Повышение эффективности проведения дорожно-транспортной экспер-тизы на основе анализа напряженно-деформированного состояния бампера автомобиля

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Повышение эффективности проведения дорожно-транспортной экспертизы на основе анализа напряженно-деформированного состояния бампера автомобиля

Специальность 05.22.10 - Эксплуатация автомобильного транспорта

Новописный Евгений Александрович

Орёл - 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова» на кафедре «Организация и безопасность движения»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Шутов Александр Иванович

Официальные оппоненты: Баранов Юрий Николаевич доктор технических наук, доцент, «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс», профессор кафедры «Сервис и ремонт машин»

Шатерников Владимир Степанович кандидат технических наук, доцент, Государственное областное учреждение Центр экспертизы на автомобильном транспорте «Белгородцентравто», эксперт

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Брянский государственный технический университет»

Защита состоится «23» мая 2012 г. в 12 часов на заседании объединенного диссертационного совета ДМ 212.182.07 при ФГБОУ ВПО «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» по адресу: 302030, Орел, ул. Московская, 77, ауд. 426.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Госуниверситета - УНПК

Отзывы на автореферат направлять в диссертационный совет по адресу: 302020, г. Орел, ул. Наугорское шоссе, д. 29.

Автореферат разослан 12 апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Севостьянов А.Л.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Дорожное движение - одна из наиболее характерных и неотъемлемых частей современной цивилизации. В настоящее время автомобильный парк планеты, опередив самые смелые прогнозы и овладев всеми континентами, превзошел 500 млн. автомобилей. Среди них более 80% составляют легковые автомобили. К числу негативных экономических, социальных и экологических последствий движения людей и товаров по дорогам относятся загрязнение воздуха, выбросы парниковых газов, потребление невосстанавливаемых ресурсов, бытовые неудобства, вызванные соседством с оживленной автотрассой, и шум. Аварийность на автомобильном транспорте - одна из острейших социально-экономических проблем. Наиболее крупные дорожно-транспортные происшествия (ДТП) получают такой же отклик в средствах массовой информации, как катастрофы на железных дорогах и авиакатастрофы. Помимо случаев смерти, дорожно-транспортные происшествия приводят к значительному числу менее тяжелых травм: по оценкам, в мире ежегодно происходит от 20 до 50 млн. несмертельных травм. Эти несмертельные травмы также являются важной причиной инвалидности.

С увеличением количества ДТП повышается объем работ, связанных с проведением дорожно-транспортной экспертизы. Одним из основных вопросов, который необходимо решить для дальнейшего анализа дорожно-транспортной ситуации, является определение скорости движения транспортных средств непосредственно перед ДТП. Несмотря на многочисленность работ по данной проблеме, на сегодняшний день имеется ряд возможностей повышения эффективности проведения дорожно-транспортной экспертизы. В частности, необходимо обратить внимание на исследование элементов конструкции бампера автомобиля при столкновении и особенности совершенствования расчетной модели его конструкции на безопасность, основанные на современных достижениях науки и техники.

Цель и задачи работы. Цель - повышение эффективности проведения дорожно-транспортной экспертизы в зависимости от изменения напряженно-деформированного состояния бампера автомобиля на основе разработанных теоретических и научно-методических положений.

Первоначально сформулированы задачи, которые были решены для достижения поставленной цели:

- разработан критерий оценки безопасности конструкции бампера легкового автомобиля;

- разработана методика определения напряженно-деформированных показателей бампера автомобиля с учетом его конструктивных особенностей;

- разработана методика проведения дорожно-транспортной экспертизы путем определения скорости столкновения автомобиля в зависимости от деформаций конструкции бампера;

- обоснована эффективность соблюдения совместимости бамперов взаимодействующих автомобилей.

Объектом исследования является математическая модель бампера автомобиля и изменение его напряженно-деформированного состояния под воздействием динамической нагрузки.

Предметом исследования является напряженно-деформированное состояние бампера автомобиля и факторы, влияющие на него.

Теоретической и методологической основой диссертационного исследования является математическое моделирование ударных процессов, в частности метод конечных элементов.

Научная новизна исследования заключается в разработке следующих теоретико-методических и прикладных положений повышения эффективности проведения дорожно-транспортной экспертизы, которые выносятся на защиту:

? математическая модель универсального бампера автомобиля;

? методика определения напряженно-деформированных показателей бампера автомобиля с учетом его конструктивных особенностей;

? методика проведения дорожно-транспортной экспертизы путем определения скорости столкновения автомобиля в зависимости от деформаций конструкции бампера;

? обоснование эффективности соблюдения совместимости бамперов взаимодействующих автомобилей.

