Modelarea fenomenelor de impact ale autovehiculelor

Anul aparitiei primului tiraj, 2012
Prelungire de tiraj, iunie 2015

PREFATA

Competitia acerba la care sunt supusi fabricantii de autovehicule si in mod particular constructorii de autoturisme, care intra intr-un mediu concurential extrem de dinamic in ceea ce priveste cererea pietei si cadrul legislativ, impune ca pe o necesitate imperativa reducerea timpului de trecere de la idee la produs si o crestere a flexibilitatii activitatilor de dezvoltare si productie a noilor tipuri de autovehicule. In acest sens s-a impus reducerea sensibila a cercetarilor experimentale de laborator in favoarea ingineriei conceptuale si studiului validarii virtuale. Desi nu s-a ajuns la automobilul 100% simulat numeric, progresul informatic a redus substantial frontiera dintre real si virtual in sensul ca mediul virtual tinde sa devina realitate.

In sensul celor de mai sus lucrarea „Modelarea fenomenelor de impact ale autovehiculelor”, inscrisa in cadrul general al cresterii sigurantei circulatiei rutiere, care prin implicatiile sale, reprezinta astazi un domeniu cu o importanta sociala semnificativa, realizeaza prin continutul sau conceperea si rezolvarea unitara a unor modele analitice destinate studiului miscarii corpului ocupantului din habitaclu in timpul evenimentului de impact frontal al automobilului si crearea unui mediu virtual de simulare destinat studiului impactului dintre cap si plansa bord cu simularea evenimentului de impact.

In cadrul acestei lucrari autorul face o selectie a elementelor si a factorilor care influenteaza conceptul de securitate al automobilelor pornind de la constatarea ca desi evenimentul nedorit numit „accident de circulatie” are o aparitie aleatore, el nu este intamplator, iar analizele efectuate de-a lungul timpului au condus la concluzia ca prin asigurarea unor conditii minimale, acesta poate fi evitat sau, daca, totusi s-a produs, efectele sale pot fi diminuate, evidentiind importanta cunoasterii mecanismelor de vatamare in timpul accidentelor rutiere a diferitelor zone ale corpului uman, precum si a raspunsului biomecanic al corpului ocupantului in timpul acestor evenimente. De asemenea, subliniaza importanta cunoasterii cinematicii corpului ocupantului, a factorilor care determina miscarea acestuia in habitaclu in timpul evenimentului de impact considerat, precum si a suprafetelor din interior succeptibile de a fi impactate de catre ocupant cu diferite zone ale capului, concluzionand ca modelarea cu elemente finite in raport cu modelele multi-corp este cea mai potrivita pentru analiza comportamentului structurii corpului uman, intrucat ofera capabilitatea de a descrie local deformatiile structurale si distributia tensiunilor, ceea ce permite studiul mecanismelor vatamarilor partilor corpului uman. Sunt prezentate apoi notiuni despre modelarea analitica a dinamicii impactului, considerat ca evenimentul anularii energiei cinetice fara schimbarea pozitiei, identificandu-se patru modalitati principale de abordare a studiului, bazate pe legile specifice ale mecanicii clasice, teoriei propagarii undelor elastice; mecanicii contactului si teoriei deformarii plastice, identificand principalele directii de aplicabilitate ale fiecarei teorii, cu recomandarea ca in functie de scopul cercetarii sa se aleaga cea mai potrivita metoda de studiu, astfel incat modelul adoptat sa depaseasca dificultatile legate de expresia ecuatiei fortei de impact si de identificarea parametrilor acesteia.

Daca pentru analiza raspunsului dinamic al corpului uman care impacteaza o suprafata din exteriorul autovehiculului au fost dezvoltate o serie de studii, bazate in principal pe metode de analiza cu elemente finite, a caror finalitate o reprezinta identificarea cailor de minimizare a severitatii ranirii capului prin impact, impactul cu suprafetele interioare ale habitaclului a fost mai putin investigat, autorul prezentand in aceasta lucrare evaluarea raspunsului dinamic al capului in cazul impactului cu suprafete din habitaclu cu ajutorul unui model dinamic vibrator, cu mase concentrate, format dintr-un impactor flexibil - care simuleaza capul - si un plan elastic - care simuleaza plansa bord. In concordanta cu structura lui biologica, capul uman este modelat din doua mase si anume: masa scalpului si partii osoase a capului si masa continutului cutiei craniene, legate printr-un element de tip elastic cu amortizare cu o rigiditate echivalenta capului si coeficientul de amortizare dintre scalp si creier. De asemenea, plansa bord considerata ca un plan elastic, este redusa la un model vibrator format dintr-o masa suspendata pe un element elastic cu amortizare. Aplicand legea fundamentala a mecanicii pentru modelul mecanic echivalent al sistemului format din cele trei mase in faza cuplarii partii osoase a capului cu masa plansei bord, este obtinut un sistem de doua ecuatii diferentiale, din rezolvarea caruia calculeaza, pentru diverse valori ale vitezei de impact a capului, pulsatiile proprii, deformarea creierului in cutia craniana, deformarea plansei bord, acceleratia de impact a creierului in cutia craniana, acceleratia de impact a partii osoase si forta dinamica de impact a capului si face comentarii in raport de valorile determinate si limitele prevazute in regulamente si in criteriile de vatamare.

