Technické výpočty = virtuální zajištění funkčnosti vozu (FEM)

Transkript

1 Technické výpočty = virtuální zajištění funkčnosti vozu (FEM) Jiří Ota Škoda Auto TF/1 Technické výpočty a aerodynamika Tento materiál vznikl jako součást projektu In-TECH 2, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR. J. Smejkal a kolektiv TF/1 josef.smejkal3@skoda-auto.cz

2 Motivace Motivace = Zajištění funkčnosti vozu Statická a dynamická tuhost kvalitní jízdní vlastnosti Pasivní bezpečnost vozu bezpečnost posádky Výhody výpočetních metod Efektivita Rychlost Pružnost Není třeba stavět fyzické prototypy

3 Fáze každého FEM výpočtu preprocessing solving postprocessing documentation CAD FEM síť materiály okrajové podmínky vstupní konstrukční data tvorba FEM sítě tvorba materiálových modelů definice uložení definice typu úlohy výpočet implicitní - explicitní lineární - nelineární zpracování výsledku vyhodnocení výsledku získání výsledných hodnot extrakce průběhů sledovaných veličin analýza příčin a následků porovnání výsledků s cílovými hodnotami stanovení hodnocení dokumentace výpočtu stanovení závěru další postup popis vstupů popis výsledků shrnutí klíčových poznatků návrh změny konstrukce, designu, cíle počáteční podmínky definice zatížení

4 Fáze každého FEM výpočtu preprocessing solving postprocessing documentation CAD vstupní konstrukční data CAD sestava výztuhy předního nárazníku FEM síť tvorba FEM sítě materiály tvorba materiálových modelů okrajové podmínky definice uložení počáteční podmínky definice zatížení

5 Fáze každého FEM výpočtu preprocessing solving postprocessing documentation CAD vstupní konstrukční data FEM síť výztuhy předního nárazníku FEM síť tvorba FEM sítě materiály tvorba materiálových modelů okrajové podmínky definice uložení počáteční podmínky definice zatížení

6 Fáze každého FEM výpočtu preprocessing solving postprocessing documentation CAD vstupní konstrukční data materiálový koncept výztuhy předního nárazníku FEM síť tvorba FEM sítě materiály tvorba materiálových modelů okrajové podmínky definice uložení počáteční podmínky definice zatížení

7 Fáze každého FEM výpočtu preprocessing solving postprocessing documentation CAD vstupní konstrukční data komponentní zkouška předního defoelementu FEM síť tvorba FEM sítě materiály okrajové podmínky tvorba materiálových modelů definice uložení fixováno v místech šroubů k podélníku opěr v celé ploše uzavírací desky počáteční podmínky definice zatížení

8 Fáze každého FEM výpočtu preprocessing solving postprocessing documentation CAD FEM síť materiály vstupní konstrukční data tvorba FEM sítě tvorba materiálových modelů komponentní zkouška předního defoelementu tuhá deska, předepsán posuv v ose defoelementu sklon desky 10º (jako RCAR bariera) pohled shora okrajové podmínky definice uložení počáteční podmínky definice zatížení

9 Fáze každého FEM výpočtu preprocessing solving postprocessing documentation definice typu úlohy implicitní - explicitní lineární - nelineární explicitní kvazistatická nelinární simulace 0 40 ms výpočet výpočetní cluster:

10 Fáze každého FEM výpočtu preprocessing solving postprocessing documentation zpracování výsledku získání výsledných hodnot extrakce průběhů sledovaných veličin komponentní zkouška předního defoelementu průběh skládání defoelementu síla na barieře posuv čela defoelementu vyhodnocení výsledku analýza příčin a následků porovnání výsledků s cílovými hodnotami stanovení hodnocení

11 Fáze každého FEM výpočtu preprocessing solving postprocessing documentation zpracování výsledku získání výsledných hodnot extrakce průběhů sledovaných veličin komponentní zkouška předního defoelementu průběh skládání defoelementu síla na barieře posuv čela defoelementu vyhodnocení výsledku analýza příčin a následků porovnání výsledků s cílovými hodnotami stanovení hodnocení návrhová silová hladina XX kn postupné skládání odpředu nevybočování do strany nízká silová hladina

12 Fáze každého FEM výpočtu preprocessing solving postprocessing documentation dokumentace výpočtu popis vstupů popis výsledků Vstupy: CAD + materiály komponentní zkouška předního defoelementu Popis výsledků stanovení závěru shrnutí klíčových poznatků další postup návrh změny konstrukce, designu, cíle sledovaných kriterií více zde pro jednoduchost vybrány pouze dvě