Практическая значимость. Разработанные в диссертации теоретические положения, научно-методические подходы, методики и модели являются научной основой и одним из способов разработки мероприятий по повышению эффективности эксплуатации автомобилей и рекомендуются использовать автопроизводителями для корректировки конструкционных параметров бамперов автомобилей в целях обеспечения выполнения ими безопасных функций, а также дается оценка эффективности соблюдения совместимости бамперов взаимодействующих автомобилей.

Практическое использование результатов работы позволяет повысить эффективность проведения дорожно-транспортной экспертизы, при этом обеспечивая необходимые качество и простоту реализации.

Апробация работы. Основные результаты исследования доложены, обсуждены и одобрены на научных конференциях и семинарах: международной научно-практической конференции «Безопасность движения и автомобильные дороги. Проблемы, перспективы» (Харьков, ХНАДУ, 2009 г.); международной научно-практической конференции «Современные проблемы безопасности жизнедеятельности: опыт, проблемы, поиски решения» (Казань, 2010 г.); международной научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении» (Брянск, БГИТА, 2011 г.); 19 международной научно-технической конференции по транспортной, строительной и подъемно-транспортной технике «trans&MOTAUTO'11» (Болгария, 2011 г.); международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований `2011» (Одесса, 2011 г.); международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте `2011» (Одесса, 2011 г.).

Реализация результатов работы. Теоретические, научно-методические, прикладные и экспериментальные исследования, направленные на повышение внешней пассивной безопасности автомобилей, рекомендованы к внедрению Государственным унитарным предприятием «Оценщик», ООО «Человек Автомобиль Дорога Экология Аварийный Комиссар», ОАО «Центр инновационных технологий», а также использовались в учебном процессе со студентами кафедры «Организация и безопасность движения» Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова при изучении дисциплин «Безопасность транспортных средств», «Техника транспорта, обслуживание и ремонт», «Расследование и экспертиза дорожно-транспортных происшествий» и при выполнении курсовых и дипломных проектов. бампер транспортный экспертиза

Отличие научных результатов от других работ по данному направлению заключается в разработке новых подходов и методов для определения напряженно-деформированного состояния бампера с учетом влияния изменения конструкционных параметров и выявлении особенностей деформирования конструкции бампера в зависимости от перекрытия между соударяющимися объектами.

Личный вклад автора заключается в формировании идеи и цели диссертационной работы, в постановке задач и их решения, в разработке научно-методических и теоретических положений для всех элементов научной новизны исследования, новых методов, моделей и подходов на всех этапах выполнения диссертации - от научного поиска до реализации их в практической деятельности.

Публикации. Основные теоретические положения и научно-практические результаты опубликованы в 11 научных статьях, в том числе 3 статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Структура и последовательность изложения результатов диссертационной работы определены целью и задачами исследования. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений, содержит 148 стр. текста, 12 табл., 67 рис. Библиографический список включает 115 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, ее практическая значимость и дана общая характеристика выполненной работы. Сформулировано направление исследования и приведены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ основных научно-исследовательских работ и нормативно-технической литературы по вопросам развития конструкций бамперов автомобилей. Рассмотрена классификация и особенности совершенствования бамперов по типу упругого элемента. Анализ различных методик и подходов в области проведения дорожно-транспортной экспертизы выявил ограниченность их применения. К сожалению, недостаточно исследованными оказались элементы силовой конструкции автомобиля, обеспечивающие пассивную безопасность. В случае столкновения автомобилей особенно важным является предохранение как водителя и пассажиров, так и самих автомобилей от повреждений при помощи внешних элементов конструкции. Это обеспечивается применением бампера, поглощающего часть энергии удара при столкновении. Поэтому необходимо обратить внимание на исследование элементов конструкции бампера автомобиля при столкновении и совершенствования расчетной модели его конструкции на безопасность, а также на возможность использования данных о его напряженно-деформированном состоянии в области проведения дорожно-транспортной экспертизы.

На основании проведенного анализа сформирована цель исследования, исходя из чего поставлены задачи.

Вторая глава посвящена анализу существующих методов расчета бамперов транспортных средств на безопасность, выявлены их преимущества и недостатки, а также проанализирована возможность их применения в экспертной практике.

В качестве показателей, характеризующих обеспечение пассивной безопасности при фронтальном столкновении автомобилей, выделены максимальная деформация и_{а max}, изменение скорости движения автомобиля при столкновении Дv_а, потеря энергии при ударе.

Максимальная деформация может быть определена из выражения:

	(1)

где E_а - кинетическая энергия автомобиля в момент контакта с неподвижным препятствием, Дж.

Однако при этом предварительно должны быть определены значения коэффициента деформации K_а и постоянной эмпирической величины n_а, характеризующие силовую характеристику автомобиля.

