Bremar Automotion sídlící v Austrálii je engineeringová konstrukční firma specializující se na simulace, testování, validace a optimalizace konstrukcí s využitím počítačové techniky (Computer Aided Engineering – CAE), a to v celé řadě průmyslových odvětví, jako je automobilový průmysl, nákladní automobily a přívěsy, hornictví, průmyslové zařízení a v neposlední řadě také motorsport. Nedávno CAMS a FIA udělily firmě Bremar Automotion povolení k udílení certifikací na motorsportové ochranné rámy navrhované pomocí konečněprvkových analýz (MKP). Toto prestižní povolení k certifikaci se uděluje pouze schváleným subjektům. Tato certifikace zmocňuje firmu Bremar k nezávislým homologacím motorsportových ochranných rámů pomocí MKP, a to nejen v Austrálii, ale také jinde ve světě.

Návrhy a certifikace ochranných rámů dle FIA Motorsport

Mezinárodní automobilová federace (Federation Internationale de l’Automobile – dále jen FIA) je všeobecně známá jako světový orgán řídící motorsport. Australská konfederace Motor Sport (Confederation of Australian Motor Sport – dále jen CAMS) je reprezentativní orgán pro FIA v Austrálii. CAMS a FIA mají za úkol společně zajistit, aby všechny akce v motosportu probíhaly v souladu s nejvyššími bezpečnostními standardy, spravedlností a sociální odpovědností.

Validace virtuálního modelu ochranného rámu

Ochranný rám je nejdůležitějším bezpečnostním prvkem v každém závodním voze. Tento rám je určen k ochraně řidiče v případě nehody, a to zejména takové, při které dojde k převrácení vozidla. U mnoha vozidel je tato klec hlavní součástí podvozku a je kompromisem mezi tuhostí, bezpečností, hmotností a náklady.

Aby firma Bremar splnila požadavek akreditačního procesu, musela zkonstruovat a otestovat ochranný rám skutečné velikosti a na tuto konstrukci aplikovat zatížení, které specifikovala FIA. Destruktivní zkouškou pak bylo nutné ověřit správnost počítačového modelu.
Firma Bremar navrhla ochrannou klec pro fyzické zkoušky tak, aby její zatížená konstrukce nepodlehla výraznému množství plastických deformací. K tomu bylo zapotřebí provést nelineární, plastické MKP analýzy a analýzy velkých deformací.

Vzhledem k tomu, inženýři z firmy Bremar již byli zkušení uživatelé produktů Altair HyperWorks, byl jasnou volbou program RADIOSS od firmy Altair pro řešení nelineárních analýz.

Zátěžový test hlavního ochranného oblouku dle FIA

Inženýři z Bremar nejprve navrhli ochranný rám z běžné oceli. Tento rám měl vyhovět zkušebnímu zařízení, které bylo určeno vozidlu střední velikosti o hmotnosti přibližně 1200 kg. Podle požadavků FIA bylo zatížení hlavního ochranného oblouku 10 t. Poté, co bylo toto kritérium zatížení splněno, byl proveden ještě jeden test na tomto oblouku, kde se snažili dosáhnout maximální povolené deformace 50 mm, což vyžadovalo zatížení výrazně převyšující 20 t. Aby bylo možno změřit průhyb a napětí na různých místech struktury, vybavili bezpečnostní rám mnoha senzory a tenzometry. To umožnilo provést následnou korelaci s modelem MKP. Posuv a zatížení hydraulickým válcem byly také zaznamenávány.

Srovnání výsledků fyzického testu a výsledků MKP s použitím programu RADIOSS prokázaly velmi dobrou korelaci mezi fyzickou zkouškou a počítačovým modelem.

„Grafy ukazují zatížení vytvořené hydraulickým válcem aplikované na hlavní ochranný oblouk v porovnání s jeho posunutím. Křivka z fyzického testu se velmi přibližuje křivce z modelu MKP. Obrázky jasně ukazují, jak dobře výsledky z programu RADIOSS korelují s fyzickými zkouškami. Bylo to velmi uklidňující zjištění vidět, jak jsou si tyto křivky podobné,“ řekl Brett Longhurst, generální ředitel Bremar Automotion.

