ABAQUS: Zderzenie auta – zaawansowana analiza Explicit – realistyczna walidacja wyników

Abaqus CAE – Solver Explcit

Rysunek 1 Badane auto – Dodge Neon

Podczas projektowania i produkcji elementów, musimy brać pod uwagę ich wytrzymałość na uderzenia. Gdy posiadamy narzędzia symulacyjne możemy zbadać je strukturalnie jeszcze przed stworzeniem prototypu. Z tak złożonym narzędziem analitycznym jakim jest Abaqus mamy możliwość odwzorować zniszczenia całych dużych złożeń. Tak jak na zdjęciu wyżej widać, dzisiaj wezmę pod lupę auto Dodge Neon. Za pomocą narzędzi dostępnych w programie Abaqus zrobię realistyczną walidację wyników prawdziwego „Crash testu” auta. Badanie obejmuje uderzenie przodem w ścianę. To podstawowy test, który zadaje się nowym autom aby sprawdzić wytrzymałość i bezpieczeństwo kierowców.

Rysunek 2 Model auta z siatką MES do analizy w programie Abaqus CAE

Celem testu jest usprawnianie i zwiększanie bezpieczeństwa kierowców. Takie zderzenie jak te, przy prędkości 50km/h może występować często w ruchu miejskim i na parkingach. Test zderzeniowy służy również do oceny ogólnych zdolności pochłaniania energii przez struktura zderzaka i całego przodu.
Model auta użyty w tej analizie jest udostępniony przez markę Dodge. Model posiada uproszczony silnik i szyby, całe metalowe nadwozie i niektóre elementy podwozia. Ten model został przetworzony, aby działał w programie Abaqus. Model wykorzystuje elementy powłoki dla większości komponentów i elementy bryłowe dla silnika i innych wymagających tego elementów. Ściana zderzeniowa i droga jest całkowicie ograniczona i modelowana jako sztywna. Masa pojazdu i bezwładność obrotowa są zgrupowana przez kilka węzłów referencyjnych ciała sztywnego.
Różne rodzaje modeli materiałów, w tym plastyczność Misesa i krusząca pianka z utwardzaniem izotropowym są również zawarte w modelu. Prędkość początkowa 50 km/h jest przykładana do całego nadwozia.

Rysunek 3 Widok siatkowy

Nasz model już wcześniej uzyskał siatkę MES. Jest ona uproszczona tak jak cały model. Elementy jak szyby zostały wrzucone dodatkowo do modelu przez siatkowanie powłokowe. Reszta elementów standardowo została ustawiona pod najlepszą optymalizację i uproszczenie siatką HEX, tak zeby uzyskać wiarygodne wyniki i całe badanie nie zajmowało dużo miejsca. Cały model z analizą udało się zmieścić w dość szybkim badaniu, które zajmuje tylko kilka Gigabajtów.

Rysunek 4 Krok explicit na określony czas

Naszym solverem do tego badania musiał być specjalnie przystosowany do takich analiz solver Explicit. Rodzaj badań Explicit jest stosowany do zagadnień dynamicznych, zwłaszcza w przypadku dużych szybkości odkształceń. Takie testy zderzeniowe są zdarzeniami dynamicznymi. Określając wysoką liczbę tzw. kroków i inkrementów dostaniemy bardziej dokładną analizę w samym punkcie zderzenia. Najlepiej ustawić model auta tuż przed ścianą, dzięki czemu oszczędzamy czas i pamięć komputera.

Rysunek 5 Kontakty w analizie

Zdefiniowanie kontaktu dla całego modelu odbywa się za pomocą kontaktu ogólnego oraz ustawienia tarcia dla interakcji. Kontakt ogólny jest opcją, którą możemy ustawić automatycznie przez solver Explicit, co przyspiesza proces ustawiania analizy. Kontakty zostały ustawione jako MPC Beam, jeden z rodzajów łączenia obiektów.

Rysunek 6 Warunki brzegowe

Warunki brzegowe zostały ustawione na pełne utwierdzenie drogi i ściany (rigidbody) a cały samochód dodany do prędkości którą ma podjechać do ściany na zderzenie. Tą prędkością było 50 km/h, czyli szybkość która może wydawać się mała i bezpieczna dla naszych aut. Z taką średnią prędkością często poruszamy się po mieście. Wyniki pokażą skale zniszczeń co pokazuję jak bezpieczny był ten mały amerykański samochód, który jeszcze czasem widać na ulicach mimo już wysokiego wieku tego modelu.

Rysunek 7 Przekrój modelu przed analizą

Za pomocą opcji przekroju modelu, można zobaczyć jak uproszczony jest model badanego auta. Zaczynając od przodu, mamy cały zderzak z wspornikami, uproszczony blok silnika i dalej całe wnętrze auta bez foteli czy konsoli. W badaniu głównie chodziło o badanie samego przodu auta, dlatego całe wnętrze nie było potrzebne.

