Разработка и моделирование системы безопасности гоночного болида класса Formula Student на основе пеноалюминия в системах CAD/CAE
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 7
1. Анализ методов обеспечения безопасности пилота болида Formula Student 7
1.1. Требования регламента SAE к конструкции аттенюатора, испытаниям и отчетной документации 7
1.2 Эталонная конструкция аттенюатора и его характеристики 11
1.3. Выводы 22
2. Типовые конструкции аттенюаторов 23
2.1. Аттенюатор с сэндвич-структурой из алюминия 23
2.2 Аттенюатор из композитных материалов 26
2.3 Аттенюатор из алюминиевого листа 27
2.4 Аттенюатор из пены Rohacell 110IG 28
2.5 Аттенюатор из алюминиевых банок и бутылок 29
2.6 Аттенюатор из пеноалюминия 30
2.7 Выводы 32
3. Разработка CAD и CAE модели аттенюатора 33
3.1 Описание пакета CAE и свойств материала 33
3.2 Разработка CAD-модели аттенюатора 35
3.3 Моделирование конструкции аттенюатора в CAE 44
3.4 Выводы 50
4 Анализ конструкции аттенюатора 51
4.1 Анализ первой конструкции аттенюатора в CAE 52
4.2 Анализ второй конструкции аттенюатора в CAE 58
4.3 Анализ третьей конструкции аттенюатора в CAE 65
4.4 Анализ четвертой конструкции аттенюатора в CAE 71
4.5 Анализ пятой конструкции аттенюатора в CAE 78
4.6 Выводы 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 86
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 87
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ 7
1. Анализ методов обеспечения безопасности пилота болида Formula Student 7
1.1. Требования регламента SAE к конструкции аттенюатора, испытаниям и отчетной документации 7
1.2 Эталонная конструкция аттенюатора и его характеристики 11
1.3. Выводы 22
2. Типовые конструкции аттенюаторов 23
2.1. Аттенюатор с сэндвич-структурой из алюминия 23
2.2 Аттенюатор из композитных материалов 26
2.3 Аттенюатор из алюминиевого листа 27
2.4 Аттенюатор из пены Rohacell 110IG 28
2.5 Аттенюатор из алюминиевых банок и бутылок 29
2.6 Аттенюатор из пеноалюминия 30
2.7 Выводы 32
3. Разработка CAD и CAE модели аттенюатора 33
3.1 Описание пакета CAE и свойств материала 33
3.2 Разработка CAD-модели аттенюатора 35
3.3 Моделирование конструкции аттенюатора в CAE 44
3.4 Выводы 50
4 Анализ конструкции аттенюатора 51
4.1 Анализ первой конструкции аттенюатора в CAE 52
4.2 Анализ второй конструкции аттенюатора в CAE 58
4.3 Анализ третьей конструкции аттенюатора в CAE 65
4.4 Анализ четвертой конструкции аттенюатора в CAE 71
4.5 Анализ пятой конструкции аттенюатора в CAE 78
4.6 Выводы 85
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 86
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 87
Formula SAE - соревнования, организованные Сообществом Автомобильных Инженеров (SAE) международные инженерные соревнования, входящие в Серию Студенческих Инженерных соревнований.[3] Начало было заложено в 1978 году в Соединенных Штатах Америки, когда, для развлечения, группа студентов из трех университетов штата Техас устроили гонки на багги, сделанных из газонокосилок. Идея заинтересовала многих, она уже несла в себе большой потенциал развития инженерной мысли и в 1981 году на базе Техасского Университета прошли соревнования при поддержке Сообщества Автомобильных Инженеров (SAE). Благодаря содействию организации, соревнования получили официальный статус и это стало импульсом для дальнейшего развития. Сообщество Автомобильных Инженеров и сегодня является главным организатором соревнований и ежегодно выпускает основной регламент соревнований, являющийся обязательным к исполнению документом для участников Formula Student. [2]
В России первооткрывателями Formula Student стали три университета: Московский Автомобильно-Дорожный Университет (МАДИ), Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) и Тольяттинский Государственный Университет (ТГУ). На сегодняшний день в РФ организовано около двух десятков команд: в Нижнем Новгороде, Тюмени, Ярославле, Екатеринбурге, Тольятти, Челябинске и Набережных Челнах и их становится все больше. [21]
В настоящий момент в соревнованиях принимают участие более 500 студенческих команд со всего мира. Работа в команде Formula Student позволяет пройти еще на стадии обучения в университете период «проб и ошибок», развить реальные практические навыки, оценить собственные силы в процессе поиска решений. Это дает возможность студентам после окончания ВУЗа стать высокопрофессиональными специалистами, способными самостоятельно решать настоящие серьезные жизненные задачи.