13 Fáze každého FEM výpočtu preprocessing solving postprocessing documentation dokumentace výpočtu stanovení závěru další postup popis vstupů popis výsledků shrnutí klíčových poznatků návrh změny konstrukce, designu, cíle komponentní zkouška předního defoelementu deformační mód postupné skládání odpředu nevybočování do strany silová hladina příliš nízká

14 Fáze každého FEM výpočtu preprocessing solving postprocessing documentation dokumentace výpočtu stanovení závěru další postup popis vstupů popis výsledků shrnutí klíčových poznatků návrh změny konstrukce, designu, cíle komponentní zkouška předního defoelementu Nízkou silovou hladinu navrhujeme řešit: 1. zmenšením prolisů pro navýšení tuhosti 2. použitím materiálu s vyšší mezí kluzu (nevýhoda nárůst ceny) 3. navýšením tloušťky defoelementu (nevýhoda nárůst hmotnosti)

15 Fáze každého FEM výpočtu preprocessing solving postprocessing documentation CAD FEM síť materiály okrajové podmínky vstupní konstrukční data tvorba FEM sítě tvorba materiálových modelů definice uložení definice typu úlohy výpočet implicitní - explicitní lineární - nelineární zpracování výsledku vyhodnocení výsledku získání výsledných hodnot extrakce průběhů sledovaných veličin analýza příčin a následků porovnání výsledků s cílovými hodnotami stanovení hodnocení dokumentace výpočtu stanovení závěru další postup popis vstupů popis výsledků shrnutí klíčových poznatků návrh změny konstrukce, designu, cíle počáteční podmínky definice zatížení

16 Pozice technických výpočtů v procesu vývoje EuroNCAP cíl RCAR cíl homologační předpisy cíle tuhosti karoserie dosažitelnost cílů funkčnost designu PF DE projekt designové ztvárnění funkčnost řešení BF konstrukční řešení hodnocení hodnocení stanovení cílů design konstrukce technické výpočty zkoušky potvrzení dosažení cílů SOP hodnocení

17 Struktura používaných typů technických výpočtů (FEM) Statické výpočty Dynamické výpočty lineární materiálová nelinearita geometrická nelinearita kontaktní nelinearita vlastní frekvence a vlastní módy odezva na dynamické buzení crash simulace určení elastické deformace určení trvalé deformace určení trvalé deformace systémů s vůlí určení vlastních frekvencí a vlastních módů přenosové funkce NVH určení časového průběhu deformace tuhost karoserie deformace dveří při prověšení deformace zadního nárazníku pod zatížením torzní vlastní frekvence karoserie odezva na buzení od podvozku nárazové zkoušky komplexnost

18 Statické a dynamické výpočty vozu

19 Statické a dynamické výpočty vozu přehled Cíle: bezpečnost tuhost a pevnost karoserie, pevnost kotevních míst prvků pasívní bezpečnosti ekonomie a ekologie materiálový koncept, hmotnost funkčnost životnost karoserie, dimenzování komponent komfort podpora jízdních vlastností, vibrace a hluky Prostředky : FEM výpočty (predikce, optimalizace), měření a zkoušky Základní sledované oblasti: určení statické a dynamické tuhosti holé a ustrojené karoserie koncepční návrhy, optimalizace nosných profilů a skladby karosérie životnost karoserie, riziko porušení spojovacích prvků a dílů tuhost, pevnost a životnost dveří a vík optimalizace komponent (světlomet, vnější zrcátko, madlo, )

20 Statická a dynamická tuhost karoserie Cíle: dosažení dostatečně vysoké krutové tuhosti karoserie pro zajištění stability vozu při vyhýbacích manévrech a překonávání překážek dosažení dostatečně vysoké vlastní torzní frekvence karoserie pro zajištění vibračního a hlukového komfortu minimalizace maximálních hodnot napětí pro životnost karoserie Parametry pro optimalizaci: velikost a tvar nosných profilů skladba dílů karoserie tvarování jednotlivého dílu tloušťka každého dílu interakce s konstrukcí/designem interakce s technologií svařovny interakce s lisovnou dopad na hmotnost/cenu

21 Statická torzní tuhost karoserie o tuhosti celého vozu rozhoduje tuhost holé karoserie síly od kol do karoserie vstupují přes tlumiče a upevnění ramen náprav pomocný rám zatížen momentem odpovídajícím dovolenému zatížení náprav, přes pomocný rám je karoserie zkrucována na přední nápravu připevněn pomocný rám, který je uprostřed podepřen zadní náprava podepřena v místě náboje kola