Изменение скорости движения автомобиля в условиях наезда на неподвижное недеформируемое препятствие определяется:

	(2)

где m_а - масса автомобиля, кг; v_а - скорость автомобиля в момент контакта с неподвижным препятствием, м/с.

Потерю энергии при ударе оценивают с помощью коэффициента восстановления К_уд, однако данные о диапазонах его изменения довольно противоречивы. Однако для более глубокой оценки обеспечения пассивной безопасности автомобиля необходимы дальнейшие испытания, что потребует дополнительных расходов на проведение экспериментов.

Один из простых методов расчета бамперов автомобилей на безопасность основан на применении теории упругого удара. Бампер представляет собой балку пролетом l, шарнирно-закрепленную по концам и испытывающую посредине пролета удар от падающего с высоты H груза. Сила тяжести груза характеризуется величиной Q (рис. 1).

Рис. 1. Расчетная схема бампера

Для определения величин динамической деформации f_д и напряжения у_д принято использовать коэффициент динамичности К_д, который связывает их с соответствующими статическими значениями, при принятии некоторых допущений.

Приближенные формулы для вычисления f_{д max} и у_{д max} в случае удара балки на двух опорах получают такой вид:

	(3) (4)

Представив энергию ударяющего тела в виде:



	(5)

где m - масса тела, действующего на балку, кг; v - скорость в начальный момент удара, м/с,

и, задаваясь значениями динамического прогиба, можно определить количество энергии, которое способна поглотить балка заданного поперечного сечения, и определить допускаемую для этой конструкции скорость удара (столкновения).

После некоторых преобразований выражение для определения скорости удара примет вид:

	(6)

С другой стороны, задаваясь значениями скорости удара, динамического прогиба и выбрав форму поперечного сечения балки, можно определить её геометрические параметры, в частности выражение для определения величины жёсткости балки примет вид:

	(7)

Проектный расчет и выбор безопасной конструкции силовых элементов и узлов пассивной безопасности автомобиля (бамперы, безопасные брусья дверей, рулевое колесо, каркасы панелей приборов, сидений, подголовников, элементы дверных замков) могут выполняться на основе применения инженерного метода. Конструкцию каждого из перечисленных элементов можно представить в виде стержневой расчетной схемы. Расчет бампера с шарнирным креплением на кронштейнах выполняется по схеме, показанной на рис. 2.

Рис. 2. Расчетная схема и механизм разрушения бампера

Разрушающая нагрузка, которую может выдержать бампер, определяется по формулам:

	(8)

где l - длина бампера между опорами, м; W_пл - пластический момент сопротивления сечения, м³; у_т - предел текучести материала, Па.

В выражениях (8) первая формула - для шарнирного крепления, вторая - для жесткого закрепления в опорах. По известной разрушающей нагрузке P_pi бампера, его деформации S и массе автомобиля m_а можно определить допускаемую для этой конструкции скорость столкновения автомобиля:

	(9)

При проектировании безопасного бампера решается обратная задача: по известным из Правил ЕЭК ООН № 42 регламентируемым параметрам v_а и S_доп определяется необходимое значение пластического момента сопротивления для его сечения. Так, для шарнирного крепления:



	(10)

Принимая определенную форму сечения и задаваясь одним или двумя размерами, можно определить оставшийся размер сечения.

Рассмотренные методы расчета бамперов транспортных средств на безопасность при условии соблюдения определенных допущений способны выявить степень энергопоглощения конструкцией динамической (ударной) нагрузки. Для более точной оценки все же требуется проведение экспериментов.

Анализ существующих зарубежных методов оценки энергии, затраченной на пластическое деформирование частей автомобилей, показал, что наиболее распространенная группа методов основана на использовании величины энергетически эквивалентной скорости EES (Energy Equivalent Speed), которая вводится по аналогии со скоростью и имеет ту же физическую размерность.

Сравнительный метод нуждается в заранее составленном общедоступном каталоге, в который внесены реальные случаи деформирования автомобилей. В этом подходе задача эксперта состоит в том, чтобы, ориентируясь на тип и модель автомобиля, выбрать наиболее близкий пример из каталога, в котором указана величина EES. Метод исключительно прост, дает сравнительно точные результаты, требует небольших затрат времени. Он использован в компьютерных программах, предназначенных для задач автотехнической экспертизы.

Еще один метод - аналитический предполагает формульные вычисления величины EES. В формуле участвуют две переменные ETD и EOD, которые определяют геометрию поврежденного участка.

Если известны обе эти величины, то энергетически эквивалентная скорость EES определяется из соотношения:



EES=a* ETD b * EОD c,	(11)

причем параметры принимают определенные значения в зависимости от типа и модели автомобиля.