В рамках соревнований, перед ними стоит цель: спроектировать, построить и испытать прототип автомобиля формульного класса (болида), чтобы, затем, конкурируя в статических и динамических дисциплинах, продемонстрировать свой результат.
Все, действия команды должны быть подчинены текущему регламенту соревнований, разработанному инженерами SAE. Регламент составлен на английском языке. Он отражает все аспекты создания автомобиля и устанавливает общие правила. Несоблюдение данных правил карается штрафами, а если машина технически не соответствует регламенту, команду не допускают до соревнований.
Техническая инспекция тщательно проверяет автомобиль на соответствие. Если машина прошла проверку, команда переходит к динамическим (гонкам) и статическим испытаниям.
На соревнованиях первостепенно важно показать и доказать, что именно данная концепция автомобиля лучше всего соответствует техническим требованиям и требованиям безопасности.
Безопасность транспортных средств - одна из главных областей исследования в сфере автомобильной инженерии. Автомобильная промышленность развивает новую пассивную и активную систему безопасности и методы, чтобы увеличить безопасность пассажиров транспортного средства. Особенно важное значение это имеет для гоночного автомобиля. Высокая скорость, которая обычно характеризует эксплуатацию гоночного автомобиля, придает ему более высокую кинетическую энергию. Эта энергия должна быть рассеянна в случае столкновения. Болид Formula SAE должен иметь структурные элементы, которые способны поглощать большинство кинетической энергии посредством деформирования и прогрессивного разрушения. Это позволит минимизировать физическое воздействие на пилота в момент столкновения. Устройство, предназначенное для того, чтобы поглотить и рассеять энергию удара, уменьшить повреждения, и избежать возможных травм пилота называется аттенюатором. Аттенюаторы, деформируясь, способны поглощать кинетическую энергию транспортного средства.
Многие из зарубежных команд активно используют аттенюаторы спроектированные, изготовленные и испытанные своими силами. Это очень удобно, поскольку появляется возможность изменить форму, материал и уменьшить вес защитной конструкции. Прежде чем получить готовый эффективный аттенюатор его нужно испытать. Чтобы уменьшить затраты на развитие и тестирование системы безопасности болида, рекомендуется использовать вычислительные моделирования столкновения для первоначальной оценки режима работы системы безопасности при тесте с воздействием на транспортное средство. Числовое моделирование при помощи методов конечных элементов позволит существенно снизить расходы на физические испытания, а также подобрать наиболее подходящую для команды, и удовлетворяющую требованиям регламента SAE, конфигурацию аттенюатора.
Целью диссертации является разработка методики проектирования рациональной конструкции аттенюатора на основе энергопоглощающего материала пеноалюминия, в среде CAE для обеспечения безопасности пилота гоночного болида класса Formula Student.
Объектом исследования является аттенюатор для гоночного болида класса Formula Student.
Предмет исследования состоит в разработке методики проектирования аттенюатора в среде ANSYS-LSDYNA.
В России первооткрывателями Formula Student стали три университета: Московский Автомобильно-Дорожный Университет (МАДИ), Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ) и Тольяттинский Государственный Университет (ТГУ). На сегодняшний день в РФ организовано около двух десятков команд: в Нижнем Новгороде, Тюмени, Ярославле, Екатеринбурге, Тольятти, Челябинске и Набережных Челнах и их становится все больше. [21]
В настоящий момент в соревнованиях принимают участие более 500 студенческих команд со всего мира. Работа в команде Formula Student позволяет пройти еще на стадии обучения в университете период «проб и ошибок», развить реальные практические навыки, оценить собственные силы в процессе поиска решений. Это дает возможность студентам после окончания ВУЗа стать высокопрофессиональными специалистами, способными самостоятельно решать настоящие серьезные жизненные задачи.
В рамках соревнований, перед ними стоит цель: спроектировать, построить и испытать прототип автомобиля формульного класса (болида), чтобы, затем, конкурируя в статических и динамических дисциплинах, продемонстрировать свой результат.
Все, действия команды должны быть подчинены текущему регламенту соревнований, разработанному инженерами SAE. Регламент составлен на английском языке. Он отражает все аспекты создания автомобиля и устанавливает общие правила. Несоблюдение данных правил карается штрафами, а если машина технически не соответствует регламенту, команду не допускают до соревнований.
Техническая инспекция тщательно проверяет автомобиль на соответствие. Если машина прошла проверку, команда переходит к динамическим (гонкам) и статическим испытаниям.
На соревнованиях первостепенно важно показать и доказать, что именно данная концепция автомобиля лучше всего соответствует техническим требованиям и требованиям безопасности.
