Моделирование аварии

Симуляция аварии со стройной (слева) и полной (справа) женщиной-пассажиром.

Краш -симуляция — это виртуальное воссоздание разрушительного краш-теста автомобиля с или системы дорожных ограждений с использованием компьютерного моделирования целью проверки уровня безопасности автомобиля и его пассажиров. столкновений Моделирование используется автопроизводителями во время компьютерного проектирования анализа (CAE) для определения аварийной безопасности в процессе автоматизированного проектирования (САПР) моделирования новых автомобилей. Во время моделирования аварии кинетическая энергия , или энергия движения, которой обладает транспортное средство до удара, преобразуется в деформации энергию , в основном за счет пластической деформации ( пластичности ) материала кузова автомобиля ( Body in White ), в конце влияние.

Данные, полученные в результате моделирования столкновения, указывают на способность кузова автомобиля или конструкции ограждения защищать пассажиров транспортного средства во время столкновения (а также пешеходов , сбитых автомобилем) от травм . Важными результатами являются деформации (например, проникновение рулевого колеса ) пассажирского пространства (водитель, пассажиры ) и ощущаемые ими замедления (например, ускорение головы), которые должны опускаться ниже пороговых значений, установленных в законных безопасности автомобилей правилах . Для моделирования реальных краш-тестов современные краш-симуляции включают виртуальные модели манекенов для краш-тестов и устройств пассивной безопасности ( ремни безопасности , подушки безопасности , амортизирующие приборные панели и т. д.). Испытания направляющих рельсов оценивают замедление транспортного средства и возможность опрокидывания, а также проникновение транспортных средств в барьер.

История

В 1970 году были предприняты попытки смоделировать события автокатастрофы с помощью нелинейных пружинно-массовых систем после калибровки , которые требуют в качестве входных данных результатов физических разрушительных лабораторных испытаний, необходимых для определения механического разрушения каждого пружинного компонента моделируемой системы. . Однако для моделирования « первого принципа », как и для более сложных моделей конечных элементов, требуется только определение структурной геометрии и основных свойств материала ( реология стали кузова автомобиля, стекла, пластиковых деталей и т. д.) в качестве входных данных для создания числовой модели. .

Истоки промышленного компьютерного моделирования автокатастроф лежат в области военной обороны , космического пространства и гражданских атомных электростанций . После презентации модели случайного падения военного истребителя на атомную электростанцию 30 мая 1978 года группой ESI на встрече, организованной Verein Deutscher Ingenieure (VDI) в Штутгарте , автопроизводители были предупреждены о возможности использования этой технологии для моделирования разрушительных автомобильных краш-тестов (Хауг, 1981).

Первая успешная имитация лобовой аварии автомобиля: Volkswagen Polo столкнулся с жестким бетонным барьером на скорости 50 км/ч (ESI 1986).

В последующие годы немецкие автопроизводители провели более сложные исследования по моделированию столкновений, моделируя поведение при столкновении отдельных компонентов кузова автомобиля, узлов в сборе и кузовов автомобилей белого цвета ( BIW ). Кульминацией этих экспериментов стал совместный проект Forschungsgemeinschaft Automobil-Technik (FAT), конгломерата всех семи немецких автопроизводителей ( Audi , BMW , Ford , Mercedes-Benz , Opel , Porsche и Volkswagen ), который проверил применимость двух новые коммерческие коды моделирования аварий. Эти программы моделирования воссоздали лобовое столкновение всей конструкции легкового автомобиля (Хауг, 1986), и за одну ночь они были завершены на компьютере. Теперь, когда время выполнения работ между двумя последовательными подачами заданий (прогонами компьютера) не превышало одного дня, инженеры смогли лучше понять поведение при столкновении и внести эффективные и прогрессивные улучшения в анализируемую конструкцию кузова автомобиля. Программное обеспечение для автоматизированного проектирования (CAE) в последнее время стало нормой при моделировании краш-тестов. Сочетание Инструменты машинного обучения и CAE позволили гораздо лучше ускорить работу программного обеспечения для моделирования. Инженеры использовали ML, чтобы предсказать:

Ускорение грудной клетки манекена ^[1]
Смещение манекена вперед ^[2]
Максимальное ускорение грудной клетки и критерий травмы головы . ^[3]

Приложение

Моделирование столкновений используется для исследования безопасности пассажиров автомобиля при ударах по конструкции передней части автомобиля при « лобовом столкновении » или «лобовом ударе», боковой конструкции автомобиля при « боковом столкновении » или «лобовом ударе». боковой удар», конструкция задней части автомобиля при « наезде сзади » или «ударе сзади», а также конструкция крыши автомобиля, когда он переворачивается во время « переворота ». Моделирование столкновений также можно использовать для оценки травм пешеходов , сбитых автомобилем.

Преимущества

Моделирование аварии дает результаты без реальных разрушительных испытаний новой модели автомобиля. Таким образом, испытания можно проводить быстро и недорого на компьютере, что позволяет оптимизировать конструкцию до того, как будет изготовлен реальный прототип автомобиля. С помощью моделирования проблемы можно решить, прежде чем тратить время и деньги на настоящий краш-тест. Большая гибкость печатной продукции и графического отображения позволяет дизайнерам решать некоторые проблемы, которые были бы практически невозможны без помощи компьютера.