Еще один метод, графический, предложен Рерихом (W. Rohrich). Он использует сетку распределения работ пластического деформирования по поверхности автомобиля, называемую растром. В каждую ячейку растра вписана величина работы пластического деформирования того или иного участка кузова. Такие сетки (растры) имеются для различных частей разных типов и моделей автомобилей.

Существует также способ, который заключается в том, что для определения работы деформаций поврежденных деталей каждого из автомобилей, участвовавших в столкновении, определяют пределы текучести у_Т, пределы прочности у_В, интенсивности деформаций е_iT и е_iB, соответствующие этим пределам, а также показатели m упрочнения материалов, из которых изготовлены поврежденные детали автомобилей. Эти прочностные и деформационные характеристики материалов могут быть найдены в соответствующей справочной литературе или получены в результате испытаний образцов. По найденным прочностным и деформационным характеристикам материалов определяется удельная работа деформаций любой поврежденной детали автомобиля. Анализ поврежденных после столкновений деталей автомобилей показывает, что уровень остаточных интенсивностей деформаций в этих деталях может достигать больших значений вплоть до величины разрушения, то есть до е_iC. Однако объем поврежденного до такой степени материала весьма невелик и составляет, как правило, величину менее трех процентов от общего объема поврежденной части детали автомобиля. Поскольку точную величину остаточных интенсивностей деформаций в поврежденных деталях автомобилей после их столкновения определить невозможно, для расчетов принимают некоторую осредненную величину:

.	(12)

Таким образом, фактическое распределение остаточных интенсивностей деформаций по поверхности поврежденной детали, распределенное по сложным законам, заменяется эквивалентным равномерно распределенным по всей поверхности. Этой интенсивности деформаций соответствует интенсивность напряжений у_imid. Расчетная осредненная удельная работа деформаций для какой-либо j-той поврежденной детали определяется по формуле:

.	(13)

Непосредственными замерами поврежденных деталей автомобилей определяется объем V_defj каждой j-той поврежденной детали и ее работа деформаций:

,	(14)

а работу деформаций каждого автомобиля, участвовавшего в столкновении, можно найти по формуле:

	(15)



где - количество поврежденных деталей в каждом из столкнувшихся автомобилей.

По сравнению с известными способами, рассмотренный способ оценки работы деформаций и разрушений деталей столкнувшихся автомобилей менее трудоемкий и более надежный. Однако его недостатком является то, что при рассмотрении каждой поврежденной детали отдельно и при определении работы деформации игнорируется конструкционная прочность и жесткость автомобиля в целом, что вносит определенные погрешности в конечный результат. В связи с этим, результаты расчетов по предложенному способу, по возможности, следует согласовывать с данными, полученными на основе статистической обработки результатов сrash-тестов большого количества автомобилей в реальных, или имитирующих их условиях столкновений.

Анализ различных методик и подходов в области проведения дорожно-транспортной экспертизы выявил ограниченность их применения. В связи с чем создание математических моделей, отражающих взаимосвязь скорости и деформации, использующих современное развитие науки и компьютерной техники и способных на предварительном этапе заменить дорогостоящие испытания и сократить время расчета является актуальным в настоящее время.

В третьей главе диссертации анализируется влияние изменения основных конструкционных параметров бампера на его напряженно-деформированное состояние, а также особенности его деформирования в зависимости от перекрытия между соударяющимися объектами. Полученные результаты основаны на использовании метода конечных элементов, реализованного в программном комплексе SolidWorks Simulation. Предварительная оценка особенностей и характера деформирования системы бампера позволила выявить, во-первых, граничные значения скоростей, в пределах которых конструкция способна сохранять свои защитные функции; во-вторых, зоны, подверженные максимальным деформациям.

В настоящих исследованиях критерием внешней пассивной безопасности бампера автомобиля будет являться «критическая скорость столкновения с жестким препятствием», соотнесенная с остаточными деформациями конструкции, полученными в результате такого столкновения. Под определением «критической скорости» будет пониматься максимальное ее значение, при которой бампер способен выполнять свои безопасные функции, то есть до тех пор, пока максимальное значение напряжения по Мизесу в конструкции не превысит значения предела текучести. В качестве базового варианта универсального бампера автомобиля была взята модель, геометрические параметры и форма которой, являются одним из видов промышленного дизайна систем бамперов. Эта модель состоит из усилителя в виде 2-секционной балки, кронштейнов и продольных балок, жестко соединенных между собой (рис. 3).

