniowego wraz z wysięgni- kiem został wykonany na podstawie karty katalogowej wybranego słupa jako element powłokowy. Podczas jego modelowania dokonano kilku uproszczeń w celu jego późniejszej dyskretyzacji. Większość wprowadzonych uproszczeń dotyczy drzwi znajdujących się na obudowie.

Pominięto elementy montażowe ze względu na trudności mogące wystąpić w trakcie ich dyskretyzacji oraz zni- komy wpływ na wyniki obliczeń. Model fizyczny podło- ża został wykonany zgodnie z PN-EN 12767, natomiast do jego dyskretyzacji wykorzystano elementy bryłowe.

Podział na elementy skończone złożenia słupa oświetle- niowego wraz z wysięgnikiem oraz gruntem przedstawiono na rys. 2.

Rys 2. Dyskretyzacja modelu słupa oświetleniowego wkopywa- nego

(3)

Wojciech Danek, Damian Gąsiorek

Tabela 1. Parametry geometryczne słupa oświetleniowe- go oraz podział na elementy skończone

Wysokość słupa [m] 7

Grubość ścianki słupa [mm] 4,5

Waga netto słupa [kg] 24,8

Wymiary podłoża Zgodnie z normą

PN- EN 12767

Liczba węzłów 620162

Liczba elementów bryłowych 428545 Liczba elementów powłokowych 82331 Liczba modeli materiałowych 2

Jako model materiałowy przypisany do słupa oświetle- niowego oraz wysięgnika zastosowano “Material Model 24: Piecewise Linear Isotropic Plasticity”, którego parametry uzyskano na podstawie badań doświadczal- nych materiału, z jakiego wykonany jest słup oświetle- niowy. Badania doświadczalne przeprowadzono na maszynie wytrzymałościowej MTS 858 Table Top System i umożliwiły wyznaczenie krzywej naprężenia w funkcji odkształcenia materiału. Wykres naprężeń rzeczywistych do odkształceń rzeczywistych przedstawiono na rys. 3.

Rys. 3. Naprężenia rzeczywiste w funkcji odkształcenia rzeczy- wistego

W stosunku do gruntu zastosowano model materiału

"Material Model 5: Soil and Foam", którego parametry zaczerpnięto z literatury [3].

Ponieważ modelowanie pojazdu i na jego podstawie wykonanie modelu numerycznego jest bardzo skompli- kowane, a nie jest to tematem niniejszej pracy, postanowiono zastosować gotowy model udostępniony przez National Crash Analysis Center (NCAC) at The George Washington University's Virginia Campus (rys. 4).

Rys. 4. Model pojazdu Suzuki Swift

Tabela 2. Parametry geometryczna pojazdu oraz podział na elementy skończone

Masa pojzdu [kg] 860

Rozstaw osi [mm] 2371

Odległość środka masy od osi

przedniej [mm] 1128

Liczba węzłów 19271

Liczba elementów bryłowych 820 Liczba elementów belkowych 4 Liczba elementów powłokowych 15330 Całkowita liczba elementów

skończonych 16154

Liczba elementów typu PART 242 Liczba modeli materiałowych 6

4. WARUNKI POCZĄTKOWO- BRZEGOWE

W celu rozwiązania układu równań różniczkowych, uzyskanych na podstawie dyskretyzacji modelu oraz określenia odpowiednich własności materiałowych, niezbędne jest nałożenie na układ dodatkowych warunków związanych z przemieszczaniem poszczególnych elementów oraz wymuszeniami działającymi na dany model. Jako warunek brzegowy odebrano wszystkie stopnie swobody w węzłach znajdujących się na zewnętrznych ścianach gruntu.

Analizowany słup oświetleniowy przeznaczony był do montażu na drogach, na których dopuszczalne są wysokie prędkości pojazdów, np. drogach ekspresowych i autostradach, dlatego jako wymuszenie przyjęto prędkości:

•35km/h,

• 100km/h.

Wymuszenia w postaci prędkości zadano dla wszystkich węzłów pojazdu, dodatkowo zasymulowano ruch obrotowy kół z określoną prędkością kątową, wyznaczoną na podstawie znajomości średnicy koła.

0 50 100 150 200 250 300

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 Naprężenia rzeczywiste [MPa]

Odkształcenia rzeczywiste [mm/mm]

(4)

SYMULACJA NUMERYCZNA

Rys. 5. Model numeryczny - rzut izometryczny

Rys. 6. Analiza jakościowa zderzenia pojazdu ze słupem oświetleniowym przy prędkości 35 km/h dla czasu i t=0,015 s

W przypadku zderzenia pojazdu ze słupem oświetleniowym

fazie zderzenia następuje przemieszczanie się słupa wewnątrz gruntu, a następnie jego ścinani Analiza jakościowa dla prędkości 100km/h

t=0s, t=0,05s, t=0,01s i t=0,015s.

