Popis obsahu balíčku WP23Metodiky návrhu karoserie moderního vozidla z WP23: Metodiky návrhu karoserie moderního vozidla z hlediska snižování hmotnosti a zvyšování pasivní bezpečnosti Vedoucí konsorcia podílející se na pracovním balíčku TÜV SÜD Czech s.r.o., Ing. Michal Kalinský. Členové konsorcia podílející se na pracovním balíčku České vysoké učení technické v Praze Ing. Michal Vašíček, doc. Ing. Miroslav Španiel, CSc. Hlavní cíl balíčku -WP23A: Lehká konstrukce vozidla. Metodika pro testování návrhů lehké konstrukce nákl. vozidel a autobusů s ohledem na snižování jejich hmotnosti a současně zvyšování pasivní bezpečnosti. -WP23 B:Výzkum kompozitovéhoabsorbéruenergie nárazu jako jednoho z prvků moderní konstrukce vozidel. Dílčí cíle balíčku pro nejbližší období - WP 23 A: MKP modely vozidel - lehké varianty, Porovnání výsledků zkoušek a optimalizace -Metodika pro testování prvotních návrhů lehké konstrukce vozidel -WP 23 B: Makromodel svazku kompozitových trubek TE 0102 0020 Str. 1 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
WP23A: - Sestavení MKP modelů vozidel lehké varianty (Kalinský) - Porovnání výsledků zkoušek a optimalizace lehkých variant vozidel (Vašíček) -Příprava metodiky pro testování prvotních návrhů lehké konstrukce vozidel (Kalinský) WP23B: -Makromodel absorbéru energie (Španiel) -Implementace modelu svazku kompozitovýchtrubek do modelů vozidel (prvek absorbéru energie) (Španiel) TE 0102 0020 Str. 2 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Návrh dalšího postupu v balíčku WP23Metodiky návrhu karoserie moderního vozidla z WP23A: Lehké varianty vozidel (01/2014-12/2015) - Paralelní řešení jak na původních modelech tak na modelu komerčního vozidla (CNG) -I přes vysokou míru optimalizace nosné ocelové struktury u moderních konstrukcí existuje prostor pro snižování hmotnosti - Výrazný potenciál pro úsporu hmotnosti v jiných oblastech, viz dále Řez vozidlem, min. vzdálenost od zbytkového prostoru Simulace převrácení vozidla (lehká varianta), podle EHK č.66 TE 0102 0020 Str. 3 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
MKP modely vozidel Metody odlehčování karoserií autobusů pomocí optimalizace průřezu nosníků Vyvinut algoritmus pro optimalizaci průřezu nosníků s ohledem na konstrukční požadavky (zasklení, otvory pro dveře): - 2x symetrické nosníky nahrazeny 1D nosníkovými el. (BEAM) - Parametrickou optimalizací stanoveny průřezové charakteristiky potřebné pro splnění funkčních požadavků (tuhost, pevnost, crash) - Ke stanoveným charakteristikám je z databáze typických profilů vybrán s ohledem na konstrukční požadavky vhodný profil - Profil naškálován(velikost, tl. stěn) tak, aby dodržel stanovené char. průřezu Otevřené: - Optimalizace polohy bodových svarů (kabiny) - Jak na nesymetrické průřezy využití podobnosti průřezů TE 0102 0020 Str. 4 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Metodika pro testování prvotních návrhů lehké konstrukce vozidel (12/2014-12/2015) -V úzké spolupráci s výrobci vozidel -Příprava metodiky probíhá na pozadí FE modelu reálného vozidla -Testy pasivní bezpečnosti (rollover, čelní ochrana) jsou nejhorším případem ze všech vývojových zkoušek potvrzují výrobci - Dokončeno: výchozí výpočty pro původní modely a model komerčního vozidla (Testy pasivní bezpečnosti, modální analýza, torzní tuhost) - Nastavený mechanismus výpočtové smyčky spolu s limitními hodnotami jednotlivých testů -Ověření struktury pomocí metodiky pro testování návrhů lehké konstrukce (viz následující) -Ověření celé smyčku na několika základních případech změny konstrukce autobusu -Otevřené: -např. změna materiálu sloupků (s vyšší mezí pevnosti, Rm +20%) -Pomocí optimalizačního algoritmu stanovit vhodný průřez (viz předchozí) TE 0102 0020 Str. 5 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Testy pasivní bezpečnosti (R66, R29) Modální analýza Nelze snižovat hodnotu torzní tuhosti BIW!!! Analýza torzní tuhosti Analýza ohybové tuhosti TE 0102 0020 Str. 6 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Snížení hmotnosti vozidla Úprava konstrukce Fáze 1: úprava tloušťek profilů Fáze 2: optimalizace tvaru profilů Úprava vnějších panelů (zasklení) Celkové snížení hmotnosti vozidla o cca 260kg, což odpovídá 2% z pohotovostní hmotnosti Vozidlo vyhovuje požadavkům metodiky pro testování návrhu TE 0102 0020 Str. 7 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Testy pasivní bezpečnosti (R66) Modální analýza Původní varianta 7,3 Hz Původní varianta 94,7mm Odlehčená varianta 97,4mm Analýza torzní tuhosti Odlehčená varianta 7,26 Hz Analýza ohybové tuhosti Původní varianta 68,1 knm/deg Lehká varianta 67,7 knm/deg Prakticky beze změny Prakticky beze změny TE 0102 0020 Str. 8 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Vývojový diagram Testy pasivní bezpečnosti (R66, R29), S1i Analýza torzní tuhosti, Mt1 Modální analýza, f1i Analýza původní konstrukce Analýza torzní tuhosti, Mt2 Mt2 > Mt1 Optimalizace průřezových charakteristik Modální analýza, f2i f2i > f1i R66,R29 S2i S1i Optimalizace konstrukce Výsledná konstrukce TE 0102 0020 Str. 9 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Analýza snížení hmotnosti vozidel - doplnění -Doplnění analýzy po konzultaci s výrobci - Směřování metodiky lze rozdělení na několik základní oblastí: -Snižování hmotnosti z pohledu struktury mající přímý vliv na pasivní bezpečnost vozidla (odpovídá zadání projektu) -Materiály s vyšší pevností -Crashboxy k pohlcení energie (čelo, popř. hrana napojení střechy a bočnice) -Optimalizace střešní konstrukce (pouze na vybrané druhy, ne CNG) -Optimalizace dílů pro spojení bočnice a střechy -Snižování hmotnosti vozidla z pohledu úpravy technologie výroby -Hydroforming profilů -Lokální tepelné zpracování -Válcování závitů za tepla (namísto matek přivařených ke konstrukci), atd. TE 0102 0020 Str. 10 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Analýza snížení hmotnosti vozidel - doplnění -Snižování hmotnosti vozidla z pohledu úpravy ostatních částí konstrukce -Úpravy zasklení -Optimalizace struktury sedaček -Náhrada materiálu podlahy (překližka za sendvičový kompozit, úspora X.10 kg) -Kompozitovévzduchojemy -Lehčí klimatizace -Optimalizace upevnění tažných ok a všech úchytů na nosné struktuře vozidla -Náhrada vnějších panelů sendvičem atd. -Snižování hmotnosti vozidla z pohledu změny výbavy vozu -SuperSingle zadní pneumatiky místo dvojmontáže(otázka marketingu a servisu) -Odstranění rezervy -Lehčí startovací baterie atd. TE 0102 0020 Str. 11 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
WP23 B: Model trubky a makromodel svazku trubek - Dva páry referenčních bodů RP spojené CONNECTORy - RP ve stejné výšce mají svázané stupně volnosti - Jeden pár popisuje hladinu síly při postupném borcení Popis pomocí Plasticity - Druhý pár popisuje špičku na začátku zatěžování Popis pomocí Plasticity a Damage 1D model trubičky glob. model absorberu m v 0 Plasticita + poškození Plasticita Princip matem. modelu komp. trubky TE 0102 0020 Str. 12 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Implementace modelu svazku kompozitových trubek - absorbér Experiment 1D model trubičky glob. model absorberu -Se skládá z 76 trubek o délce 100 až 250mm, předním a zadním plechem podepřený ocelovými profily - Trubky jsou modelovány jako dvojice