Limitarile pe care le prezinta modelele cu parametri concentrati si de tip multicorp in simularea impactului secundar al manechinului tridimensional in habitaclul autovehiculului motiveaza oportunitatea studiului pe modele virtuale si ajuta la identificarea atributelor cheie ale modelarii cu elemente finite, precum si a principalele obiective urmarite la dezvoltarea unui astfel de model. Astfel, pornind de la caracteristicile manechinului fizic, este descris procesul de modelare pentru principalele segmente ale manechinului Hybrid III 50th barbat, dupa care sunt prezentate procedurile de simulare ale miscarii manechinului in habitaclu in timpul evenimentului de impact frontal si al impactului capului fals cu plansa bord. Acest studiu debuteaza cu prezentarea procedurii de stabilire a conditiilor initiale pentru simularea comportamentului cinematic al manechinului in habitaclu, prezinta imagini cu mediul virtual utilizat pentru simulare, precum si modul in care acesta este asamblat in interiorul automobilului. Sunt prezentate rezultatele simularii numerice a cinematicii manechinului Hybrid III 50th in habitaclul automobilului care impacteaza o bariera nedeformabila cu viteza de 54 km/h.

Compararea rezultatelor obtinute aplicand modelul numeric de simulare cu cele obtinute prin utilizarea modelului cu parametri concentrati permite autorului sa constate o buna similitudine intre ele, diferentele de traiectorii fiind datorate absentei unor elemente in modelul cu parametri concentrati. Totodata este prezentata simularea fenomenului de impact dintre capul fals si plansa bord, cand manechinul se misca liber, fara constrangeri fata de scaun si respectand prevederile regulamentului european care stabileste criteriile de desfasurare a acestei proceduri.

In ultima parte a lucrarii autorul prezinta o investigare experimentala a incercarii plansei de bord prin desfasurarea fenomenului de impact al acesteia cu un cap fals, descriind instalatia si aparatura de masurare si inregistrare, specificand principalele caracteristici tehnice ale lantului de masurare, incercarile efectuate si rezultatele obtinute.

Concluziile desprinse din aceasta lucrare deschid perspective pentru abordarea unor teme de cercetare - dezvoltare din industria de automobile destinate sporirii gradului de siguranta a circulatiei.

Lucrarea „Modelarea fenomenelor de impact ale autovehiculelor”, constituie un instrument de studiu intr-un domeniu interdisciplinar de inalt nivel stiintific, cu largi aplicatii in proiectarea sistemelor mecanice. Bazata pe o bogata documentare in actualitatea din domeniul constructiei de automobile, cartea este destinata, in primul rand, specialistilor formati care lucreaza in domeniul constructiei si utilizarii automobilelor dar si studentilor, masteranzilor si doctoranzilor de la programele de studii universitare de autovehicule rutiere.

Pitesti, 04 decembrie 2012
Prof.univ.dr.ing. Ion TABACU

CUPRINS

1. Sisteme de siguranta activa si pasiva ale autovehiculelor 13
1.1. Introducere 13
1.2. Conceptul de siguranta a circulatiei si posibilitatile de optimizare a acesteia 15
1.2.1. Masuri de siguranta activa 16
1.2.2. Masuri de siguranta pasiva 17
1.2.3. Sisteme de siguranta pasiva in habitaclul autovehiculului 20
1.2.3.1. Sisteme de centuri de siguranta 21
1.2.3.2. Scaunele - sisteme de siguranta pasiva 23
1.2.3.3. Sisteme airbag 25
1.2.4. Protectia pietonilor 34
1.2.5. Integrarea conceptelor de siguranta activa si pasiva prin implementarea sistemelor inteligente 35
1.3. Metode si mijloace de investigare a gradului de siguranta pasiva a autovehiculelor 37
1.3.1. Principalele reglementari legislative referitoare la siguranta pasiva 38
1.3.2. Clasificarea metodelor pentru studiul sigurantei pasive 43
1.3.3. Metode si mijloace pentru cercetarea experimentala a sigurantei pasive 43
1.3.3.1. Procedura incercarii la coliziune frontala 44
1.3.3.2. Procedura incercarii plansei de bord 47
1.3.4. Metode si mijloace pentru cercetarea prin simulare a sigurantei pasive 49