Рис. 3. Модель столкновения системы бампера с жестким барьером с нанесенной на объекты сеткой конечных элементов. Стрелками показаны направления векторов скорости и ускорения свободного падения

Для улучшения построения сетки конечных элементов и для уменьшения времени расчета мелкие элементы, входящие в состав системы бампера, из данной модели были исключены. Профильная длина усилителя бампера составляет 175 мм, толщина стенки первой секции составляет 2,895 мм, второй - 2,446 мм. В качестве материала системы бампера нами выбран алюминий, барьера - сталь. Масса бампера составляет 10,6 кг, масса барьера - 1166,4 кг. Перекрытие между моделью и препятствием составляет 100%.

Контакт между взаимодействующими объектами при ударе смоделирован без проникновения. Размер конечных элементов был подобран программой автоматически из соображения оптимального выбора между точностью и временем решения. Программа создает сетку на твердом теле с тетраэдральными 3D твердотельными элементами для каждого твердого тела. Тетраэдральные элементы являются подходящими для объемистых объектов. Размер конечного элемента барьера составляет 0,075764 м, системы бампера - 0,0378822 м. Приведенная сборка состоит из 33834 элементов и 32005 узлов.

Полученные результаты напряженно-деформированного состояния сборки позволяют выделить 3 критические зоны:

зона a - непосредственно в месте контакта;

зона b - крайние области усилителя бампера;

зона с - отклонение концов продольных балок.

Для определения зависимости деформации системы бампера от скорости столкновения с барьером было проведено исследование в диапазоне скоростей до 16 км/ч, значения деформаций фиксировались в трех выявленных областях. Для уточнения уравнений, характеризующих деформирование конструкции, была использована программа TableCurve 2D, которая позволяет обрабатывать сложные комплексы исходных данных, предоставляя возможные варианты решений. Наиболее простым в использовании является уравнение типа , которое и было выбрано для дальнейшего применения. Точность расчета составляет порядка 0,99999992. Для получения зависимости Д_a(v) необходимо скорость представить в относительных единицах путем деления значения v на некоторое v_баз, в качестве которого было выбрано значение, равное 16 км/ч (4,44 м/с).

Ввиду малости значения коэффициента a окончательное уравнение примет вид:

	(16)

где коэффициент k₁=b/v_баз.=0,87.

Аналогично уравнения, описывающие зависимости Д_b(v) и Д_c(v) примут вид:

	(17)
	(18)

где коэффициенты k₂=k₁*b₁=1,31; k₃=k₂*b₂=2,26.

Полученные выражения (16-18) позволяют не только уточнить характер распространения деформации бампера, но и решить обратную задачу: зная деформацию в определенном месте конструкции, установить скорость столкновения. Для установления влияния изменения толщины секции усилителя бампера на распространение деформаций в его конструкции были проведены два вида виртуальных исследований с использованием программы SolidWorks Simulation:

1. определение значений деформаций в зонах b и c при t₁=const и переменном значении t₂;

2. определение значений деформаций в зонах b и c при t₂=const и переменном значении t₁.

В результате использования полученных данных и применения программы TableCurve 2D найдены следующие зависимости:



	(19)
	(20)
	(21)
	(22)

где t₁ и t₂ - толщина первой и второй секции усилителя соответственно, мм.

В результате обработки полученных данных с использованием программы TableCurve 3D были получены выражения, характеризующие особенности изменения деформаций в конструкции усилителя различной толщины в зависимости от динамического нагружения (в зонах a и b):

	(23)
	(24)

где v - скорость столкновения, м/с; Дa - деформация конструкции усилителя бампера в зоне a, мм; Дb - деформация конструкции усилителя бампера в зоне b, мм; t₁ - толщина первой секции усилителя бампера, мм.

Совокупность данных позволяет сделать вывод о преимуществе II варианта (t₁=2,2 мм; t₂=2 мм). Так как, во-первых, обеспечивается сохранение безопасных свойств вплоть до скорости 12,8 км/ч (3,56 м/с); во-вторых, при этом деформации в зоне с (крепление продольных балок системы бампера к конструкции автомобиля) достигают минимальных значений; в-третьих, масса системы бампера составляет 9,07 кг.

Проанализировано влияние изменения толщины энергопоглощающего элемента бампера на распределение деформаций в его конструкции. Энергопоглощающий элемент представлен в виде пластины прямоугольного профиля, которая крепится к фронтальной стороне первой секции усилителя бампера, в качестве материала выбран полипропилен. Толщина первой секции усилителя бампера принимает значение 2,2 мм, второй - 2 мм; значение радиуса закругления профиля бампера составляет 2,78 м. Рассматриваемые варианты толщины энергопоглощающего элемента бампера представлены в табл. 1. Распределение деформаций в зоне a в зависимости от изменения толщины энергопоглощающего элемента бампера представлено на рис. 4.

