Метод автоматизированного проектирования ударопрочных автомобильных конструкций

При проектировании современных технических систем довольно часто приходится решать задачу проектирования ударопрочных конструкций. Как правило, ударопрочные конструкции связаны с защитой чего-либо от механических ударов, взрывов. Наиболее ярко это проявляется для транспортных средств. Это обусловлено тем, что современные транспортные средства обладают большой скоростью, а их высокая плотность на маршрутах передвижения значительно увеличивает вероятность происшествия, требующего использования ударопрочных качеств конструкции. В других же случаях, как например, перевозка ядерных отходов, вероятность столкновения достаточно низкая, но предъявляются жесткие требования вообще не допустить разрушения конструкции и полностью защитить содержимое контейнеров.

В общем виде ударопрочную конструкцию можно разделить на две части: защитная капсула и энергопоглощающий слой.

Задача защитной капсулы — защитить содержимое, выдержать большую ударную нагрузку и деформироваться лишь в пределах допустимых значений, которые обеспечивают безопасность содержимого капсулы.

Задача энергопоглощающего слоя — поглощение максимального количества кинетической энергии. При этом требуется значительно снизить нагрузку на капсулу, распределить ее таким образом, чтобы деформации капсулы были бы минимальны. Чем больше слой поглотит энергии, тем меньшая энергия удара будет действовать на капсулу. Поглощение энергии происходит за счет деформации элементов слоя. При этом происходит переход кинетической энергии во внутреннюю энергию. Данный процесс, как правило, сопровождается большими разрушениями силовых элементов.

Поэтому актуальной является проблема создания методов и программных средств проектирования ударопрочных конструкций. В основе ее решения лежит разработка метода и алгоритмов оптимизации, позволяющих синтезировать структуру защитной капсулы и структуру энергопоглощающего слоя.

Наиболее остро проблема создания ударопрочных конструкций в настоящее время ощущается в автомобильной промышленности. Современные требования по пассивной безопасности к автомобилю заставляют инженеров искать новые конструкции, которые обеспечивали бы максимальную защиту пассажиров и водителя. Рассмотрим подробнее проблему пассивной безопасности для автомобиля.

К современному автомобилю предъявляется множество требований [1]. Это, например, высокая крейсерская скорость, быстрый разгон автомобиля, легкая управляемость, надежность, безопасность, низкая стоимость. В настоящее время при проектировании легкового автомобиля особое внимание уделяется безопасности. Исследования в области безопасности ведутся в нескольких направлениях — активная и пассивная безопасности автомобиля. Активная безопасность занимается проблемами управляемости автомобиля. Задача пассивной безопасности — сохранение жизни водителю, пассажирам и пешеходам, а также снижение количества и тяжести травм в результате свершившихся дорожно-транспортных происшествий (ДТП). Второстепенные задачи пассивной безопасности — сохранение перевозимых грузов и ремонтопригодность автомобиля после ДТП.

Структурно пассивную безопасность можно разделить на две составляющие: предупредительная безопасность и безопасность конструкции автомобиля.

Предупредительная безопасность направлена на обеспечение сохранения жизни и снижение количества и тяжести травм участникам движения, сохранности перевозимых грузов и обеспечения ремонтопригодности автомобиля применением средств индивидуальной и коллективной защиты, оптимизацией процессов воздействия с учетом толерантности человеческого организма и ограничения перемещения грузов.

Влияние конструкции автомобиля на безопасность связано с обеспечением надлежащих деформируемости и энергоемкости передней и задней частей автомобиля, направленным на сохранение жизненного пространства, с наличием травмобезопасных элементов интерьера и средств защиты пешеходов, с приемлемыми колористическими свойствами кузова и внешними формами автомобиля.

