Конечно-элементное моделирование краш-тестов для композитных энергопоглощающих мачт дорожного освещения (2012 г.)

Дорожно-транспортные происшествия – один из наиболее значимых источников преждевременной смертности людей в России: в одном только 2011 году в авариях погибло 27 953 человека. При этом в Европе доля смертельных случаев в результате ДТП в общей структуре смертности значительно ниже (всего 6–7% против российских 11,66%, по данным на 2010 год). Столь впечатляющего эффекта удалось достичь благодаря начатой еще в 1998 году работе по снижению числа ДТП, вызванных столкновениями транспортных средств (ТС) с дорожными объектами. Одним из ключевых направлений данной работы стало создание безопасных дорожных объектов, таких как мачты дорожного освещения и дорожные ограждения нового поколения.

    

Характерные повреждения автомобилей при фронтальном столкновении с существующими
мачтами дорожного освещения при высоких скоростях

В 2012 г. сотрудниками лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab^®) НИУ СПбГПУ по заказу компании Tehomet Ltd и Mikkeli Polytechnic Research Center YTI (Финляндия)  была выполнена работа по теме: "Конечно-элементное моделирование краш-тестов для энергопоглощающих мачт дорожного освещения" (на основе LS-DYNA-технологии).

Целью работы являлась разработка мачт дорожного освещения с эффективными свойствами поглощения энергии удара, т.е. требовалось найти конструктивное решение для мачты дорожно¬го освещения, которое позволяло бы при столкновениях на небольших скоростях безопасно остановить ТС, а на больших скоростях (свыше 100 км/ч) значительно замедлить ТС с возможностью контролировать замедление и траекторию движения автомобиля после столкновения и после обрыва/среза конструкции мачты. Разработка таких мачт основана на детальном математическом моделировании и глубоком понимании динамических нелинейных процессов контактного взаимодействия с разрушением, происходящих при столкновениях. В целом требовалось обеспечить поглощение энергии удара в основном за счет динамического деформирования конструкции мачты дорожного освещения, замедление ТС и снижение риска повторного столкновения с другими автомобилями и пешеходами. При этом сам удар не должен был вызывать значительных деформаций и повреждений ТС, что сохраняло бы возможность для водителя контролировать автомобиль в процессе замедления до полной остановки.

Ранее, в 2006 г., была выполнена подобная работа совместно с партнерами из фирм Tehomet, Fibrocom и MikkeliPolytechnicResearchCenter YTI (Финляндия) по разработке энергопоглощающих мачт дорожного освещения, выполненных с применением композиционных материалов. По результатам работы была подготовлена статья, опубликованная в журнале "Бизнес-премьер" (август 2013 г.). Серийное производство разработанных композитных мачт дорожного освещения запущено в 2008 году финской компанией Tehomet Oy. Продукция поставляется в Финляндию, страны Балтии и Скандинавии.

  

Обложка журнала "Бизнес-премьер" (август 2013 г.) и деформированное состояние автомобиля
после столкновения с композитной мачтой дорожного освещения (результаты натурного и
вычислительного экспериментов, проведенных в 2006 г.)

Поскольку полномасштабные натурные краш-тесты, как правило, дорогостоящи и требуют значительного времени, данное исследование проводилось в рамках концепции Simulation-Based Design ("Проектирование на основе математического и компьютерного моделирования").

Перед сотрудниками лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab®) ставились следующие задачи:
• проектирование (Simulation-Based Design) мачт дорожного освещения из различных материалов с целью обеспечения повышенного энергопоглощения при ударе;
• выполнение математического и КЭ моделирования серии краш-тестов;
• верификация и валидация разработанных математических моделей и расчетных методов;
• разработка практических рекомендаций по оптимизации конструкции мачт.

Для оценки пассивной безопасности конструкции мачты применялись категории стандарта EN 12767. Этот стандарт подразумевает разделение средств пассивной безопасности на три категории: "HE" – высокие свойства пассивной безопасности (high energy absorbing), "LE" – низкие свойства пассивной безопасности и "NE" – не энергопоглощающие конструкции. Эти категории характеризуются определенными значениями ASI (Accelerated Severity Index) и THIV (Theoretical Head Impact Velocity), которые основаны на замедлении автомобиля при ударе. Кроме того, безопасность водителя и пассажиров автомобиля также разделяется на три категории. Целью проектирования в данной работе являлась разработка мачт категории "HE 3" – категории поглощения энергии с классом скорости 100 км/ч, обеспечивающей наибольшую безопасность водителя и пассажиров при столкновении. Соответственно, основная цель разработки была уточнена и усложнена – проектирование мачты дорожного освещения как серийного продукта, удовлетворяющего всем стандартам и требованиям пассивной безопасности по категории "HE 3".

В рамках проекта разработаны полномасштабные пространственные КЭ модели автомобиля и различных мачт дорожного освещения. Структура мачт была определена на основе многовариантного КЭ решения серии модельных задач: о прочности конической трубы при трехточечном изгибе, о колебаниях конструкции мачты и о ветровых нагрузках, действующих на мачту.

КЭ моделирование краш-тестов учитывает:
• сложное строение современного автомобиля: двигатель, радиатор, передние и задние подвески, систему тормозов и многие другие детали;
• комплексную структуру осветительных мачт: бетонное основание (якорь), опоры с фонарями (одна или две), армированную структуру мачты;
• нелинейные свойства материалов, зависящие от скорости деформирования;
• 216 различных материалов с детальным описанием их физико-механических характеристик;
• пластическое деформирование металлических деталей мачт и автомобиля;
• множественные контактные взаимодействия между объектами с учетом больших перемещений/деформаций/поворотов;
• динамическое разрушение с учетом прогрессивного накопления повреждений;

   
а)                                                                          б)
Анимация: результаты КЭ моделирования краш-тестов (100 км/ч): 
а) – алюминиевая мачта, б) – мачта из стали S235

В процессе выполнения работы инженеры лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab®) провели большое число вычислительных экспериментов, моделирующих столкновение автомобиля с осветительной мачтой, и по результатам этих экспериментов разработали серию мачт дорожного освещения из различных материалов и с различным назначением как по дизайну, так и по потребительским качествам, а также различной ценовой категории, а именно: 
• алюминиевые мачты (высота: 8–12 метров); 
• стальные мачты из сталей различных марок (высота: 8–15 метров);

Тип мачты	Сталь S275, 12 м,  толщина 2 мм, 100 км/ч	Сталь S275, 12 м,  толщина 2.1 мм, 100 км/ч	Алюминий, 12 м, 35 км/ч

 

Результаты КЭ моделирования краш-тестов

Благодаря примененной современной технологии проектирования (Simulation-Based Design) мачт дорожного освещения удалось обеспечить низкий вес конструкции, высокие прочность и энергопоглощающие свойства, а также безопасность при конкурентоспособной стоимости изделия. Разработанные мачты соответствуют наивысшей категории «HE 3» (высокие свойства пас¬сивной безопасности) по Европейскому стандарту пассивной безопас¬ности на дорогах EN 12767, действующему сегодня на территории Евросоюза.

 
Кривая значений ASI для столкновения с 12-метровой алюминиевой мачтой на скорости 100 км/ч
 

Параметры категории "HE 3" при скорости 100 км/ч	Стандарт EN 12767	Вычислительный эксперимент
ASI	1	0.786
THIV	27	15.48

 

Публикация подготовлена сотрудниками лаборатории CompMechLab® на основе работы, выполненной в 2012 г.