Моделирование сбоя

Воспроизвести медиа

Симуляция аварии со стройной (слева) и толстой (справа) пассажиркой.

Аварии моделирование представляет собой виртуальный отдых деструктивного краш - теста в виде автомобиля или шоссе железнодорожной системы охраны с использованием компьютерного моделирования с целью изучения уровня безопасности автомобиля и его пассажиров. Краш моделирование используется автопроизводителями во время компьютерного автоматизированного конструирования (CAE) анализа для ударопрочности в автоматизированном проектировании (САПР) процессе моделирования новых автомобилей. Во время симуляции аварии кинетическая энергия или энергия движения, которую автомобильимеет до того, как удар трансформируется в энергию деформации , в основном за счет пластической деформации ( пластичности ) материала кузова автомобиля ( Body in White ), в конце удара.

Данные, полученные при моделировании столкновения, показывают способность кузова автомобиля или конструкции ограждения ограждать пассажиров во время столкновения (а также пешеходов, сбитых автомобилем) от травм . Важными результатами являются деформации (например, вторжение рулевого колеса ) в пространство пассажиров (водитель, пассажиры ) и ощущаемые ими замедления (например, ускорение головы), которые должны быть ниже пороговых значений, установленных в правовых нормах безопасности автомобилей . Для моделирования реальных краш-тестов сегодняшние краш-симуляторы включают виртуальные модели манекенов для краш-тестов и устройств пассивной безопасности (ремни безопасности , подушки безопасности , амортизирующие панели приборов и т. д.). Испытания направляющих рельсов оценивают возможность замедления и опрокидывания транспортного средства, а также проникновение транспортных средств через барьер.

Происхождение [ править ]

В 1970 году были предприняты попытки смоделировать автомобильные аварии с помощью нелинейных систем пружины и массы после калибровки , которые требуют в качестве входных данных результатов физических разрушающих лабораторных испытаний, необходимых для определения механических характеристик раздавливания каждого компонента пружины моделируемого элемента. система. Однако моделирование « первого принципа », как и более сложные модели конечных элементов, требует только определения геометрии конструкции и основных свойств материала ( реология стали кузова автомобиля, стекла, пластмассовых деталей и т. Д.) В качестве входных данных для создания числовой модели. .

Истоки первопринципного промышленного компьютерного моделирования автокатастроф лежат в области военной обороны , космоса и гражданских атомных электростанций . После презентации модели аварийного столкновения военного истребителя с атомной электростанцией 30 мая 1978 года компанией ESI Group на встрече, организованной Verein Deutscher Ingenieure (VDI) в Штутгарте , автопроизводители были предупреждены о возможности использование этой технологии для моделирования разрушительных краш-тестов автомобилей (Haug, 1981).

В последующие годы немецкие автопроизводители провели более сложные исследования по моделированию столкновений, моделируя поведение при столкновении отдельных компонентов кузова автомобиля, узлов и узлов кузова белого цвета ( BIW ). Эти эксперименты завершились совместным проектом Forschungsgemeinschaft Automobil-Technik (FAT), объединением всех семи немецких автопроизводителей ( Audi , BMW , Ford , Mercedes-Benz , Opel , Porsche и Volkswagen.), в котором проверялась применимость двух новых коммерческих программ моделирования аварий. Эти коды моделирования воссоздали лобовое столкновение всей конструкции легкового автомобиля (Хауг, 1986), и они были выполнены на компьютере в одночасье. Теперь, когда время оборачиваемости между двумя последовательными отправками заданий (компьютерными прогонами) не превышало одного дня, инженеры могли эффективно и постепенно улучшать поведение анализируемой конструкции кузова при столкновении.

Заявление [ править ]

Моделирование столкновений используется для исследования безопасности пассажиров автомобиля при ударах о переднюю часть автомобиля при «лобовом столкновении » или «лобовом ударе», боковую конструкцию автомобиля при « боковом столкновении » или « боковой удар», задний конец структура автомобиля в„ наезде сзади “или„удар сзади“, и структура крыши автомобиля , когда он переворачивает во время„ опрокидывания “. Моделирование столкновений также можно использовать для оценки травм пешеходов, сбитых автомобилем.

Преимущества [ править ]

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

Анализ [ править ]

В большом количестве симуляций аварий используется метод анализа, называемый методом конечных элементов . Сложные проблемы решаются путем разделения поверхности на большое, но все же конечное число элементов и определения движения этих элементов за очень короткие периоды времени. Другой подход к моделированию аварий - это применение 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 на расчетах по уравнениям в частных производных.

Pam-Crash запустила моделирование аварий и вместе с LS-DYNA представляет собой программный пакет, который широко используется для применения метода конечных элементов. Этот метод позволяет детально моделировать конструкцию, но недостаток заключается в высоких требованиях к процессору и времени расчета. Visual Crash Studio использует методологию макроэлементов. По сравнению с МКЭ он имеет некоторые ограничения моделирования и граничных условий, но для его применения не требуются современные компьютеры, а время расчета несравнимо меньше. Два представленных метода дополняют друг друга. Метод макроэлементов полезен на ранней стадии процесса проектирования конструкции, в то время как метод конечных элементов хорошо работает на его заключительных стадиях.