2. Evaluarea gradului de vatamare a corpului ocupantului. Indici de performanta la protectia acestuia 53
2.1. Introducere 53
2.2. Scurta istorie a biomecanicii impactului 54
2.3. Mecanismele ranirilor corpului uman in cazul coliziunilor frontale 56
2.3.1. Cazul ocupantului neretinut de catre sistemele de retinere la coliziunea frontala 57
2.3.2. Cazul ocupantului retinut de catre sistemele de retinere la coliziunea frontala 60
2.4. Biomecanica vatamarii corpului uman 61

2.5. Limitele tolerantelor la vatamare ale corpului uman 66
2.6. Criterii de vatamare a capului 69
2.7. Criterii de vatamare a celorlalte zone ale corpului uman 74
2.8. Determinarea criteriilor de performanta la incercarile de coliziune frontala si laterala 81
2.8.1. Procedurile de determinare a criteriilor de performanta la coliziunea frontala
2.8.1.1. Criteriul de performanta la protectia capului
2.8.1.2. Criteriile de leziune a gatului
2.8.1.3. Criteriul de compresiune a toracelui si criteriul de vascozitate
2.8.1.4. Criteriul fortei femurului
2.8.1.5. Criteriul fortei de compresiune a tibiei si indexul tibiei
2.8.1.6. Procedura de calcul a criteriului de vascozitate pentru manechinul Hybrid III
2.8.2. Procedurile de determinare a criteriilor de performanta la coliziunea laterala
2.8.2.1. Criteriul de performanta la protectia capului
2.8.2.2. Criteriile de performanta la protectia zonei toracice
2.8.2.3. Criteriul de performanta la protectia abdomenului
2.8.2.4. Criteriul de performanta la protectia pelvisului
2.8.2.5. Procedura de calcul a criteriului relativ la viscere pentru manechinul EuroSID-1

3. Modele numerice pentru studiul impactului frontal al autovehiculelor 87
3.1. Introducere
3.2. Rigiditatea structurii autovehiculului
3.2.1. Model uni-dimensional pentru studiul impactului frontal
3.2.2. Model cu n grade de libertate pentru studiul impactului frontal
3.2.3. Evaluarea rigiditatii structurii autovehiculului cu ajutorul modelelor numerice
3.3. Aproximarea dependentei rigiditatii structurii frontale de deformarea acesteia cu o functie matematica

4. Modele analitice pentru studiul miscarii corpului ocupantului in habitaclul autovehiculului in timpul impactului frontal 111
4.1. Introducere 111
4.2. Modele ale corpului uman folosite in studiile de impact 113
4.2.1. Modele ale corpului uman cu mase concentrate 114
4.2.2. Modele multi-corp ale corpului uman 115
4.2.3. Modele cu elemente finite ale corpului uman 117
4.2.4. Modele multi-corp versus modele cu elemente finite 117
4.3. Model simplificat pentru studiul miscarii ocupantului in habitaclu in timpul impactului frontal 119
4.4. Model cu trei grade de libertate pentru studiul miscarii corpului ocupantului in habitaclu in timpul impactului frontal, cand acesta nu este retinut de centurile de siguranta 126
4.4.1. Rezolvarea modelului cu ajutorul ecuatiilor lui Lagrange 129
4.4.2. Model Simulink-SimMechanics cu trei grade de libertate 137
4.5. Model cu patru grade de libertate pentru studiul miscarii corpului ocupantului in habitaclu in timpul impactului frontal, cand acesta este retinut de centurile de siguranta 143
4.5.1. Rezolvarea modelului cu ajutorul ecuatiilor lui Lagrange 145
4.5.2. Model Simulink-SimMechanics cu patru grade de libertate 154
4.5.3. Model cu patru grade de libertate bazat pe teoria Multi Body Systems 161
4.5.3.1. Coordonatele generalizate si constrangerile cinematice 161
4.5.3.2. Scrierea ecuatiilor de miscare folosind metoda multiplicatorilor Lagrange 168
4.5.3.3. Rezolvarea numerica a sistemului de ecuatii diferentiale 175
4.6. Model cu patru grade de libertate, cu frecare, bazat pe principiul lui D’Alembert 178
4.7. Calcularea vitezei teoretice de impact a capului cu plansa de bord 195