В результате использования программы TableCurve 3D было получено выражение, характеризующее особенности изменения деформаций с учетом толщины энергопоглощающего элемента бампера в зависимости от скорости столкновения:

	(25)

где Дa - деформация конструкции усилителя бампера в зоне a, мм; t_p - толщина энергопоглощающего элемента бампера, мм.

Таблица 1. Толщины энегопоглощающего элемента бампера

Вариант	Толщина энергопоглощающего элемента бампера, мм	Условное обозначение
I	10	t10
II	15	t15
III	20	t20
IV	25	t25
V	30	t30



Рис. 4. Распределение деформаций в зоне a в зависимости от изменения толщины энергопоглощающего элемента бампера

Совокупность полученных данных позволяет сделать вывод об улучшении безопасных свойств системы бампера с увеличением толщины энергопоглощающего элемента. Использование такого элемента толщиной 30 мм обеспечивает сохранение безопасных функций бампера до достижения скорости 32 км/ч (8,89 м/с), что в 2 раза превышает значение критической скорости бампера подобной конструкции без энергопоглощающего элемента.

Наиболее существенным фактором, влияющим на пассивную безопасность транспортных средств, является наличие определенного перекрытия между объектами соударения при столкновении. Было проанализировано влияние изменения перекрытия в горизонтальной плоскости между системой бампера и барьером на распределение деформаций в его конструкции. Система бампера представляет собой совокупность следующих элементов: усилитель бампера с энергопоглощающим элементом прямоугольного профиля толщиной 30 мм и оболочка бампера U-образной формы толщиной 5 мм. Энергопоглощающий элемент и оболочка бампера выполнены из полипропилена марки «Армлен», который используется в качестве материала для изготовления бамперов автомобилей. Для определения характера деформаций при изменениии перекрытия в горизонтальной плоскости между системой бампера и барьером использовали программу SolidWorks Simulation. Перекрытие между моделью и препятствием составляет 10-100%. Контакт между взаимодействующими объектами при ударе смоделирован без проникновения. Скорость столкновения составляет 60 км/ч (16,67 м/с). Полученные результаты свидетельствуют о том, что деформации конструкции преобладают в зоне непосредственного соприкосновения взаимодействующих объектов, где происходит сжатие и разрушение оболочки бампера и энергопоглощающего элемента. В остальных же зонах наблюдаются небольшие деформации. Согласно полученным данным наибольшее значение деформации конструкции наблюдается при 30% перекрытии и составляет 28,17 мм.

Другим важным вопросом, который стоит перед автопроизводителями, является совмещение бамперов автомобилей по высоте. С целью определения влияния изменения перекрытия между взаимодействующими объектами на распределение деформаций в их конструкциях были рассмотрены столкновения двух усилителей. Скорость столкновения составляла 16 км/ч (4,44 м/с).

Контакт между взаимодействующими объектами при ударе смоделирован без проникновения. Перекрытие между усилителями составляет 10-100%, причем возможны два варианта перекрытия:

1 вариант - когда 2-хсекционный усилитель располагается выше 1-носекционного;

2 вариант - когда 2-хсекционный усилитель располагается ниже 1-носекционного.

На рис. 5 указаны зоны, в которых фиксировались деформации (I, II, III, IV - для 1 варианта; I', II', III', IV' - соответственно для 2 варианта), представляющие собой изгиб определенной части конструкции в вертикальной плоскости.

Полученные результаты свидетельствуют: максимальные значения деформаций присущи обоим вариантам в зонах I-I' и II-II' при перекрытии 40%, минимальные значения для этих же зон - при 100%; максимальные же значения деформаций в зонах III-III' и IV-IV' наблюдаются при перекрытии 10%, минимальные значения в зонах III' и IV' - при перекрытии 100%.

Полученные значения деформаций в зависимости от степени перекрытия позволяют охарактеризовать распределение деформаций конструкции усилителей и уточнить характер поведения взаимодействующих объектов при столкновении.

Рис. 5. Зоны, в которых фиксируются вертикальные составляющие деформаций конструкций

Благодаря данным, полученным в ходе виртуальных испытаний, используя программу TableCurve 3D, было получено уравнение, связывающее между собой скорость столкновения и деформации в зонах b и с:

	(26)

где коэффициенты b^l=b v_баз=0,36; c^l=c v_баз=0,08.

Полученное выражение, а также зависимости (23-25), характеризующие изменение скорости столкновения от деформации бампера автомобиля в зонах a, b и с с учетом его конструктивных особенностей, позволят экспертам уточнить обстоятельства ДТП.

В четвертой главе приведено экспертное исследование столкновения автомобиля Volkswagen Golf Plus с автомобилем ВАЗ-2107 на основе использования традиционной и предлагаемой методик, дается их сравнительный анализ. При расследовании дорожно-транспортных происшествий одним из основных вопросов, который необходимо решить для дальнейшего анализа дорожно-транспортной ситуации, является определение скорости движения транспортных средств непосредственно перед ДТП.