Безопасность транспортных средств - одна из главных областей исследования в сфере автомобильной инженерии. Автомобильная промышленность развивает новую пассивную и активную систему безопасности и методы, чтобы увеличить безопасность пассажиров транспортного средства. Особенно важное значение это имеет для гоночного автомобиля. Высокая скорость, которая обычно характеризует эксплуатацию гоночного автомобиля, придает ему более высокую кинетическую энергию. Эта энергия должна быть рассеянна в случае столкновения. Болид Formula SAE должен иметь структурные элементы, которые способны поглощать большинство кинетической энергии посредством деформирования и прогрессивного разрушения. Это позволит минимизировать физическое воздействие на пилота в момент столкновения. Устройство, предназначенное для того, чтобы поглотить и рассеять энергию удара, уменьшить повреждения, и избежать возможных травм пилота называется аттенюатором. Аттенюаторы, деформируясь, способны поглощать кинетическую энергию транспортного средства.
Многие из зарубежных команд активно используют аттенюаторы спроектированные, изготовленные и испытанные своими силами. Это очень удобно, поскольку появляется возможность изменить форму, материал и уменьшить вес защитной конструкции. Прежде чем получить готовый эффективный аттенюатор его нужно испытать. Чтобы уменьшить затраты на развитие и тестирование системы безопасности болида, рекомендуется использовать вычислительные моделирования столкновения для первоначальной оценки режима работы системы безопасности при тесте с воздействием на транспортное средство. Числовое моделирование при помощи методов конечных элементов позволит существенно снизить расходы на физические испытания, а также подобрать наиболее подходящую для команды, и удовлетворяющую требованиям регламента SAE, конфигурацию аттенюатора.
Целью диссертации является разработка методики проектирования рациональной конструкции аттенюатора на основе энергопоглощающего материала пеноалюминия, в среде CAE для обеспечения безопасности пилота гоночного болида класса Formula Student.
Объектом исследования является аттенюатор для гоночного болида класса Formula Student.
Предмет исследования состоит в разработке методики проектирования аттенюатора в среде ANSYS-LSDYNA.
Для обеспечения безопасности пилота гоночного болида класса Formula Student была разработана методика проектирования рациональной конструкции аттенюатора из пеноалюминия на основе моделирования процесса столкновения автомобиля в CAE ANSYS AUTODYN
В рамках данной работы были сделаны следующие выводы:
1. Установлено, что аттенюатор из пеноалюминия является перспективным энергопоглощающим элементом для автомобиля класса «Formula Student»;
2. Установлено, что перспективным программным продуктом CAE для моделирования ударных явлений, в том числе при столкновении автомобиля является ANSYS AUTODYN;
3. Показано, что библиотека приложения ANSYS AUTODYN содержит механические, физические свойства и модели пеноалюминия, необходимые для анализа соударений автомобиля с преградами;
4. Показано, что изменение формы аттенюатора влияет на его устойчивость в процессе столкновения, установлено, что применение вырезов в опорах аттенюатора позволяет повысить устойчивость аттенюатора и управлять распределением энергопоглощением во время столкновения.
5. Установлено, что применение вырезов в опорах аттенюатора позволяет повысить устойчивость аттенюатора и управлять распределением энергопоглощением во время столкновения.
6. Разработана конструкция аттенюатора на основе пеноалюминия, которая соответствует требованиям регламента SAE для болида Formula Student.
В рамках данной работы были сделаны следующие выводы:
1. Установлено, что аттенюатор из пеноалюминия является перспективным энергопоглощающим элементом для автомобиля класса «Formula Student»;
2. Установлено, что перспективным программным продуктом CAE для моделирования ударных явлений, в том числе при столкновении автомобиля является ANSYS AUTODYN;
3. Показано, что библиотека приложения ANSYS AUTODYN содержит механические, физические свойства и модели пеноалюминия, необходимые для анализа соударений автомобиля с преградами;
4. Показано, что изменение формы аттенюатора влияет на его устойчивость в процессе столкновения, установлено, что применение вырезов в опорах аттенюатора позволяет повысить устойчивость аттенюатора и управлять распределением энергопоглощением во время столкновения.
5. Установлено, что применение вырезов в опорах аттенюатора позволяет повысить устойчивость аттенюатора и управлять распределением энергопоглощением во время столкновения.
6. Разработана конструкция аттенюатора на основе пеноалюминия, которая соответствует требованиям регламента SAE для болида Formula Student.
Подобные работы
- Моделирование энергопоглощающего элемента гоночного автомобиля класса «Formula Student» согласно требованиям регламента
Магистерская диссертация, машиностроение. Язык работы: Русский. Цена: 4950 р. Год сдачи: 2021 - Разработка конструкции аттенюатора гоночного болида класса «Формула Студент»
Магистерская диссертация, автомобили и автомобильное хозяйство. Язык работы: Русский. Цена: 5690 р. Год сдачи: 2019