Деформация и разрушение автомобиля, а также степень травмирования человека зависят от скорости движения транспортного средства. Около 87% столкновений и около 85% травм происходят в зоне скоростей до 60 км/ч. Следует также отметить, что в основном легкие травмы пострадавшие получают при скоростях движения автомобилей 20—30 км/ч, а тяжелые и смертельные — при скоростях выше 40 км/ч. Мероприятия, позволившие сместить границу травм к более высоким скоростям столкновения, говорят об улучшении безопасности автомобилей.

Самым тяжелым видом ДТП является наезд автомобиля на неподвижное препятствие (барьер). Последствия этого типа ДТП обычно тяжелее, чем при всех прочих столкновениях, совершенных на более высоких скоростях. Например, наезд на неподвижное жесткое препятствие со скоростью 60 км/ч по своим последствиям соответствует лобовому столкновению двух автомобилей, движущихся навстречу друг другу со скоростью 60 км/ч каждый. Кроме того, приведенная скорость удара при лобовых столкновениях двух автомобилей уменьшается по мере того, как направление удара смещается в сторону относительно продольных осей симметрии автомобилей. При возрастании величины смещения увеличивается угловая скорость вращательного движения, получаемого автомобилями в момент столкновения. В результате дорожно-транспортное происшествие имеет менее тяжелые последствия.

Хотя лобовые столкновения автомобилей и менее опасны, чем наезд на неподвижное препятствие, это вовсе не означает, что их тяжесть невелика. Лобовые столкновения — тоже тяжелый и опасный вид происшествия, на долю которых, по зарубежным данным, приходится от 30 до 70% всех ДТП. Так, американская исследовательская группа Корнельской аэронавтической лаборатории приводит следующие цифры: лобовые столкновения — 56,5% от общего числа ДТП, наезд сзади — 7,8%, на взаимное столкновение автомобилей приходится 43,9%" от числа лобовых соударений, а на столкновения одиночных автомобилей — 12,6%. При скорости движения ниже 65 км/ч совершается 50% лобовых соударений.

Тяжесть лобового удара в зависимости от скорости автомобиля в качестве примера можно пояснить на модели свободно падающего тела. Так, лобовое столкновение автомобилей, двигавшихся со скоростью 30 км/ч, по тяжести травмирования пассажиров соответствует падению человека с высоты 4 м. Тяжесть последствий при лобовом ударе растет с увеличением скорости. Если скорость удваивается, то эквивалентная высота возрастает в 4 раза.

Существует множество различных тестов автомобиля на предмет пассивной безопасности. Проведением всех этих тестов занимаются специализированные комиссии по всему миру (например, фирма UTAC в Европе проводит испытания российских автомобилей). Испытания заключаются в проверке соответствия испытуемого автомобиля действующим стандартам пассивной безопасности.

Одним из наиболее важных направлений в исследованиях по пассивной безопасности является изучение процессов фронтального столкновения автомобиля. Такого рода катастрофы происходят наиболее часто. Важность улучшения пассивной безопасности при фронтальном ударе усугубляется тем, что такой удар чаще всего встречный, а это вызывает большие повреждения и травмы.

В мире существует очень много различных правил, по которым тестируются автомобили на предмет пассивной безопасности при фронтальном столкновении [2, 3,4]. Можно выделить, например, следующие стандарты: 1) в США, Канаде:

• S301 — целостность топливной системы,.

• S212 — удержание стекла,.

• S213 — внедрение в зону ветрового стекла,.

• S208 — фронтальный удар с манекеном, 2) в Европе:

• R12, R33 — жизненное пространство,.

• R34 — пожарои взрывобезопасность.

• R94 — кософронтальный удар с манекеном,.

• R95 — боковой удар с манекеном и многие другие.

Информацию об уровне безопасности того или иного автомобиля, доступную широкому кругу потребителей, удается получать в результатк использования краш-тестов независимыми организациями и объединениями. Одно из таких объединений скрывается под аббревиатурой EuroNCAP (European New Car Assessment Programme) — «Европейская программа оценки новых автомобилей». Испытания по безопасности EuroNCAP проводятся с 1997 году. За этот небольшой период было выполнено более сотни краш-тестов, участниками которых стали автомобили самых разных классов — от особо малого до минивэнов. Обнародование данных исследований EuroNCAP вынудило автопроизводителей более серьезно подходить к вопросу создания безопасных автомобилей.