SYMULACJA NUMERYCZNA ZDERZENIA POJAZDU Z ALUMINIOWYM

rzut izometryczny

3. WYNIKI OBLICZEŃ

W rozdziale tym przedstawiono analizy jakościowe zderzenia pojazdu z wkopywanym, aluminiowym słupem oświetleniowym oraz wykresy przedstwiające wartości współczynnika ASI w funkcji czasu dla prędkości 35 oraz 100km/h.

Analizę jakościową zderzenia przy prędkości 35 km/h przedstawiono na rys. 6 przy

czasowych; t=0 s, t=0,05 s, t=0,01 s i t=0,015 s

Analiza jakościowa zderzenia pojazdu ze słupem oświetleniowym przy prędkości 35 km/h dla czasu

zderzenia pojazdu ze słupem oświetleniowym przy prędkości 35km/h można zauważyć przemieszczanie się słupa wewnątrz gruntu, a następnie jego ścinanie.

km/h została przedstawiona na rys. 7 przy następujących

ZDERZENIA POJAZDU Z ALUMINIOWYM (…)

WYNIKI OBLICZEŃ

W rozdziale tym przedstawiono analizy jakościowe zderzenia pojazdu z wkopywanym, aluminiowym słupem oświetleniowym oraz wykresy przedstwiające wartości ółczynnika ASI w funkcji czasu dla prędkości 35 oraz

zderzenia przy prędkości 35 km/h następujących krokach czasowych; t=0 s, t=0,05 s, t=0,01 s i t=0,015 s.

Analiza jakościowa zderzenia pojazdu ze słupem oświetleniowym przy prędkości 35 km/h dla czasu t=0 s, t=0,05 s, t=0,01 s

km/h można zauważyć, że w pierwszej .

następujących krokach czasowych:

(5)

Rys. 7. Analiza jakościowa zderzenia pojazdu ze słupem oś t=0,05s i t=0,075s.

W razie zderzenia pojazdu ze słupem oświetleniowym przy prędkości 100 km/h można zauważyć ścinanie słupa już w pierwszej fazie zderzenia, przemieszczenie słupa wewnątrz gruntu jest nieznaczne

Oprócz jakościowej analizy zderzenia pojazdu z wkopywanym, aluminiowym słupem oświetleniowym określono wartości współczynnika ASI

w trakcie uderzenia pojazdu w słup z tymi prędkościami (rys. 8 i rys. 9).

Rys. 8 Wartość współczynnika ASI w funkcji czasu dla prędkości zderzenia 35 km/h

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

0,045 0,065 0,085

Współczynnik ASI

Czas [s]

jakościowa zderzenia pojazdu ze słupem oświetleniowym przy prędkości 100km/h dla czasu

zderzenia pojazdu ze słupem oświetleniowym przy prędkości 100 km/h można zauważyć ścinanie słupa już zderzenia, przemieszczenie słupa wewnątrz gruntu jest nieznaczne.

Oprócz jakościowej analizy zderzenia pojazdu słupem oświetleniowym wartości współczynnika ASI uzyskanego u w słup z tymi prędkościami

Rys. 8 Wartość współczynnika ASI w funkcji czasu dla

Rys. 9 Wartość współczynnika ASI w funkcji czasu dla prędkości zderzenia 100 km/h

0,105

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

0,045 0,065

Współczynnik ASI

Czas [s]

km/h dla czasu t=0s, t=0,025s, zderzenia pojazdu ze słupem oświetleniowym przy prędkości 100 km/h można zauważyć ścinanie słupa już

Wartość współczynnika ASI w funkcji czasu dla

0,085 0,105

Czas [s]

(6)

SYMULACJA NUMERYCZNA

4. WNIOSKI

Na podstawie przeprowadzonych symulacji określono zachowanie słupa w trakcie zderzenia z wkopywanym, aluminiowym słupem oświetleniowym oraz wyznaczono wartości współczynnika ASI dla prędkości 35 i 100 Według tej wartości określono, do jakiej klasy bezpieczeństwa biernego dana konstrukcja może zostać przyporządkowana (NE), natomiast na podstawie analizy jakościowej stwierdzono, że analizowa konstrukcja słupa oświetleniowego zachowuj podobnie do innych konstrukcji znajdujących si

Literatura

1. Abdel- Nasser A.: Frontal crash simulation of vehicle against lighting columns using FEM. Alexandria Enginee ing Journal, 52 (3). s. 295–299, 2013. doi:

2. Du Bois P., Chou C. C., Fileta B. B., Khalil T. B., King A. I., Mahmood H. F., Mertz H. J., Wismans J.:

cle crashworthiness and occupant protection,

3. Fasanella E. L., Jackson K. E., Kellas S.: Soft Soil

NASA Langley Research Center. Hampton, Nasa Technical Reports Server, 2009 4. Jedliński T., Buśkiewicz J.: Analisis of the influence of differences in strenght

sive safety of lighting columns. In:

Gdańsk 2015, p. 249-252.