Структурный анализ [ править ]

При типичном моделировании аварии структура кузова автомобиля анализируется с использованием пространственной дискретизации , то есть разбиения непрерывного движения кузова в реальном времени на более мелкие изменения положения за небольшие дискретные временные интервалы. Дискретизация включает в себя подразделение поверхности составляющих тонких деталей из листового металла на большое количество (приближающееся к одному миллиону 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 как сосредоточенные массы и как массовые моменты инерции к его соединительным узлам. Каждый узел имеет 6 кинематических степеней свободы., то есть один узел может перемещаться в трех линейных направлениях при поступлении и может вращаться вокруг трех независимых осей. Пространственные координаты ( х ), смещение ( у ), скорость ( v ), и ускорение ( ) каждый узел в основном выражаются в трехмерной прямоугольной системе координат декартов с осями X , Y и Z .

Если узлы перемещаются во время моделирования аварии, связанные элементы перемещаются, растягиваются и изгибаются 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 поступательными (линейными) и угловыми ускорениями, а также силам и моментам, передаваемым сопротивлением конструкционного материала соединенных элементов при их деформации. Иногда применяются дополнительные внешние нагрузки на конструкцию , такие как гравитационные нагрузки от собственного веса деталей или дополнительные нагрузки от внешних масс.

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

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

где вектор ( вектор массы, умноженный на ускорение) собирает силы инерции в узлах, собирает внешние узловые нагрузки и 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 аварии (около 6 миллионов « степеней свободы » на каждый 1 миллион «узлов» в трехмерной тонкой оболочке, конечной элементные модели).${\ displaystyle \ mathbf {Ma}}$${\ displaystyle \ mathbf {F} _ {ext}}$${\ displaystyle \ mathbf {F} _ {int}}$

Анализ времени [ править ]

В моделировании аварии используется дискретизация по времени, а также для разделения непрерывных изменений во времени на очень маленькие, пригодные для использования сегменты. Динамические уравнения движения выполняются все время во время моделирования аварии и должны быть интегрированы по времени t , начиная с начального состояния в нулевой момент времени, который непосредственно перед аварией. В соответствии с явным методом интегрирования по времени с конечной разностью, используемым в большинстве аварийных кодов, ускорения, скорости и смещения тела связаны следующими уравнениями.

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

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

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

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 и , соответственно.${\displaystyle \Delta t_{n}}$${\displaystyle \Delta t_{n+1/2}}$

Решение [ править ]

Выше система линейных уравнений решаются для ускорений, , скорость, и перемещение, в каждой дискретной точке времени, т , во время аварии продолжительности . Это решение тривиально, поскольку матрица масс диагональна. Компьютерное время пропорционально количеству конечных элементов и количеству временных шагов решения. Временной шаг устойчивого решения ограничен для численной устойчивости , что выражается условием Куранта – Фридрихса – Леви.${\displaystyle \mathbf {a} _{n}}$${\displaystyle \mathbf {v} _{n+1/2}}$${\displaystyle \mathbf {u} _{n+1}}$${\displaystyle \Delta t}$ (CFL), в котором говорится, что «в любом компьютерном моделировании с временным маршем шаг по времени должен быть меньше времени, в течение которого должно произойти какое-либо существенное действие, и, предпочтительно, значительно меньше». сигналы, которые проходят внутри конструкционного материала.

Скорость волны твердого упругого напряжения составляет

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

где - начальный модуль упругости (до пластической деформации ) материала, - массовая плотность. Таким образом, наибольший стабильный временной шаг для данного материала составляет${\displaystyle E_{0}}$${\displaystyle \rho }$

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

где - наименьшее расстояние между любыми двумя узлами модели численного моделирования столкновения.${\displaystyle d_{min}}$

Поскольку это расстояние может изменяться во время моделирования, стабильный временной шаг изменяется и должен постоянно обновляться по мере того, как решение продвигается во времени. При использовании стали типичное значение стабильного временного шага составляет около одной микросекунды, когда наименьшее расстояние между дискретными узлами в сетке конечно-элементной модели составляет около 5 миллиметров. Затем требуется более 100 000 временных интервалов для устранения аварийного отказа, который длится одну десятую секунды. Этот показатель превышен во многих промышленных моделях сбоев, требующих оптимизированных средств устранения сбоев с функциями высокопроизводительных вычислений ( HPC ), таких как векторизация и параллельные вычисления .

См. Также [ править ]

• Метод конечных элементов в строительной механике
• Анализ методом конечных элементов
• Краш тест

Ссылки [ править ]

• Хауг, Э. (1981) «Технический анализ безопасности с помощью разрушающих численных экспериментов», EUROMECH 121, Польская академия наук, Engineering Transactions 29 (1), 39–49.
• Э. Хауг, Т. Шарнхорст, П. Дюбуа (1986) "FEM-Crash, Berechnung eines Fahrzeugfrontalaufpralls", VDI Berichte 613, 479–505.