prvků typu connector, rozměry 2280x480mm - Energie vzniklá drcením trubek cca 324 kj - Špičková síla při drcení jedné trubky 25kN a stabilní hodnota 20kN TE 0102 0020 Str. 13 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Implementace modelu svazku kompozitových trubek - Import modelu autobusu z PAM-CRASH do Abaqusu (BUS 1) - Testovací výpočet nárazu kyvadlem dle EHK 29 v Abaqus explicit - Náraz do absolutně tuhé desky s hmotností autobusu rychlostí 20,30 km/h Bez absorbéru vč. absorbéru Náraz do absolutně tuhé desky s hmotností autobusu rychlostí 30 km/h TE 0102 0020 Str. 14 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Plnění cílů, milníků a výstupů, splněné výsledky balíčku WP23 Plnění dílčích cílů, milníků a výstupů Dílčí cíle: Sestavení makromodelu svazku kompozitových trubek - splněno Porovnání výsledků zkoušek lehkých variant MKP modelů vozidel - splněno Metodika testování prvotních návrhů lehké konstrukce splněno Milníky: Odlehčené varianty MKP modelů vozidel. Odlehčení na základě metodiky (postupu) pro ověřování návrhů lehké konstrukce. Makromodelabsorbéruenergie základní návrh vytvořen. Implementován do modelu autobusu crashdo zdi (30km/h). Konstrukce autobusu není připravena pro tento typ nárazu ->diskuze tech. řešení resp. zaměření na bezpečnost vůči ostatním vozidlům (nikoliv jako ochrana řidiče) TE 0102 0020 Str. 15 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Plnění cílů, milníků a výstupů, splněné výsledky balíčku WP23 Přehled splatných výsledků a jejich plnění TE01020020V093 WP23V5: MKP modely vozidel pro hromadnou přepravu osob a nákladních vozidel -lehké varianty. Jedná se o MKP modely lehkých variant vozidel (autobusu a nákladního vozidla). Dokončeno: - Lehká varianta vozidla BUS 1 (snížení hmotnosti 435 kg tzn. 3,1% z pohotov. hmotnosti) -Lehká varianta vozidla CNG autobus snížení hmotnosti o 260kg Otevřené: -Lehká varianta kabiny nákladního vozidla Přínosy řešení projektu: TÜV SÜD : -Projekt vytváří prostředí pro další rozvoj v oblasti simulací zkoušek pasivní bezpečnosti autobusů a nákladních vozidel pro jednotlivé výrobce. Zároveň slouží jako modelový případ pro komerční využití těchto postupů (spolupráce s vývojáři). -Sjednocení výpočtových postupů s výrobcem (Radiossvs. PamCrashatp.) -Potenciál pro rozšíření portfolia služeb zákazníkům -nové zakázky. Cíl: -Posun od klasického zkušebnictví směrem k vývojovému partnerovi -Udržitelný rozvoj a konkurenceschopnost výpočtového oddělení TE 0102 0020 Str. 16 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Návrh dalšího postupu v balíčku WP23Metodiky návrhu karoserie moderního vozidla z Návrh dalšího postupu včetně návrhů na spolupráci a realizaci výstupů - Popis ověřovací smyčky pro testování návrhů lehké konstrukce -Publikace výstupů (např. MECCA) - Implementace modelu absorbéru do stávající konstrukce autobusu čelní ochrana Návrh technického řešení - Metodika modelování kompozitových absorbérů energie TE 0102 0020 Str. 17 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Poděkování za podporu balíčku WP23Metodiky návrhu karoserie moderního vozidla z Děkuji za pozornost TE 0102 0020 Str. 18 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Výtah z prací 2012-2015 na WP23Metodiky návrhu karoserie moderního vozidla z 2012: -Rešerše předpisů EHK, pro výpočtové analýzy pro homologační účely- TÜV Kalinský -Série experimentů ČVUT Španiel -Výpočtový model komp. trubičky (ABAQUS) ČVUT Španiel 2013: -MKP modely vozidel pro hromadnou přepravu osob - TÜV Kalinský -Metodika testování kabin nákl. vozů pomocí výpočtu -Seznam validačních zkoušek pro ověření MKP modelu -Odladěný MKP model 1 trubičky