Анализ

В большом количестве моделей аварий используется метод анализа, называемый методом конечных элементов . Сложные задачи решаются путем разделения поверхности на большое, но все же конечное число элементов и определения движения этих элементов за очень малые промежутки времени. Другой подход к моделированию аварий осуществляется путем применения метода макроэлементов . Разница между двумя упомянутыми выше методологиями заключается в том, что структура в случае метода макроэлементов состоит из меньшего количества элементов. Алгоритм расчета деформации конструкции основан на экспериментальных данных, а не рассчитан на основе уравнений в частных производных.

Pam-Crash начала моделирование аварий и вместе с LS-DYNA представляет собой пакет программного обеспечения, который широко используется для применения метода конечных элементов. Этот метод позволяет детально моделировать конструкцию, однако его недостатком являются высокие требования к вычислительным ресурсам и времени расчета. Visual Crash Studio использует методологию макроэлементов. По сравнению с МКЭ он имеет некоторые ограничения по моделированию и граничным условиям, но его применение не требует наличия современных компьютеров, а время расчета несравнимо меньше. Два представленных метода дополняют друг друга. Метод макроэлементов полезен на ранней стадии процесса проектирования конструкции, а метод конечных элементов хорошо работает на заключительных этапах.

Структурный анализ

При типичном моделировании аварии структура кузова автомобиля анализируется с использованием пространственной дискретизации , то есть разбиения непрерывного движения тела в реальном времени на более мелкие изменения положения за небольшие дискретные временные шаги. Дискретизация включает в себя разделение поверхности составляющих тонких деталей из листового металла на большое количество (около миллиона в 2006 году) четырехугольных или треугольных областей, каждая из которых охватывает область между «узлами», к которым прикреплены ее углы. Каждый элемент имеет массу, которая распределяется в виде сосредоточенных масс и моментов инерции масс по своим соединительным узлам. Каждый узел имеет 6 кинематических степеней свободы , то есть один узел может перемещаться в трёх линейных направлениях при поступлении и вращаться вокруг трёх независимых осей. Пространственные координаты ( x ), смещение ( u , скорость ( v ) и ускорение ( a ) каждого узла в основном выражаются в трехмерной прямоугольной декартовой системе координат с осями X , Y и Z. )

Если узлы перемещаются во время моделирования аварии, соединенные элементы перемещаются, растягиваются и сгибаются вместе со своими узлами, что заставляет их передавать силы и моменты своим узловым соединениям. Силы и моменты в узлах соответствуют силам и моментам инерции, вызванным их поступательным (линейным) и угловым ускорениями , а также силам и моментам, передаваемым сопротивлением конструкционного материала соединяемых элементов при их деформации. Иногда применяются дополнительные внешние нагрузки на конструкцию , например, гравитационные нагрузки от собственного веса деталей или дополнительные нагрузки от внешних масс.

Силы и моменты всех узлов собираются в вектор-столбец (или матрицу-столбец), а уравнения движения, зависящие от времени (в динамическом равновесии), можно записать следующим образом.

\mathbf {Ma} =\mathbf {F} _{ext}-\mathbf {F} _{int}

где вектор $\mathbf {Ma}$ (вектор массы, умноженный на ускорение) собирает силы инерции в узлах, $\mathbf {F} _{ext}$ собирает внешние узловые нагрузки, и $\mathbf {F} _{int}$ собирает внутренние силы сопротивления от деформации материала. M — диагональная матрица узловых масс. Каждый вектор ( u , v , a , F и т. д.) имеет размерность , в 6 раз превышающую общее количество узлов в модели столкновения (около 6 миллионов « степеней свободы » на каждый 1 миллион «узлов» в конечной трехмерной тонкой оболочке). элементные модели).

Временной анализ

При моделировании аварии также используется дискретизация по времени, чтобы разделить непрерывные изменения во времени на очень маленькие, удобные для использования сегменты. Динамические уравнения движения выполняются на всех этапах моделирования столкновения и должны быть интегрированы во времени t , начиная с начального состояния в нулевой момент времени, который непосредственно перед столкновением. Согласно явному с конечной разностью методу интегрирования по времени , используемому в большинстве кодов аварий, ускорения, скорости и смещения тела связаны следующими уравнениями.

\mathbf {a} _{n}=\mathbf {M} ^{-1}(\mathbf {F} _{ext}-\mathbf {F} _{int})_{n}

\mathbf {v} _{n+1/2}=\mathbf {v} _{n-1/2}+\mathbf {a} _{n}\Delta t_{n}

\mathbf {u} _{n+1}=\mathbf {u} _{n}+\mathbf {v} _{n+1/2}\Delta t_{n+1/2}

В этих уравнениях индексы n ±1/2, n , n +1 обозначают прошлое, настоящее и будущее время t на половинных и полных интервалах времени с временными шагами. $\Delta t_{n}$ и $\Delta t_{n+1/2}$ , соответственно.

