نقش قطعات جاذب انرژی در تصادفات

[بهداد]

نقش قطعات جاذب انرژی در تصادفات
در سال ۲۰۰۲ تنها در امریکا ۴۲۸۱۵ نفر در اثر تصادف جان خود را از دست داده اند که نسبت به سال ۲۰۰۱ ۵/۱ درصد افزایش داشته و بسیار بالاتر از میزان مرگ و میر ناشی از تصادفات در سال ۱۹۹۰ است. همچنین در سال ۲۰۰۲، دو میلیون و نهصد و بیست و شش هزار نفر در اثر تصادفات رانندگی مجروح شده اند که بسیاری از آنها آسیبهای دائمی بودند. در سالهای اخیر ایمنی خودروها توجه عموم را بخود جلب کرده و تحقیقات دانشگاهی و صنعتی بیشماری را به خود اختصاص داده است. همراه با توسعه جوامع، مردم خواهان ایمنی بیشتر و مصرف سوخت کمتر در خودروها هستند. این امر مستلزم بهبود خواص جذب انرژی قطعات در هنگام تصادف و کاهش وزن قطعات خودرو است. علاوه بر آن، لازم است به این نکته نیز توجه شود که آیا سرنشین می تواند نیروی ضربه را تحمل کند؛ به بیان دیگر بزرگی قله یا بیشترین نیروی ضربه در برخورد بر حسب تغییر شکل محوری که میزان کاهش سرعت را تعیین می کند و مقدار معیار بحرانی ضربه به سر، باید برای سرنشین قابل تحمل باشد. سبکی و خواص جذب انرژی بدنه خودرو از طریق بهبود ساختار یا تعویض ماده مورد استفاده، بدست می آید. مطالعات اخیر نشان می دهد که تعویض ماده اولیه بیشتر از بهبود ساختار در خواص جذب انرژی و سبکی خودرو، موثر واقع می شود. طراحی، محاسبه و تست سبکی و جذب انرژی قطعات جلویی خودرو در دو دهه اخیر بسیار مورد مطالعه قرار گرفته است.

تاکنون قوانین زیادی در خصوص بهبود ایمنی ثانویه خودرو در کشورهای پیشرفته تصویب شده است. ایمنی ثانویه به حفاظت خودرو از سرنشین خود در هنگام تصادف گفته می شود. ایمنی اولیه نیز به ویژگی هایی چون سیستم ترمز گفته می شود که در اجتناب از وقوع تصادف نقش دارند. در تحقیقی که در بین سالهای ۱۹۸۰ تا ۱۹۹۸ در انگلستان انجام شده است، میزان آسیبها و تلفات تصادفات در روند پیشرفت و بهبود سیستمهای ایمنی ارزیابی شده است. این تحقیق نشان می دهد که میزان جراحات در خودروهای مدرنتر با سیستمهای ایمنی بهتر، کمتر شده است. این امر خصوصا تا سرعتهای ۶۵ کیلومتر در ساعت بیشتر مشخص است.

برای کاهش وزن خودرو، موادی چون آلیاژهای آلومینیم و منیزیم، فولادهای استحکام بالا، مواد کامپوزیتی و غیره به عنوان جایگزین فولادهای نرم رایج بکار گرفته شده اند.

انرژی مکانیکی در جامدات توسط تغییر شکل پلاستیک (برگشت ناپذیر) جذب می شود. میزان این جذب به ماهیت مکانیزم تغییر شکل، تراکم مکانهایی که مکانیزمها در آنجا فعال هستند، و پایداری تغییر شکل بستگی دارد.

باید توجه داشت که در هنگام تصادف نیروی ضربه و شتاب نباید از حد معینی بیشتر شوند تا اختلاف بین میزان اولیه و نهایی کاهش سرعت و نیرو از طریق افزایش قابلیت جذب انرژی به حداقل برسد و در نتیجه میزان خسارت به ساختار و آسیب به مردم کم شود. در هنگام تصادف، استفاده از قطعات لوله ای شکل یکی از عوامل مهم جذب انرژی خواهد بود. تاکنون تحقیقات زیادی روی خواص جذب انرژی ساختارهای فلزی جداره نازک از جنس فولاد و آلومینیم به منظور بهبود ایمنی خودرو انجام گرفته است. کامپوزیتهای پلیمری نیز به این صنعت معرفی شده اند تا وزن کلی خودرو را نیز کم کنند.

حرکت به سوی خودروهای سبکتر، تبدیل به یک موضوع مهم مهندسی در صنعت خودروسازی امروز دنیا شده است. در این میان توجه به آلیاژهای آلومینیم به عنوان جایگزین اجزاء از جنس فولادهایی با استحکام نه چندان زیاد، افزایش پیدا کرده است. اما این جایگزینی نه باید درستی و بی عیبی ساختاری قطعات و نه خواص جذب انرژی خودرو در هنگام تصادف را کم کرده و به خطر اندازد. به منظور اطمینان از این مسائل، تاثیر فرایندهای ساخت و تولید بر عملکرد و کارایی قطعات ساختاری خودرو در هنگام تصادف و شکست باید بهتر مورد مطالعه قرار گیرد.

در مقایسه آلومینیم با فولاد باید گفت، فولادهای نرم سفتی (Stiffness) بیشتر و خواص بهتری در هنگام خمش دارند اما آلیاژهای آلومینیم وزن کمتر و جذب انرژی بیشتری دارند.