22 Statická torzní tuhost karoserie místa s největší deformací identifikuje napětí na dílech karoserie MPa

23 Crash simulace

24 Crash simulace přehled Cíle: bezpečnost a funkčnost vozu (testy EuroNCAP, RCAR) homologace efektivní součinnost systémů, inovativní řešení Prostředky : FEM výpočty (predikce, optimalizace), zkoušky Základní sledované oblasti: čelní nárazy boční nárazy ochrana chodců pojišťovací nárazy (nárazy nízkou rychlostí) interní testy

25 Crash simulace nárazových zkoušek dle EuroNCAP Cíle: dosažení stanoveného počtu hvězdiček EuroNCAP, tj. získání potřebného množství bodů v jednotlivých hodnocených oblastech ochrana dospělé posádky + ochrana dětí + ochrana chodců + aktivní systémy Parametry pro optimalizaci: tvar, poloha a počet výztuh skladba dílů karoserie tvarování jednotlivého dílu tloušťka každého dílu materiálový koncept interakce s konstrukcí/designem interakce s technologií svařovny interakce s lisovnou dopad na hmotnost/cenu dopad na hmotnost/cenu

26 Čelní náraz v kofiguraci EuroNCAP vozidlo naráží do deformovatelné bariéry (40% přesazení) rychlostí 64km/h bezpečnostní pás spolujezdce figurína spolujezdce sedačka spolujezdce sedačka bezpečnostní pás airbag spolujezdce figurína Hybrid III 50%: airbag deformovatelná bariera

27 Čelní náraz v kofiguraci EuroNCAP vozidlo naráží do deformovatelné bariéry (40% přesazení) rychlostí 64km/h airbag přístrojová deska deformovatelná bariera obložení dveří bezpečnostní pás sedačka figurína airbag spolujezdce kolenní airbag bezpečnostní pás spolujezdce figurína spolujezdce sedačka spolujezdce

28 Čelní náraz v kofiguraci EuroNCAP vozidlo naráží do deformovatelné bariéry (40% přesazení) rychlostí 64km/h airbag přístrojová deska deformovatelná bariera obložení dveří bezpečnostní pás sedačka figurína airbag spolujezdce kolenní airbag bezpečnostní pás spolujezdce figurína spolujezdce sedačka spolujezdce

29 Čelní náraz v kofiguraci EuroNCAP vozidlo naráží do deformovatelné bariéry (40% přesazení) rychlostí 64km/h figurína airbag přístrojová deska deformovatelná bariera airbag spolujezdce obložení dveří bezpečnostní pás sedačka kolenní airbag bezpečnostní pás spolujezdce figurína spolujezdce sedačka spolujezdce

30 Boční bariérový náraz v konfiguraci EuroNCAP do vozidla náraží deformovatelná bariéra o hmotnosti 950 kg rychlostí 50 km/h sedačka bezpečnostní pás boční airbag figurína EuroSID II 50%: deformovatelná bariera

31 Boční bariérový náraz v konfiguraci EuroNCAP do vozidla náraží deformovatelná bariéra o hmotnosti 950 kg rychlostí 50 km/h hlavový airbag deformovatelná bariera obložení zadních dveří sedačka bezpečnostní pás figurína boční airbag obložení předních dveří

32 Boční bariérový náraz v konfiguraci EuroNCAP do vozidla náraží deformovatelná bariéra o hmotnosti 950 kg rychlostí 50 km/h hlavový airbag deformovatelná bariera obložení zadních dveří sedačka bezpečnostní pás figurína boční airbag obložení předních dveří

33 Boční bariérový náraz v konfiguraci EuroNCAP do vozidla náraží deformovatelná bariéra o hmotnosti 950 kg rychlostí 50 km/h hlavový airbag deformovatelná bariera obložení zadních dveří sedačka bezpečnostní pás figurína boční airbag obložení předních dveří

34 Boční bariérový náraz v konfiguraci EuroNCAP do vozidla náraží deformovatelná bariéra o hmotnosti 950 kg rychlostí 50 km/h hlavový airbag deformovatelná bariera obložení zadních dveří sedačka bezpečnostní pás figurína boční airbag obložení předních dveří