Решение

Приведенная выше система линейных уравнений решается относительно ускорений: $\mathbf {a} _{n}$ , скорости, $\mathbf {v} _{n+1/2}$ , и смещения, $\mathbf {u} _{n+1}$ , в каждый дискретный момент времени t аварии , в течение продолжительности . Это решение тривиально, поскольку матрица масс диагональна. Компьютерное время пропорционально количеству конечных элементов и количеству временных шагов решения. Шаг по времени устойчивого решения $\Delta t$ , ограничено для численной стабильности , что выражено условием Куранта-Фридрихса-Льюи (CFL), которое гласит, что «в любом компьютерном моделировании с движением во времени шаг по времени должен быть меньше времени, чтобы произошло какое-то значимое действие, и желательно значительно меньше». При моделировании аварии наиболее быстрыми и значимыми действиями являются акустические сигналы, распространяющиеся внутри конструкционного материала.

Скорость твердоупругой волны напряжения составляет

c={\sqrt {E_{0}/\rho }}

где $E_{0}$ — начальный модуль упругости (до пластической деформации ) материала, $\rho$ это массовая плотность. Таким образом, наибольший стабильный шаг по времени для данного материала равен

\Delta t=d_{min}{\sqrt {\rho /E_{0}}}

,

где $d_{min}$ — наименьшее расстояние между любыми двумя узлами численной модели моделирования аварии.

Поскольку это расстояние может меняться во время моделирования, стабильный шаг по времени меняется и должен постоянно обновляться по мере продвижения решения во времени. При использовании стали типичное значение стабильного шага по времени составляет около одной микросекунды , когда наименьшее расстояние между дискретными узлами в сетке конечно-элементной модели составляет около 5 миллиметров. Тогда требуется более 100 000 временных интервалов, чтобы устранить аварийное событие, которое длится одну десятую долю секунды. Эта цифра превышается во многих моделях промышленных аварий, требующих оптимизированных решателей аварий с функциями высокопроизводительных вычислений ( HPC ), такими как векторизация и параллельные вычисления .

См. также

Ссылки

^ Белаид, Мохамед Карим; Рабус, Максимилиан; Крестель, Ральф (1 июля 2021 г.). «CrashNet: архитектура кодировщика-декодера для прогнозирования результатов краш-тестов» . Интеллектуальный анализ данных и обнаружение знаний . 35 (4): 1688–1709. дои : 10.1007/s10618-021-00761-9 . ISSN 1573-756X .
^ Рабус, Максимилиан; Белаид, Мохамед Карим; Маурер, Саймон Александер; Хирмайер, Стефан (23 июня 2022 г.). «Разработка модели прогнозирования нагрузки пассажиров при авариях транспортных средств: введение критерия реальной нагрузки пассажиров для прогнозирования (ROLC$$_p$$)» . Автомобильная промышленность и технология двигателей . 7 (3–4): 229–244. дои : 10.1007/s41104-022-00111-x . ISSN 2365-5135 . S2CID 249996973 .
^ Лим, Джэ Мун (1 июня 2021 г.). «Метод прогнозирования HIC15, перегрузок грудной клетки и отклонения грудной клетки на основе результатов испытаний USNCAP на лобовой удар» . Международный журнал автомобильных технологий . 22 (3): 657–663. дои : 10.1007/s12239-021-0061-z . ISSN 1976-3832 . S2CID 236395205 .

Хауг, Э. (1981) «Инженерный анализ безопасности с помощью разрушительных численных экспериментов», EUROMECH 121, Польская академия наук, Engineering Transactions 29 (1), 39–49.
Хауг, Э., Т. Шарнхорст, П. Дюбуа (1986) «Авария FEM, расчет лобового удара транспортного средства», отчеты VDI 613, 479–505.

[1] Белаид, Мохамед Карим; Рабус, Максимилиан; Крестель, Ральф (1 июля 2021 г.). «CrashNet: архитектура кодировщика-декодера для прогнозирования результатов краш-тестов» . Интеллектуальный анализ данных и обнаружение знаний . 35 (4): 1688–1709. дои : 10.1007/s10618-021-00761-9 . ISSN 1573-756X .

[2] Рабус, Максимилиан; Белаид, Мохамед Карим; Маурер, Саймон Александер; Хирмайер, Стефан (23 июня 2022 г.). «Разработка модели прогнозирования нагрузки пассажиров при авариях транспортных средств: введение критерия реальной нагрузки пассажиров для прогнозирования (ROLC$$_p$$)» . Автомобильная промышленность и технология двигателей . 7 (3–4): 229–244. дои : 10.1007/s41104-022-00111-x . ISSN 2365-5135 . S2CID 249996973 .

[3] Лим, Джэ Мун (1 июня 2021 г.). «Метод прогнозирования HIC15, перегрузок грудной клетки и отклонения грудной клетки на основе результатов испытаний USNCAP на лобовой удар» . Международный журнал автомобильных технологий . 22 (3): 657–663. дои : 10.1007/s12239-021-0061-z . ISSN 1976-3832 . S2CID 236395205 .

[1]

[2]

[3]