تغییر شکل بدنه خودرو هنگام تصادف

[بهداد]

تغییر شکل بدنه خودرو هنگام تصادف
بحث ایمنی سرنشین در خودرو از مسائل روز مربوط به وسائل نقلیه بشمار می رود. برای تضمین ایمنی ، معمولاً ورقهای فلزی که در بدنه خودرو بکار می روند باید به گونه ای طراحی شوند که استحکام لازم برای تامین ایمنی سرنشین در هنگام تصادف و ضربه شدید را داشته باشند و اینکار با افزایش ضخامت بدنه انجام می شود. این امر باعث افزایش وزن خودرو و در نتیجه افزایش مصرف سوخت و افزایش هزینه مواد اولیه و تولید خواهد شد. بنابراین بنا به دلایل اقتصادی نمی توان ضخامت بدنه را برای تامین ایمنی سرنشین تا هر اندازه ای بالا برد. مضاف بر اینکه مناطقی از بدنه بخاطر شرایط هندسی خاص یا به دلیل وجود قطعات دیگر نمی توانند ضخیمتر شوند.

یک قطعه جاذب انرژی (Absorbing body) به شکل لوله ای انعطاف پذیر بین دو سطح مرزی (یعنی بین سطوح قطعات بدنه خودرو) بکار می رود.

ابداعات و اختراعات بسیاری در این زمینه به ثبت رسیده است.یکی از آنها که در سایت ابداعات و اختراعات آمریکا به ثبت رسیده است، به شرح زیر است.

قطعه جاذب انرژی که معرفی می شود، توسط یک لوله انعطافپذیر شکل گرفته و دیواره آن شیاردار بوده و سطح مقطع دایره ای دارد و هنگامی که انرژی ضربه به قطعه ای وارد می شود، به گونه ای تغییر شکل می دهد که بخش زیادی از انرژی ضربه از طریق تغییر شکل قطعه استوانه ای شکل جاذب انرژی ، جذب شود. در نتیجه، انرژی ضربه ای که به فضای داخلی می رسد به میزان بسیار زیادی کاهش پیدا کرده و ایمنی سرنشین را تضمین می کند.

قطعه جاذب انرژی معرفی شده به شکل لوله ای موج دار است و شامل چندین لایه ورق آلومینیم می شود.

دیواره لوله انعطافپذیر که قطعه جاذب انرژی را شکل می دهد، از چندین لایه تشکیل شده است. این قطعه حداقل باید یک لایه فلزی و یک لایه کاغذی یا پلاستیکی داشته باشد. در قطعه فوق، وجود لایه فلزی تغییر شکل مناسب برای جذب انرژی ضربه در لحظه تصادف را تضمین کرده و با استفاده از حداقل یک لایه کاغذی یا پلاستیکی خواص مفید این مواد در قطعات جاذب انرژی بکار می رود.

با ابداع فوق، خصوصیات مفید نوع تغییر شکل این قطعه جاذب انرژی با حداقل یک برش یا مقطع طولی که در مقایسه با مقطع عرضی طول بیشتری هم دارد، بروز می کند. اگر نیرویی در امتداد مقطع طولی دراز قطعه اعمال شود، انرژی بسیار خوب جذب می شود، حتی اگر تغییر شکل بسیار اندک باشد. این ویژگی در جذب انرژی، بسیار بهتر از خواص جذب انرژی قطعات استوانه ای با یک مقطع عرضی بسیار بزرگ مفید واقع می شود. چنین اجزائی (با مقطع عرضی بزرگ) در هنگام جذب نیروی وارده ، تغییر شکل بیشتری یافته و بنابراین از نظر ایمنی مزیت کمتری دارند.

قطعه ابداع شده فوق، لوله ای شکل بوده و از نوارهای بهم پیچ خورده بصورت مارپیچی که دیواره این لوله را تشکیل می دهند، ساخته شده است. این نوار های فلزی می توانند آلومینیم، آلیاژهای آلومینیم یا فولاد باشند. این نوارها با نوارهای کاغذی یا پلاستیکی همراه هستند. یکی از فواید این محصول ارزان بودن هزینه تولید آن است.

اگر برآمدگی ها و فرورفتگیهای شیارهای شکل گرفته در جداره لوله، بتوانند در جذب نیروی اعمالی بکار روند، مزیت این قطعه را افزایش می دهند. در مقطع طولی که بسیار هم طویل است، قطعه بگونه ای قرار می گیرد که نیروی اعمالی موازی با مقطع طولی بوده و در نتیجه در راستای انبساط طولی برآمدگی و فرورفتگی شیارهای موجود روی جداره و مقطع طولی، باشد. بخاطر زاویه دار بودن مارپیچ حاصل از نوارها، برآمدگی و فرورفتگی شیارها نیز با زاویه اندکی نسبت به نیروی اعمالی قرار می گیرند. در هنگام وارد شدن نیرو، آن برآمدگی و فرورفتگی های شیار، در جهت طولی خود تغییر شکل داده و در جذب نیروها و انرژیهای بزرگ حتی در شرایطی که منجر به تغییر شکل اندکی شود، بسیار موثر واقع می شوند.