35 Boční bariérový náraz v konfiguraci AE-MDB do vozidla náraží deformovatelná bariéra o hmotnosti 1500 kg rychlostí 50 km/h hlavový airbag deformovatelná bariera figurína zadního cestujícího zadní boční airbag sedačka bezpečnostní pás figurína boční airbag obložení předních dveří

36 Boční náraz na kůl v konfiguraci EuroNCAP vozidlo náraží rychlostí 29 km/h do pevného kůlu průměru 254 mm hlavový airbag EuroSID II 50%: sedačka pevný nedeformovatelný kůl bezpečnostní pás boční airbag figurína

37 Boční náraz na kůl v konfiguraci EuroNCAP

38 Boční náraz na kůl v konfiguraci EuroNCAP

39 Boční náraz na kůl v konfiguraci EuroNCAP

40 Boční náraz na kůl v konfiguraci EuroNCAP

41 Ochrana chodců dle EuroNCAP impaktor naráží do vozidla rychlostí až 40km/h zóny hodnocení impaktor dospělé hlavy impaktor dětské hlavy impaktor stehna impaktor dolní končetiny

42 Ochrana chodců dle EuroNCAP Impaktor dolní končetiny průběh náraz, deformace mm Impaktor dětské hlavy průběh nárazu, deformace

43 Střih v koleni [mm] Ohybový úhel [ ] Zrychlení [g] Technické výpočty = virtuální zajištění funkčnosti vozu (FEM) Ochrana chodců dle EuroNCAP impaktor dolní končetiny Homologation limits EuroNCAP limits

44 Čelní pojišťovací náraz dle RCAR vozidlo naráží do tuhé bariéry (sklon 10º) rychlostí 15km/h figurína sedačka bezpečnostní pás U = 40% přesazení B = šířka vozu R = 150mm A = 10º tuhá bariera Vyhodnocuje se rozsah poškozených dílů (cena opravy) přiřazení odpovídající pojišťovací třídy cena pojistky

45 Zadní pojišťovací náraz dle RCAR do vozidla naráží tuhá bariéra o hmotnosti 1400kg pod úhlem 10º rychlostí 15km/h figurína bezpečnostní pás sedačka tuhá bariera Vyhodnocuje se rozsah poškozených dílů (cena opravy) přiřazení odpovídající pojišťovací třídy cena pojistky U = 40% přesazení B = šířka vozu R = 150mm r = 50mm H = 700mm h = 200mm

46 Dimenzování přední části vozu komplexní multikriteriální optimalizace Ochrana chodců: - optimalizace vnitřního plechu kapoty pro náraz hlavou Ochrana chodců: - optimalizace tlumícího členu pro náraz nohou CFD Statika + CFD: - optimalizace vnitřního plechu a uchycení kapoty z pohledu torzní tuhosti a kmitání kapoty (včetně uvážení zatížení od aero tlakového pole) Ochrana chodců: - optimalizace polohy parkovacích senzorů Ochrana chodců: - optimalizace nástavku pro náraz nohou Materiálový test: - Test soudržnosti plastových dílů v přední části vozu po nárazu CFD: - Optimalizace nasávacích otvorů a vedení vzduchu ke chladičům Pojišťovací + čelní náraz: - optimalizace tuhosti výztuhy nárazníku a defoelementů Pojišťovací náraz + ochrana chodců: - optimalizace tuhosti a uchycení krytu nárazníku

47 Crash simulace nástroje Design Konstrukce Komponentní výpočty Korigované crash simulace Crashové vlastnosti Deformace vozu Zatížení figurín Bodové hodnocení Vyhodnocení Výpověď Komponentní zkoušky Návrh opatření pro splnění cílů PT a sériové crash zkoušky Crash simulace

48 FEM ZKOUŠKA Technické výpočty = virtuální zajištění funkčnosti vozu (FEM) Crash simulace validace výpočtů Koncepční fáze bez fyzických PT Prototyp Série Minimální četnost validací je ke statutárním výpočtům s fyzickým prototypem Mezi milníky není možné celkové porovnání, je však vhodné ověřit výsledky na TT NUTNÁ VALIDACE na SÉRIOVÉM voze

49 Technické výpočty náplň v průběhu vývoje vozu časová osa vývoje vozu PR0 PR1 PR2 SOP inovace podpora KONCEPTŮ podpora KONSTRUKCE Výběr vhodných inovací FEM hodnocení konstrukčních návrhů a výběr vhodných konceptů FEM výpočty Měření, zkoušky Optimalizovaný stav

50 Děkuji za pozornost dotazy?