Программа EuroNCAP включает следующие виды тестов:

• Фронтальный удар на скорости 64 км/ч в деформируемый барьер с 40% перекрытием;

• Боковой удар тележкой с деформируемым барьером на скорости 50 км/ч;

• Наезд на столб боком на скорости 29 км/ч;

• Защита пешехода.

От испытаний, проводимых самими производителями, условия данной программы несколько отличаются. Фронтальное, т. е. лобовое столкновение автомобиля с барьером, проводится с перекрытием 40%. Термин «перекрытие» означает, что автомобиль сталкивается не всей передней частью, а только 40%-м ее участком. Это объясняется тем, что наибольшее количество лобовых столкновений автомобилей в реальной жизни имеет именно такой характер. Другая особенность краш-тестов EuroNCAPиспользование не жесткого, а деформируемого барьера, сделанного из алюминиевых сот. Данная программа испытаний отличается от общепринятой и скоростью лобового столкновения — вместо традиционных 56 км/ч автомобиль ударяется о барьер на скорости 64 км/ч. По всей видимости, таким способом организаторы этих краш-тестов компенсировали энергию удара, поглощаемую деформируемым барьером.

Наиболее сложной и показательной задачей создания ударопрочной конструкции является задача обеспечения безопасности кузова при фронтальном столкновении на скоростях 56 и 64 км/час.

Переднюю часть автомобиля можно разделить на 5 зон.

• 1-я зона. Зона обеспечивает защиту пешехода при ударе об автомобиль.

• 2-я зона. Зона обеспечивает прохождение теста Даннера. Задача — при аварии на малых скоростях принять на себя всю энергию удара и не позволить нанести повреждения каркасу кузова.

• 3-я зона. Зона деформирования силовых элементов при фронтальном ударе с 100% перекрытием на скоростях 50 и 56 км/ч.

• 4-я зона. Зона деформирования силовых элементов при фронтальном ударе с 40%-50% перекрытием на скоростях 50, 56 и 64 км/ч.

• 5-я зона. Зона представляет собой салон автомобиля. В идеале, абсолютно жесткая конструкция, так как ни при каких обстоятельствах жизненное пространство салона не должно нарушаться.

Зоны не располагаются именно в таком порядке в кузове. Важно само их наличие и работа каких-либо элементов кузова при аварии в этих зонах.

При ударе за счет потерь на деформацию элементов требуется погасить энергию движения автомобиля. Эту задачу выполняет энергопоглощающий слой, к которому относятся зоны 2, 3 и 4. Защитной капсулой является салон, т. е. зона 5.

Проектирование кузова автомобиля является одной из наиболее трудоемких проблем при создании нового автомобиля. Применение методов оптимизации позволяет значительно снизить число прототипов, необходимых для доработки кузова. Особенно это важно для проблемы пассивной безопасности, поскольку при проведении краш-теста автомобиль разрушается. А стоимость и сроки изготовления каждого прототипа высоки. Таким образом, оптимизация кузова еще на этапе численных экспериментов сокращает как стоимость разработки, так и сроки разработки автомобиля.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является разработка численного метода структурного синтеза ударопрочной конструкции каркаса автомобиля.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих научно-практических задач:

1. Разработка алгоритма синтеза конструкций на базе генетического алгоритма;

2. Разработка метода представления проектных решений (метод кодирования хромосом);

3. Разработка генетических операторов мутации и кроссовера применительно к предлагаемому представлению хромосом;

4. Разработка программного комплекса для оптимизации конструкции автомобиля на базе предлагаемого алгоритма синтеза;

5. Практическая апробация метода синтеза для решения задачи оптимизации кузова автомобиля.