Rysunek 8 Model przed uderzeniem

Następnym krokiem było puszczenie analizy i przejście do modułu Visualization. Aby uniknąć problemów można przeprowadzić analizę datacheck co pozwoli na szybsze sprawdzenia ustawień bez czekania na pełną analizę wytrzymałościową. Podczas analizy sprawdzania danych Abaqus tworzy plik wyjściowej bazy danych (.odb). Ze względu na rozmiar pliku i skale skomplikowania, jeśli nasz komputer nie jest szybki lepiej przeprowadzić taką analizę testową, aby nie tracić czasu. Wizualizacja wyników analizy w programie Abaqus pozwala na bardzo dużo możliwości. Po obliczeniu symulacji przez program możemy wejść w moduł Visualization i przejrzeć wszystkie wyniki które ustawiliśmy wcześniej jako pożądane przez nas w opcji Field output i History output.

Rysunek 9 Uderzenie podczas Crash test’u

Rysunek 10 Wizualizacja uderzenia

Rysunek 11 Zderzenie – widok boczny

Naszym celem była walidacja wyników z prawdziwych testów zderzeniowych do analizy w programie Abaqus Explicit. Jak widać na obrazach wyżej, udało się uzyskać bardzo zbliżone wyniki. Auto dosłownie niszczy całe swoje poszycie przednie, dostaje się również dolne środkowe podwozie i drzwi przednie, co może sugerować spore obciążenia dla kierowcy auta. W testach NCAP które określają bezpieczeństwo auta na drodze podczas zderzeń, przy zderzeniu przednim auto dostało drugą najgorszą ocenę, czyli „marginalnie” bezpieczny. Najgorzej wypadł w ocenie miejsca dla nóg kierowcy. Tam tak jak też widać na naszym badaniu, miejsce w którym powinny być pedały auta, zostaje poważnie odkształcone.

Rysunek 12 Wyniki na widoku przekroju auta

Domyślny widok modelu nie pokazuje wszystkiego, przez poszycie auta i ścianę nie widzimy wiele interesujących wyników. Dobrze jest użyć opcji ukrycia ciał lub jak tutaj możemy użyć przekroju modelu. We wnętrzu widzimy jak przemieścił się silnik i linia wnętrza auta. Również obniżyło się dolne podszycie, które zaczęło wpadać pod silnik.
Możemy również zmienić widok na pełną siatkę żeby zobaczyć gęstość siatki i wnętrze złożenia. W łatwy sposób możemy pokazać elementy nie widoczne przez opcje wydzielenia.
Do pokazania wyników należy wybrać jedną z wielu opcji wyników, m.in. Stress, Strain, Deformacja i wiele innych, które możemy ustawić przez rozpoczęciem analizy.
Dla lepszego zobrazowania i oddzielenia poszczególnych części najlepiej wybrać opcje widoku „setów” lub poszczególnych materiałów w złożeniu. Pozwala to na m. in. podział modelu na części stalowe czy lepszej widoczności dla zdeformowanego modelu.

Rysunek 13 Animacja deformacji auta na modelu pełnym

Rysunek 14 Animacja deformacji auta na modelu przekrojonym

Podsumowując, Abaqus z solverem Explicit pozwala na kompleksowe analizy z dużą ilością danych. Dzięki dobrej optymalizacji i odpowiednim ustawieniom symulacji, nawet na zwykłym komputerze jesteśmy w stanie szybko obliczyć bardzo skomplikowaną analizę wytrzymałościową. W module wizualizacji wyników mamy wszechstronne możliwości ustawienia symulacji pod nasze potrzeby, co jest przydatne przy podsumowaniach projektów czy raportach.
Po naszych badaniach możemy znaleźć wiele opcji wizualizacji wyników, które możemy wykorzystać dalej w naszych dokumentach lub prezentacjach. Abaqus umożliwia tworzenie dowolnych wykresów, przekrojów i tabel. Oprócz tworzenia obrazów i filmów związanych z naszym modelem i wynikami analiz.
Model pokazał jak mocno może zniszczyć się kompaktowe auto w warunkach miejskich, przy 50km/h uderzając w ścianę. Bardziej nowsze auta niż taki 20 letni samochód, są dużo bardziej bezpieczne. Dzięki rozwoju technologii i badań wytrzymałościowych w takim programie jak Abaqus nasze auta przeszły długą drogę w stronę zwiększenia bezpieczeństwa kierowcy i pasażerów podczas zderzeń.

Post: ABAQUS: Zderzenie auta – zaawansowana analiza Explicit – realistyczna walidacja wyników