بهتر است که کناره های نوارها روی هم قرار بگیرد. اگر لوله ابداعی از دو لایه کاغذ یا پلاستیک در دو طرف (بیرونی و درونی) و دو لایه میانی فلزی ساخته شود، در مناطقی که کناره های لایه ها روی هم قرار بگیرند(Overlap)، ساختاری شامل دو ردیف روی هم را تشکیل می دهد و قابلیت جذب آن دوبرابر می شود، در ضمن استحکام قطعه نیز افزایش می یابد.

در تحقیقی که با مشارکت گروهی از مراکز تحقیقاتی آمریکا انجام شد، سعی شد تا شرایط واقعی ضربه خودرو به روشی ساده شبیه سازی شود تا داده های بدست آمده از آن بتوانند برای مدلسازی کامپیوتری مورد استفاده قرار گیرند. در این پروژه به توسعه آزمایشات مطلوب برای تعیین قابلیت ضربه پذیری فولادهای HSS پرداخته شد.

مقدمه: تعیین ضربه پذیری (Crashworthiness) فولاد های استحکام بالا (HSS) نیاز به تست مواد و ساخت های مختلف در نرخ کرنش های زیاد ، کرنش های پلاستیک زیاد، و تغییر مکانهای زیاد که از خصوصیات ضربه های واقعی هستند، دارد. از آزمایشات معمول برای تست ضربه پذیری (یا قابلیت لهیدگی) مواد، له کردن لوله هایی با مقاطع دایره یا مستطیل است. بخاطر رسیدن به ترکیب سرعت و نیروی نسبتاً بالا برای انجام له شدگی تصاعدی و موفق، از دستگاههایی بر مبنای اینرسی (دوران سریع و فشار بین دو سطح تماس) از قبیل drop tower و impact sled استفاده می شود. به عنوان مثال در drop tower (برجک سقوط) ، ارتفاع سقوط و جرم ماده، برای رسیدن به نیروی لهیدگی مورد نظر تنظیم می شود. اما محدودیتهای عملی برای جرم و سرعتی که در این تست بکار می رود، وجود دارد. انرژی جنبشی ضربه باید به اندازه ای باشد، که در تغییر شکل نمونه و نگهدارنده ها مصرف شده و به دستگاه آزمایش آسیبی نرساند. عملاً نوسانات و ارتعاشات ماده در حال سقوط قابل حذف نیست و نیروهای جنبی به آسانی قابل اندازه گیری و کنترل نیستند. سرعت ضربه نمی تواند ثابت بماند و به تدریج از لحظه شروع ضربه کاهش می یابد.

تست ضربه صفحات موازی
در مقاله ای که در مجله بین المللی مهندسی ضربه به چاپ رسید، توسط Tam و Calladine و با استفاده از ماشین تست هیدرولیک خودکار (Servo hydraulic) تست برجک سقوط با صفحات موازی انجام شد. نتایج آن برای توسعه مدلی برای جذب انرژی مورد استفاده قرار گرفت. این تست با هدف تکرار تغییر شکل قطعات استوانه ای خودرو با مقطع چند ضلعی مطابق با تغییر شکل در حین ضربه واقعی انجام می شود. ابزار بکار گرفته شده در این آزمایش عبارت بودند از واحد اعمال نیرو، اندازه گیر یا gage کرنش و یک دوربین دیجیتال که برای ارتباط نتایج با زمان بکار می رود.

۸ gage استفاده شد که محل قرار گیری آنها در شکل مشخص می باشد، gage های ۴و۵ و ۶ پشت gage های ۱و۲و۳ قرار دارند. نتایج آن در اشکال مشخص است.

آزمایش له شدگی لوله : برای انجام این آزمایش از ماشین تست منحصر بفرد TMAC مخصوص سنجش قابلیت ضربه پذیری قطعات خودرو استفاده شد. این دستگاه امکان آزمایش قابل کنترل ضربه پذیری با سرعت قابل برنامه ریزی و نیروهای بسیار بالا را فراهم می آورد. اطلاعات بیشتر در مورد این دستگاه در سایت www.ntrc.org موجود می باشد.

توانایی دستگاه در کنترل سرعت و stiffnessیا سفتی جانبی زیاد آن باعث می شود تا روند کرنش آن بخوبی اندازه گیری شود در حالی که در دستگاه تست drop tower این قابلیت وجود ندارد. قطر بیشتر خمش بهتر را به همراه دارد. هندسه نمونه ها به قرار زیر تعیین شد: طول ۱۷۸ میلیمتر، قطر ۵۰ میلیمتر و ضخامت دیواره۶/۱میلیمتر. با بهبود هندسه نمونه های لوله ای و شرایط مرزی می توان حالات مختلف تغییر شکل را به دست آورد. له شدگی محوری متقارن لوله ای از جنس فولاد نرم (Mild Steel) و لهیدگی غیر متقارن فولاد کم آلیاژ استحکام بالا (HSLA) در اشکال نشان داده شده است.

نتیجه گیری: تستها بر پایه سیستمهای پایه هیدرولیکی بنا شد. نتایج این تستها می تواند برای ارزیابی روندهای مدلسازی ساختارهای تحت ضربه بکار رود. موسسات تحقیقاتی آمریکا، برنامه پژوهشی طولانی مدت، مشترک، مفصل و همه جانبه ای در زمینه ضربه پذیری قطعات خودرو و روش تست آن در دست اقدام دارند.