Jak MES wspiera ocenę wytrzymałości nadwozi pojazdów lekkich?

W dobie rosnącej popularności pojazdów lekkich, skuteczna ochrona ich użytkowników jest jednym z głównych wyzwań stawianych tym konstrukcjom. Dodatkowo powinny to być konstrukcje lekkie, a zarazem wytrzymałe, spełniające wszelkie wymagania wynikające z obecnych przepisów.

Zadaniem zespołu CIM-mes Projekt była weryfikacja zachowania nadwozia kompozytowego pojazdu lekkiego TRIGO podczas testów: obciążenia nadwozia (ROPS) oraz kotwiczeń fotela kierowcy i pasów bezpieczeństwa pasażera. Dzięki wykorzystaniu metody elementów skończonych (MES) przygotowaliśmy symulacje, które pokazały, jak konstrukcja reaguje na różne scenariusze obciążeń, co umożliwiło jej ocenę i wprowadzenie niezbędnych zmian.

Podstawa prawna i zakres analizy wytrzymałościowej

Na początku projektu, wspólnie z klientem określiliśmy, jakim obciążeniom będzie poddana kompozytowa konstrukcja nadwozia, w oparciu o Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) nr 168/2013 w odniesieniu do wymogów w zakresie bezpieczeństwa funkcjonalnego pojazdów do celów homologacji pojazdów dwu- lub trójkołowych oraz czterokołowców, a w szczególności Załączników XI i XII tego dokumentu.

W zakresie analizy nadwozia (ROPS) były to trzy scenariusze obciążenia pionowego. W zakresie oceny kotwiczeń pasów bezpieczeństwa były to dwa scenariusze obciążenia – jeden dla fotela kierowcy, drugi dla pasażera. Dzięki takim symulacjom możliwe było precyzyjne odwzorowanie rzeczywistych warunków badania, przez które musi przejść każda tego typu konstrukcja.

Budowa modelu MES – nadwozie kompozytowe typu sandwich

Ze względu na specyficzną budowę nadwozia (typ sandwich), model MES został zbudowany z elementów powłokowych (skorupy kompozytowe) oraz bryłowych (wypełnienie piankowe). W modelu obliczeniowym istotnym aspektem było poprawne odwzorowanie ilości i ułożenia warstw w laminacie oraz połączenie go z wypełnieniem piankowym.

Równie istotne okazało się odwzorowanie punktów mocowania nadwozia do ramy pojazdu poprzez łączniki sprężyste. Dzięki temu uzyskano realistyczny rozkład naprężeń, szczególnie dla przypadków obliczeń kotwiczeń pasów bezpieczeństwa. Obliczenia zostały przeprowadzone jako quasi-statyczna analiza MES. Wyniki tych analiz przedstawiono w formie map naprężeń w różnych warstwach kompozytu oraz w postaci map przemieszczeń.

Wyniki symulacji – identyfikacja słabych punktów konstrukcji

Dzięki symulacjom MES nadwozia mogliśmy szybko i precyzyjnie ocenić, czy w konstrukcji występują słabe punkty w postaci koncentracji naprężeń lub znacznych deformacji. Uzyskane wyniki pokazały, że dla większości przypadków obciążenia konstrukcja spełnia zakładane wymagania.

W przypadku analizy punktów mocowania fotela kierowcy w elementach stalowych wzmacniających konstrukcję uzyskano wyższe niż dopuszczalne wartości naprężeń. Dzięki analizom wytrzymałościowym MES komponenty te mogły być zmodyfikowane zanim przystąpiono do rzeczywistych testów nadwozia – co pozwoliło oszczędzić czas i koszty.

Wynik? Pierwsza analiza wykazała, że konstrukcja jest zbyt słaba. Brak zbieżności obliczeń był jasnym sygnałem, że pierwotny projekt nie gwarantuje bezpieczeństwa i wymaga modyfikacji. To kluczowy moment, w którym symulacja zapobiega kosztownym błędom na etapie produkcji.

Analiza modalna – ocena drgań własnych nadwozia

W kolejnym etapie przeprowadzono analizę modalną nadwozia kompozytowego, aby wyznaczyć jego częstości drgań własnych oraz ich postacie. Celem było umożliwienie klientowi oceny ryzyka wystąpienia rezonansu z wymuszeniami pojawiającymi się podczas jazdy.

Wnioski – korzyści z zastosowania MES w homologacji pojazdów

Obliczenia wytrzymałościowe zgodne z Rozporządzeniem (UE) nr 168/2013 potwierdziły spójne zachowanie kompozytowego nadwozia pojazdu lekkiego w analizowanych scenariuszach. Kluczowe, praktyczne wnioski to weryfikacja wytrzymałości newralgicznych obszarów konstrukcji oraz precyzyjna informacja o jej sztywności.

Przeprowadzenie zaawansowanych analiz MES nie tylko znacząco skróciło czas weryfikacji konstrukcji, ale też dostarczyło klientowi rzetelnych danych pozwalających świadomie podejmować decyzje projektowe. Dzięki temu już na wczesnym etapie rozwoju projektu można było wskazać newralgiczne miejsca konstrukcji i określić zakres bezpieczeństwa bez konieczności przeprowadzania kosztownych prób w rzeczywistości.