Doplňkové testy – analýza velkých deformací střechy

Aby se zjistilo, co se děje při velkých deformacích celého rámu, byl proveden dodatečný test. Nárazový element pro aplikaci zátěže byl přesunut vpřed na nepodepřenou část střechy a na zkušebním zařízení bylo nastaveno zatížení na maximální provozní limit, čímž vznikla deformace kolem 120 mm. Vzhledem k vysoce nelineárnímu chování bylo simulování zatížení a vychýlení této úrovně poměrně složité.

Zkoušky T-spojení

Jelikož struktura ochranné klece je vytvořena svařením trubek, bylo nutné provést sadu testů, aby se dalo zmapovat chování kolem svarových spojů. Bylo provedeno šest samostatných testů na trubkách různých velikostí a materiálových vlastností, aby se mohla porovnat jejich pevnost a chování. Testy byly provedeny také proto, aby posloužily k ověření a zdokonalení metody modelování svařovaných spojů modelů MKP. Pro tyto zkoušky byla navržena sada přípravků k testování T-spojů. Tyto přípravky byly navrženy tak, aby mohly být také použity pro testování šroubových spojů rámů podle norem FIA. Testovány byly svařované T spoje pro různé druhy běžných ocelí a chróm-molybdenových ocelí (známé jako chromoly). Podle výsledků testů byly tyto svařované MKP modely vyladěny, aby se dosáhlo dobré korelace. Tyto testy byly neocenitelnou součástí zkušebního plánu, jelikož poskytly kritický pohled na to, jak přesně a konzervativně modelovat selhání svařovaných spojů.

Přesné predikce vysokých nelineárních deformací

Aby se ještě zvýšila důvěryhodnost procesu, byly některé provedené testy na motorsportových ochranných klecích provedeny nad rámec potřebných testů pro akreditaci FIA.

Bremar navíc zahrnul do svého plánu testů i podobné fyzikální testy, prováděné na velkém převracecím ochranném systému (Rollover Protection Systems – ROPS), které se používají pro testování nákladních automobilů, traktorů a zemních strojů. I zde bylo dosaženo velmi dobré korelace, což opět dokazuje přesnost simulačních metod firmy Bremar a programu RADIOSS.

„Udělali jsme řadu dodatečných testů, které nebyly pro schvalovací proces FIA nutné. Tyto dodatečné testy byly provedeny proto, abychom dosáhli co největší deformace struktury, jak to jen bylo možné. Zajímalo nás, jaká bude korelace našich MKP modelů a reálného modelu v oblastech vysokých deformací a velkých nelinearit, takže jsme v podstatě testovali až tam, kam až to zkušební zařízení dovolí. Ve většině případů byla korelace velmi dobrá v celém rozsahu deformací. Produkty od firmy Altair jsou pro nás pojmem pro simulaci. Nic jiného nepoužíváme. Je skvělé, jak výsledky simulací a fyzikálních zkoušek spolu dobře korelují, a že se můžeme spolehnout nejen na naše metody, ale také na výpočetní nástroje, které používáme. Jsou to úžasné programy a výsledky testů a tyto obrázky to jen potvrzují,“ dodal B. Longhurst.

O firmě Altair

Altair se zaměřuje na vývoj a široké využití technologií simulace pro syntézu a optimalizaci konstrukce, procesů a rozhodnutí, které přinášejí zlepšení podnikové výkonnosti. Společnost je v soukromých rukou a zaměstnává více než 2800 zaměstnanců na celém světě. Altair má hlavní sídlo v Troy, Michigan, USA a provozuje více než 45 kanceláří v 24 zemích světa. Nyní Altair obsluhuje více než 5000 firemních zákazníků z mnoha průmyslových odvětví. Více informací naleznete na www.altair.com.

O programu HyperWorks

Předváděcí simulační technologie

HyperWorks je simulační řešení pro malé i velké společnosti, které je zaměřeno na urychlení vývoje a rozhodování. Jakožto jeden z nejkomplexnějších balíků CAE programů s otevřenou architekturou, který je k dispozici, HyperWorks nabízí to nejlepší z hlediska modelování, analýzy, vizualizace i práce s daty v rámci lineárních, nelineárních a optimalizačních úloh.
www.altairhyperworks.com