5. Modele pentru studiul impactului dintre capul ocupantului si plansa de bord 200
5.1. Introducere 200
5.2. Notiuni despre modelarea analitica a dinamicii impactului 201
5.2.1. Abordarea modelarii impactului cu ajutorul mecanicii clasice 202
5.2.2. Abordarea modelarii impactului cu ajutorul teoriei propagarii undelor elastice 202
5.2.3. Abordarea modelarii impactului cu ajutorul mecanicii contactului 203
5.2.4. Abordarea modelarii impactului cu ajutorul teoriei deformarii plastice 203
5.3. Modelarea impactului pe baza coeficientului de restituire. Modelul stereomecanic 204
5.4. Modelarea impactului pe baza dependentei forta - penetratie 207
5.4.1. Relatia forta de contact-penetratie 208
5.4.1.1. Modelul resort liniar 208
5.4.1.2. Modelul Hertz 209
5.4.2. Initierea curgerii plastice in cazul contactelor 211
5.4.3. Disiparea vascoasa 213
5.4.3.1. Modelele Kelvin-Voight si Maxwell 213
5.4.3.2. Modelul Hertz cu element amortizor cu caracteristica neliniara (Model Hertz amortizat) 215
5.4.4. Frecarea in fenomenul de impact 217
5.4.5. Legatura dintre coeficientul de restituire si disiparea in contacte 217
5.5. Modelarea fenomenului de impact dintre cap si plansa de bord 219
5.5.1. Analiza impactului capului uman in timpul evenimentelor de crash ale autovehiculului 219
5.5.2. Model pentru analiza impactului dintre un cap flexibil si un plan elastic 220
5.5.3. Determinarea pulsatiilor proprii ale vibratiilor transversale ale placilor plane subtiri 227

6. Modele cu elemente finite pentru studiul impactului secundar al manechinului Hybrid III in habitaclul autovehiculului 237
6.1. Introducere 237
6.2. Descrierea manechinului fizic Hybrid III 50th barbat 241
6.3. Descrierea modelului cu elemente finite al manechinului Hybrid III 50th barbat 245
6.3.1. Metodologia de modelare 247
6.3.2. Metodologia de testare 247
6.3.3. Modelul capului si validarea acestuia 248
6.3.4. Modelul gatului si validarea acestuia 249
6.3.5. Modelul toracelui si validarea acestuia 251
6.3.6. Modelul coloanei lombare si validarea acestuia 253
6.3.7. Modelul pelvisului si validarea acestuia 255
6.3.8. Modelele membrelor si validarea acestora 256
6.3.8.1. Modelul genunchiului 256
6.3.8.2. Modelele membrelor 257
6.3.8.3. Modelul mainii 258
6.3.8.4. Modelele gleznelor si picioarelor 258
6.3.9. Ansamblul modelului complet al manechinului 258
6.3.9.1. Asamblarea modelului 258
6.3.9.2. Instrumentatia manechinului 259
6.3.9.3. Sumarul elementelor modelului cu elemente finite 260
6.3.9.4. Masele componentelor manechinului 260
6.3.9.5. Pasul de timp 261
6.3.9.6. Validarea modelului complet prin testul de impact cu pendulul asupra toracelui 261
6.3.9.7. Validarea modelului complet al manechinului retinut de centurile de siguranta in cadrul testului cu sania dinamica retinut de airbag in cadrul testului cu sania dinamica 262
6.3.9.8. Validarea modelului complet al manechinului retinut de airbag in cadrul testului cu sania dinamica 267
6.4. Modele numerice pentru simularea miscarii manechinului Hybrid III 50th in habitaclul autovehiculului si a impactului capului fals cu plansa de bord 271
6.4.1. Procedura de stabilire a conditiilor initiale pentru simularea comportamentului cinematic al manechinului in habitaclu 271
6.4.2. Modelul numeric cu elemente finite al plansei de bord 3273
6.4.3. Simularea miscarii manechinului Hybrid III 50th in habitaclul autovehiculului, in timpul impactului frontal 277
6.4.4. Simularea impactului dintre un cap fals si plansa de bord 279

7. Studiu experimental asupra impactului dintre un cap fals si plansa de bord 287
7.1. Introducere 287
7.2. Stand conceput si realizat pentru desfasurarea impactului dintre un cap fals si plansa de bord 288
7.2.1. Dimensionarea pendulului 288
7.2.2. Descrierea standului 290
7.2.3. Avantajele si dezavantajele prezentate de standul realizat 294
7.3. Efectuarea incercarilor si prezentarea rezultatelor 295

Bibliografie 303