s porušením ČVUT Španiel 2014: -Validace MKP modelů experimentem - TÜV Kalinský -Analýza snížení hmotnosti vozidel -Fyzické experimenty s vybranými vzorky ČVUT Vašíček -Makromodel kompozitové trubičky 2015: -MKP modely vozidel pro hromadnou přepravu osob (lehké varianty) - TÜV Kalinský -Ověření metodiky pro testování prvotních návrhů lehké konstrukce vozidel ČVUT Vašíček -Implementace makromodelu kompozitového absorbéru nárazu ČVUT Španiel Experiment komp. trubky MKP model - detailní Testování kabin dle ECE R29 vč. valid. experimentů Zkouška převrácení segmentu karoserie vozidla TE 0102 0020 Str. 19 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
ResultsofWP23Light-weight carbody design and Validation methods for development of passive safety systems Achieved2012-2015 2012: - Background research, ECE regulations alows to use computational analysis - TÜV Kalinský - Physical experiments ČVUT Španiel - Computational model of the composite tube (ABAQUS) ČVUT Španiel 2013: - FE model of the buses and trucks - TÜV Kalinský -Methodology of the cab testing via computer simulation -List of the tests for the FE model validation -FE model of the composite tube incl. faliuremodel ČVUT Španiel 2014: - FE model validation using a physical test - TÜV Kalinský - Mass decrease potential overview and analysis - Physical experiments ČVUT Vašíček -Macromodelof the composite tubes 2015: - FE model of the buses and trucks (light version) - TÜV Kalinský - Verification of the methodology for the vehicles lightweight design testing ČVUT Vašíček - Composite impact energy absorber implementation ČVUT Španiel Experiment composite tubes FE model - detailed Cab test acc. to ECE R29 incl. validation test Rollover test - chassis part TE 0102 0020 Str. 20 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Výtah z prací 2012-2015 na WP23Metodiky návrhu karoserie moderního vozidla z -Metodika testování návrhů lehkých konstrukcí ověření celé výpočetní smyčky na konkrétním modelu TÜV SÜD Michal Kalinský, michal.kalinsky@tuv-sud.cz -Optimalizační algoritmus pro průřezové charakteristiky nosníků s ohledem na požadavky konstrukce ČVUT Michal Vašíček, Michal.Vasicek@fs.cvut.cz -Lehké varianty MKP modelů -Kalinský Optimalizace průřezů Simulace převrácení podle ECE R66 Vývojový diagram - Macromodel kompozitové trubky - ČVUT, Miroslav Španiel, miroslav.spaniel@fs.cvut.cz -Implementace kompozitového absorbéru energie do stávající struktury autobusu Španiel Plasticity + damage m v 0 Plasticity Implementace absorbéru crash 30km/h, tuhá stěna FE model absorbéru Matematický model kompozitové trubičky TE 0102 0020 Str. 21 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD
Abstract2015 ofwp23light-weight carbody design and Validation methods for development of passive safety systems -Methodology of the vehicles lightweight design testing -verification of the entire computational loop on a specific model TÜV SÜD Michal Kalinský, michal.kalinsky@tuv-sud.cz - Beam cross section optimize algorithm with respect to the design requirements ČVUT Michal Vašíček, Michal.Vasicek@fs.cvut.cz -Light weight variants of the existing FE models -Kalinský Structure optimisation Rollover simulation acc. to ECE R66 Rollover simulation acc. to ECE R66 - Macromodel of the composite tubes - ČVUT, Miroslav Španiel, miroslav.spaniel@fs.cvut.cz -Composite energy absorber implementatation into existing bus structure Španiel Plasticity + damage m v 0 Plasticity Absorber implementation, crash 30km/h, rigid wall Composite energy absorber FE model Mathematical description of the composite FE model TE 0102 0020 Str. 22 Za WP 23 Michal Kalinský TÜV-SÜD