Скорость движения автомобиля Volkswagen Golf Plus перед применением водителем экстренного торможения, исходя из длины следов торможения (юза), определяется по следующей формуле:

,	(27)

где Т₃ - время нарастания замедления, с; j₁, j₂ - установившееся замедление, м/с²; S_ю1, S_ю2 - длина следа юза (торможения), м.

Согласно материалам экспертизы скорость движения автомобиля Volkswagen Golf Plus перед началом торможения определяется равной величине более 64 км/ч.

Скорость автомобиля перед ДТП с учетом деформации усилителя бампера определяется по формуле:

,	(28)

где v_d - скорость автомобиля в момент столкновения, определяемая по выражению (26), м/с.

Скорость движения автомобиля перед ДТП с учетом деформации усилителя бампера составляет 73,7 км/ч.

Пятая глава посвящена оценке эффективности соблюдения совместимости бамперов взаимодействующих автомобилей путем определения расходов, связанных с ремонтом деталей поврежденных транспортных средств. Рассматривались столкновения автомобилей Volkswagen Jetta с ВАЗ-2112 и Toyota RAV4 с Volkswagen Jetta. По материалам экспертного расследования столкновения автомобилей происходили на скорости около 20 км/ч.

В стоимость ремонта включают следующие расходы:

- расходы на материалы и запасные части, необходимые для ремонта;

- расходы на оплату работ по ремонту, включающие стоимость трудовых затрат и накладных расходов.

Для составления калькуляции (сметы) на ремонтные работы используем затратный подход. Величина затрат на ремонт (устранение повреждений и дефектов) транспортного средства определяется по формуле:

	(29)

где С_рем - величина затрат на ремонт, руб.; С_раб - стоимость трудовых затрат и накладных расходов, непосредственно связанных с ремонтом (суммарная стоимость нормо-часов), руб.; С_м - стоимость материалов, руб.; С_зч - стоимость запасных частей, руб.

Величина расходов на оплату работ по ремонту транспортных средств С_раб определяется по формуле:

	(30)



где Т_раб - трудоемкости работ, нормо-час; С_нч - рыночная стоимость нормо-часа, руб.

Расчеты были проведены с использованием программы Audatex, стоимости нормо-часа выполненных работ и запасных частей предоставлены официальными дилерами автомобилей ВАЗ, Volkswagen, Toyota в г. Белгороде. Общая сумма затрат на восстановление поврежденного автомобиля Volkswagen Jetta составила 71356 руб., автомобиля ВАЗ-2112 составила 56262 руб. Общая сумма затрат на восстановление поврежденного автомобиля Toyota RAV4 составила 117442 руб., автомобиля Volkswagen Jetta составила 89485 руб.

Расходы, необходимые для замены бамперов и выполнения всего комплекса работ (при соблюдении их совместимости), составили бы на 15-30% меньше общих сумм затрат, определенных в рассмотренных примерах. Данный факт говорит об эффективности соблюдения совместимости бамперов взаимодействующих автомобилей.



ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе разработанных теоретико-методологических и прикладных положений, методик и математических моделей появилась возможность решать важную научно-практическую задачу повышения эффективности проведения дорожно-транспортной экспертизы.

2. Разработан критерий оценки безопасности конструкции бампера легкового автомобиля, в качестве которого предложена «критическая скорость столкновения с жестким препятствием», соотнесенная с остаточными деформациями конструкции, полученными в результате такого столкновения.

3. Разработана методика определения напряженно-деформированных показателей бампера автомобиля с учетом его конструктивных особенностей. Ее применение позволило выявить, во-первых, граничные значения скоростей, в пределах которых конструкция способна сохранять свои защитные функции; во-вторых, зоны, подверженные максимальным деформациям.

4. Проанализировано влияние изменения основных конструкционных параметров бампера на его напряженно-деформированное состояние:

- наблюдается уменьшение значения критической скорости в 1,67 раз для модели, учитывающей воздействие автомобиля на систему бампера, по сравнению с моделью, не рассматривающей такое влияние на бампер;

- анализ различных соотношений толщин 2-хсекционного усилителя бампера позволил сделать вывод о преимуществе варианта с толщиной 1-ой секции t₁=2,2 мм, 2-ой секции t₂=2 мм;

- наблюдается улучшение безопасных свойств системы бампера с увеличением толщины энергопоглощающего элемента. Так, использование такого элемента толщиной 30 мм обеспечивает сохранение безопасных функций бампера до достижения скорости 32 км/ч (8,89 м/с), что в 2 раза превышает значение критической скорости бампера подобной конструкции, у которой отсутствует энергопоглощающий элемент.

