Фирма Austin Rover еще в 60–х годах начала применять математические методы для оценки ударных воздействий на тело пассажира, находящегося внутри автомобиля в поисках эффективных средств его защиты. Для анализа напряженного состояния тела пассажира использовался метод конечных элементов. Тело было представлено в виде трехмерной стержневой системы, образованной треугольными и четырехугольными пластинами жестко соединенными в узлах. В зависимости от места и величины ударного воздействия определялись перемещения, ускорения, а также перемещения узловых точек. [ ]
С развитием электронно–вычислительных машин были разработаны более прогрессивные методы исследований.
Так например, в Китае с помощью моделирования на базе нелинейного метода конечных элементов проводятся исследования, направленные на повышение энергопоглощения и ударостойкости с учетом оптимизации структур кузова автомобиля. В частности был проведен анализ прочности на разрушение бампера, а также анализ деформаций кузова при скорости столкновения 8 км/ч; проведено также моделирование поведения манекенов при скорости столкновения 50 км/ч. Результаты такого анализа показывают, что имеются возможности для усовершенствования элементов кузова в отношении энергопоглощения за счет оптимизации их структуры и применения высокопрочных сталей и новых технологий при производстве кузовных элементов. [ ]
Всемирно известный концерн Volkswagen при тематическом моделировании столкновений основывается на методе конечных элементов и многотельной системе. Полученная на компьютере модель автомобиля, состоящая из нескольких десятков тысяч элементов, может быть исследована в различных условиях совместно с такими же моделями пассажиров. Благодаря современным программным комплексам можно получать различные данные о состоянии пассажиров, кузова, а также о ускорениях и деформациях. Точность такого моделирования подтверждается натурными измерениями. Таким образом на таких моделях можно оценить свойства реальных прототипов без существенных финансовых затрат. [ ]
С некоторым запозданием Российский автопром также начал использовать математические методы для поиска наиболее рациональных решений, позволяющих повысить способность кузова автомобиля поглощать энергию фронтального и бокового ударов. Данные методы реализуются в виде специализированных комплексов программных средств. Для исследования проблем прочностного анализа автомобиля и его деталей в ОАО «Ижмаш – Авто» используется программный комплекс ANSYS. С помощью модуля LS-Dyna программного комплекса ANSYS в ОАО «Ижмаш – Авто» был выполнен ряд исследований в результате которых было установлено, что данный программный комплекс является довольно эффективным при решении проблем численного моделирования краш–тестов и анализа поведения конструкций автомобиля при действии ударных нагрузок. По результатам выполненных исследований по проблемам повышения пассивной безопасности и прочностного анализа конструкций различных автомобилей семейства «ИЖ» был сделан вывод о том, что расчетные конечно – элементные методы модуля LS-Dyna программного комплекса ANSYS в совокупности с мощной современной компьютерной техникой являются необходимым инструментом при конструировании современной безопасной автомобильной техники. [ ]
В США также был проведен ряд исследований пассивной безопасности автомобилей с помощью методов математического моделирования. Одна из целей данного исследования состояла во включении в оценку аварийной безопасности отдельных компонентов и полномасштабной модели автомобиля эффектов скорости деформирования. В качестве тестовой платформы была выбрана модель автомобиля с кузовом пикап Chevrolet C2500, созданная в пакете LS-Dyna программного комплекса ANSYS. Для оценки адекватности математической модели использовались результаты краш-тестов Chevrolet C2500 по методике NCAP. Модель разрабатывалась для многоцелевого использования и проверялась для большого количества условий соударения таких как фронтальное столкновение с жестким препятствием, угловой удар с профильным бетонным барьером, а также с вертикальным бетонным барьером. [ ] Из приведенных компьютерных моделей и реального краш–теста был сделан вывод, что включение в расчет скорости деформирования не очень сильно влияет на конечную деформацию модели, несмотря на то, что отдельные детали проявляют значительную чувствительность к скорости деформирования, но такое поведение отмечается только у ограниченного количества деталей автомобиля в целом. Кроме того, высокие скорости деформирования присутствуют не в целом во всей детали, а только в отдельных ее точках.
Помимо исследования поведения автомобиля в целом на математических моделях отрабатывается поведение отдельных элементов конструкции. Так, в исследованиях Griskevicius Paulius представлены энергопоглощающие характеристики лонжеронов автомобильной рамы при действии осевого сжатия [ ]. В работе дается оценка влияния механического старения материала тонкостенных лонжеронов на безопасность движения. С помощью пакета LS-Dyna программного комплекса ANSYS были исследованы две модели лонжеронов с различными механическими параметрами. Результаты проведенного анализа показали, что меньшие механические характеристики лонжеронов автомобилей устаревших моделей в значительной мере негативно влияют на их энергопоглощающие возможности. [ ]
Естественно, что моделирование не может полностью заменить натурные физические эксперименты, однако его основной задачей является обеспечение правильности истолкования результатов экспериментов, экстраполяция и интерполяция их результатов на другие сочетания условий. Поэтому очевидно, что еще долгое время на ряду с виртуальными будут проводиться и реальные краш – тесты.
В основе всех описанных выше исследований лежит метод конечных элнментов, основы которого будут рассмотрены далее.