Научная новизна работы.

1. Предложен метод синтеза ударопрочной конструкции автомобиля на основе генетического алгоритма;

2. Предложен метод кодирования хромосомы для представления структуры и параметров конструкции;

3. Предложены операторы генетического алгоритма применительно к способу кодирования хромосомы;

4. Исследована работа метода для различных способов свертки векторных критериев оптимальности;

Практическая значимость работы.

Результаты работы могут найти применение при проектировании каркаса кузовов легковых автомобилей. Предложенный алгоритм может использоваться при выборе оптимальной структуры каркаса для сокращения сроков процесса проектирования.

Реализация результатов работы.

Результаты работы в виде программного комплекса структурной оптимизации были внедрены в процесс проектирования автомобиля НТЦ ОАО АВТОВАЗ. Программный комплекс использован для оптимизации каркаса кузова автомобиля BA3−2123.

Представляется к защите.

1. Метод синтеза ударопрочных конструкций, основанный на генетическом поиске оптимальных решений с оценкой целевых функций с помощью метода конечных элементов;

2. Метод представления проектных решений (метод кодирования хромосом) в виде последовательности команд, осуществляющих синтез конструкции;

3. Алгоритмы реализации генетических операторов кроссовера и мутации применительно к генам, отображающим как типы команд, так и параметры команд;

Апробация результатов работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• Международная конференция «Образование через науку». Москва, 1719 мая 2005 г.

• Шестая конференции пользователей программного обеспечения CAD.

FEM GmbH. Москва, 20−21 апреля 2006 г.

• Конференции STAR — 2006, Нижний Новгород, 4−6 апреля 2006 г.

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в пяти печатных работах [5, 6,73, 74, 75].

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения, содержащего результаты виртуального эксперимента и акта внедрения результатов работы, списка использованных источников из 75 наименований.

Общие выводы и результаты.

В диссертационной работе разработан метод синтеза ударопрочного кузова автомобиля на основе генетических алгоритмов. Разработана реализация метода в виде программного комплекса оптимизации. Метод применен для оптимизации кузова автомобиля в ходе вычислительного эксперимента. Таким образом, задача, поставленная в диссертационной работе, полностью выполнена.

В заключении выделим основные результаты данной работы:

1. Задачу структурного синтеза каркаса кузова передней части автомобиля возможно решать с помощью дискретных методов, например на основе генетических алгоритмов. Предложен и исследован эволюционно-генетический подход к решению задач структурного синтеза удароустойчивых конструкций.

2. Проектное решение должно содержать следующую информацию: тип силового элемента, расположение силового элемента, геометрические параметры и параметры материала. Большая размерность пространства параметров требует нестандартный способ кодирования информации в хромосоме. Предложена модель кодирования информации о силовой структуре кузова автомобиля на базе команд формирующих структуры из силовых элементов.

3. Представление в гене разнородных величин обуславливает необходимость применения разнотипных генетических операторов мутации и кроссовера. Предложены новые генетические операторы (мутация узлов и команд), позволяющие учесть особенности проблемы.

4. Задача синтеза является многокритериальной, поэтому необходимо провести выбор метода среди известных методов свертки. С помощью проведенного эксперимента выполнена оценка аддитивного, минимаксного и параметрического методов свертки для данной задачи.

5. Предлагаемый алгоритм синтеза реализован в виде программного продукта, позволяющего работать с конечно-элементными моделями проектируемой конструкции и с различными конечно-элементными расчетными пакетами.

6. На основе разработанной методики предложены изменения в силовой структуре автомобиля BA3−2123 (ОАО АВТОВАЗ).

7. Предложенный метод синтеза каркаса кузова позволяет увеличить энергоемкость передней части для прототипа легкового автомобиля BA3−2123 на 33%.

8. Применение разработанного в ходе работы программного продукта позволило сократить проектирование автомобиля BA3−2123 на 8 месяцев работы квалифицированного инженера.