5. Kopczyński A., Rusiński E.: Bezpieczeństwo bierne, pochłanianie energii przez profile cie Ofic. Wyd. Pol. Wrocł., 2010.

6. PN-EN 1317-1 Systemy ograniczające drogę. Część 1: Terminologia i ogólne kryteria metod badań.

7. PN-EN 12767 Bierne bezpieczeństwo konstrukcji wsporczych d badań

Artykuł dostępny na podstawie licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska.

http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl

SYMULACJA NUMERYCZNA ZDERZENIA POJAZDU Z ALUMINIOWYM

symulacji określono zachowanie słupa w trakcie zderzenia z wkopywanym, aluminiowym słupem oświetleniowym oraz wyznaczono nika ASI dla prędkości 35 i 100km/h.

do jakiej klasy bezpieczeństwa biernego dana konstrukcja może zostać przyporządkowana (NE), natomiast na podstawie analizy jakościowej stwierdzono, że analizowa konstrukcja słupa oświetleniowego zachowuje się podobnie do innych konstrukcji znajdujących się w tej

samej klasie bezpieczeństwa biernego.

z prędkością 35km/h zaobserwowano

przemieszczanie się wkopanej części słupa wewnątrz gruntu w pierwej fazie zderzenia,

ścinanie, co można zaobserwować na

utrzymywanie się wartości współczynnika ASI na względnie stałym poziomie.. Przy zderzeniu

100km/h słup jest ścięty, natomiast przmieszczanie się fragmentu słupa wewnątrz gruntu jest niewielkie można zaobserować na rys. 9 jako gwałtow wartości spółczynnika ASI po ścięciu słupa.

Nasser A.: Frontal crash simulation of vehicle against lighting columns using FEM. Alexandria Enginee 299, 2013. doi: 10.1016/j.aej.2013.01.005

Du Bois P., Chou C. C., Fileta B. B., Khalil T. B., King A. I., Mahmood H. F., Mertz H. J., Wismans J.:

cle crashworthiness and occupant protection, American Iron and Steel Institute, Michigan 2004.

. E., Kellas S.: Soft Soil Impact Testing and Simulation of Aerospace Structures.

. Hampton, Nasa Technical Reports Server, 2009

Jedliński T., Buśkiewicz J.: Analisis of the influence of differences in strenght parameters of steel S235 on pa . In: 3rd Polish Congress of Mechanics & 21st Computer Methods in Mechanics,

Bezpieczeństwo bierne, pochłanianie energii przez profile cie

1 Systemy ograniczające drogę. Część 1: Terminologia i ogólne kryteria metod badań.

EN 12767 Bierne bezpieczeństwo konstrukcji wsporczych dla urządzeń drogowych: Wymagania i metody

http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl

ZDERZENIA POJAZDU Z ALUMINIOWYM (…)

samej klasie bezpieczeństwa biernego. Podczas zderzenia km/h zaobserwowano najpierw wkopanej części słupa wewnątrz gruntu w pierwej fazie zderzenia, a dopiero później jego co można zaobserwować na rys. 8 jako utrzymywanie się wartości współczynnika ASI na Przy zderzeniu z prędkością natomiast przmieszczanie się fragmentu słupa wewnątrz gruntu jest niewielkie, co ys. 9 jako gwałtowny spadek wartości spółczynnika ASI po ścięciu słupa.

Nasser A.: Frontal crash simulation of vehicle against lighting columns using FEM. Alexandria Engineer-

Du Bois P., Chou C. C., Fileta B. B., Khalil T. B., King A. I., Mahmood H. F., Mertz H. J., Wismans J.: Vehi- American Iron and Steel Institute, Michigan 2004.

Impact Testing and Simulation of Aerospace Structures.

parameters of steel S235 on pas- 3rd Polish Congress of Mechanics & 21st Computer Methods in Mechanics,

Bezpieczeństwo bierne, pochłanianie energii przez profile cienkościenne. Wrocław:

1 Systemy ograniczające drogę. Część 1: Terminologia i ogólne kryteria metod badań.

urządzeń drogowych: Wymagania i metody