5. В ходе проведения исследования были получены данные, позволяющие охарактеризовать распределение деформаций конструкции усилителей в зависимости от степени перекрытия и уточнить характер поведения взаимодействующих объектов при столкновении:

- наибольшее значение деформации конструкции наблюдается при 30% перекрытии в горизонтальной плоскости и составляет 28,17 мм;

- максимальные значения деформаций 2-хсекционного усилителя наблюдаются при перекрытии 40% в вертикальной плоскости, минимальные значения - при 100%; максимальные же значения деформаций 1-носекционного усилителя наблюдаются при перекрытии 10% в вертикальной плоскости, минимальные значения - при перекрытии 100%.

6. Разработана методика проведения дорожно-транспортной экспертизы путем определения скорости столкновения автомобиля в зависимости от деформаций конструкции бампера. При анализе экспертного исследования столкновения автомобилей были получены следующие значения скорости столкновения: при использовании традиционной методики - 64 км/ч; по предлагаемой методике - 73,7 км/ч.

7. Обоснована эффективность соблюдения совместимости бамперов взаимодействующих автомобилей путем определения затрат, связанных с ремонтом деталей поврежденных ТС. Расходы, необходимые для замены бамперов и выполнения всего комплекса работ (при соблюдении их совместимости), составили бы на 15-30% меньше общих сумм затрат, определенных в рассмотренных примерах.



ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ

Научные статьи в ведущих периодических изданиях перечня ВАК Минобрнауки РФ

1. Новописный Е.А. Особенности деформирования конструкции бамперов автомобилей при обеспечении их совместимости / А.И. Шутов, Е.А. Новописный // Автотранспортное предприятие. - 2011. № 11. - С. 47-50.

2. Новописный Е.А. Анализ напряженно-деформированного состояния бампера автомобиля методом конечных элементов / А.И. Шутов, Е.А. Новописный // Бюллетень транспортной информации. - 2011. № 12. - С. 20-23.

3. Новописный Е.А. Экспертиза столкновения автомобилей и возможности для совершенствования / А.И. Шутов, Е.А. Новописный // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2012. № 1. - С. 177-181.

Научные статьи

4. Новописный Е.А. Особенности методик расследования встречных столкновений автомобилей // Вестник ХНАДУ: сб. науч. тр. / Харьков, 2009. - Вып. 47. - С. 77-80.

5. Новописный Е.А. Эффективность использования метода конечных элементов в области анализа безопасности транспортных средств // Современные проблемы безопасности жизнедеятельности: опыт, проблемы, поиски решения: Материалы Междунар. науч.-практич. конф. / Казань, 2010. - Ч. I. - С. 372-379.

6. Новописный Е.А. Возможности использования математического моделирования при имитации столкновения автомобилей / А.И. Шутов, Е.А. Новописный // Новые материалы и технологии в машиностроении. Сб. науч. тр. по итогам междунар. науч.-техн. конф. / Брянск: БГИТА, 2011. - Вып. 13. - С. 142-146.

7. Novopisny E., Shutov A. Possibilities of program SolidWorks Simulation at an estimation of safe properties of bumpers // International virtual journal for science, technics and innovations for the industry Machines, technologies, materials. - Scientific-technical union of mechanical engineering. Bulgaria. Issue 4. 2011. P. 18-21.

8. Новописный Е.А. Влияние толщины конструктивных элементов на безопасные свойства бампера / А.И. Шутов, Е.А. Новописный // Сб. науч. тр. по материалам междунар. науч.-практич. конф. «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте 2011». Т. 1. Транспорт - Одесса: Черноморье, 2011. - С. 23-28.

9. Новописный Е.А. Проблемы анализа столкновений транспортных средств // Эффективные материалы, технологии, машины и оборудование для строительства и эксплуатации современных транспортных сооружений: сб. докл. Междунар. науч.-практич. конф., Белгород, 2009. - С. 296-302.

10. Новописный Е.А. Особенности существующих методов расчета бамперов транспортных средств на безопасность // Сб. науч. тр. по материалам междунар. науч.-практич. конф. «Современные направления теоретических и прикладных исследований 2011». Т. 1. Транспорт. - Одесса: Черноморье, 2011. - С. 5-13.

11. Новописный Е.А. Использование метода конечных элементов при имитации поведения при ДТП бампера автомобиля / А.И. Шутов, Е.А. Новописный // Сб. науч.-практич. статей «Проблемы теории и практики автомобильного транспорта» / СПб.: Изд-во СЗТУ, 2011. - Вып. 4. - С. 86-92.

Размещено на Allbest.ru