آلیاژهای آلومینیم نسبت به فولادهای متداول تا ۲۵ درصد در کاهش وزن خودرو نقش دارند. وزن کمتر، مصرف سوخت کمتر و انتشار دی اکسید کربن کمتری را به همراه دارد. همچنین آلومینیم قابلیت بازیافت را داشته و این یک مزیت زیست محیطی محسوب می شود.

در ۲۰ سال گذشته سازندگان وسائل نقلیه از مواد کامپوزیتی نیز برای تحمل بار وارده در بدنه خودرو استفاده کرده اند. بازدهی این مواد، بر اساس میزان جذب انرژی سنجیده می شود که البته در کامپوزیتها بیشتر از ساختارهای فلزی است. اکثر تحقیقاتی که در جهت ارزیابی قابلیت جذب انرژی مواد کامپوزیتی تحت بار فشاری انجام گرفته است به لوله های با تقارن محوری محدود می شود. فرایند جذب انرژی در این مواد از طریق تغییر شکل انتهای قطعه بصورت مخروطی شکل انجام می شود. بسیاری از محققان در تحقیقات خود در زمینه حذف شکستهای ناگهانی، ابعاد هندسی بهینه و محدودیتهای ابعادی را مورد بررسی قرار داده اند. برای رسیدن به بهترین مکانیزم شکست، مشخص شده است که نسبتهای ابعادی مثل نسبت قطر به ضخامت از اهمیت زیادی برخوردار است. مطالعات بی شماری نیز هم بر روی لوله های با مقطع مربع و هم قطعات جداره نازک انجام گرفته است.

مطالعات قبلی انجام شده نشان می دهد که لوله های کامپوزیتی پلاستیکی فیبردار تحت برخورد محوری میزان جذب انرژی قابل توجهی دارند. کامپوزیت ها در هنگام شکست و له شدن، حالتهای شکست مختلفی دارند که به خواص ماده و شرایط بارگذاری بستگی دارد. به دلیل آنکه دامنه وسیعی از حالات بارگذاری وجود دارد، به همین دلیل درک رفتار قطعات تحت بارگذاری های متفاوت، اهمیت پیدا می کند.تغییر شکل پلاستیک مکانیزم شکست را کنترل نمی کند، بلکه گسترش میکروترکهایی که به سادگی با عواملی چون جهتگیری فیبر، خواص اجزاء (فیبر و زمینه) و ابعاد هندسی نرخ کرنش لوله تحت کنترل در می آیند، در این امر موثر است.

اخیرا کامپوزیت جدیدی مطرح شده است که در تست کشش تک محوری انرژی بالایی را جذب می کند. این کامپوزیت از زنجیره های فولاد در زمینه اپکسی ساخته می شود که البته عمده جذب انرژی را زمینه اپکسی آن بر عهده دارد.

امروزه دیگر مکانیزم جذب انرژی فلزات و کامپوزیتها بخوبی مشخص شده است. وانگ و همکارانش اولین کسانی بودند که فرض ساختارهای چند ماده ای را مطرح کرده و قابلیت جذب انرژی لوله های فولادی را که روی آنها کامپوزیتهای پلاستیکی با فیبرهای تقویت کننده پیچیده شده است، مطالعه نمودند. آنها نشان دادند که با افزایش ضخامت کامپوزیت و کاهش زاویه فیبر تقویت کننده، جذب انرژی افزایش می یابد.

ساختارهای چندماده بنا به دلایل متفاوتی باید مورد توجه قرار گیرند:

۱. توسعه قطعات بدنه و اجزاء ساختاری از جنس آلیاژهای آلومینیم بخاطر شرایط محیطی ضربه می تواند منجر به بروز مشکلاتی در تنشهای خارجی شود و در این حالت کامپوزیتها باید وارد میدان شده و مقاومت این ساختارها را بهبود بخشند.

۲. دلیل دوم گرایش به دستیابی به ساختارهای سبکتر و در عین حال با خواص مکانیکی مطلوب در جذب انرژی است.

۳. دو ماده می توانند هر کدام خصوصیات خود را در مورد جذب انرژی داشته باشند.

از ویژگیهای مهم جامدات سلولی نیز میزان جذب انرژی تحت فشار در آنها است. این میزان جذب انرژی به نوع ساختارهای سلولی (ساختار دو بعدی منظم یا آرایش سه بعدی اتفاقی) بستگی دارد. اسفنجها و ساختارهای شانه عسلی(شش گوشه) دو گروه اصلی از جامدات سلولی هستند. جامدات سلولی دو بعدی با آرایش سلولی منظم شانه عسلی یا Honeycomb نامیده می شوند. سلولهای شانه عسلی می توانند شش گوش، مربع یا مثلث و یا هر شکل دیگری باشند. اما از آن طرف اسفنجها (Foams) جامدات سلولی سه بعدی هستند که جهتگیری سلولهای آن اتفاقی است. تاکنون تحقیقات زیادی بر روی جامدات سلولی با زمینه فلزی یا پلیمری انجام شده است اما هنوز مطالعه زمینه سرامیکی ها محدود و اندک است.

به هر حال توجه افکار عمومی به مسئله ایمنی خودروها رو به افزایش است و خودروسازان باید برای جلب نظر مردم و فروش بیشتر و داشتن بازار موفق تر، خودروهای ایمنتری برای مسافران بسازند؛ و در این راه می توانند روی کمک دانشگاهیان و پژوهشگران حساب کنند. ارتباط مراکز مهندسی و تحقیق خودروسازان باید با دانشگاهها نزدیکتر و صمیمانه تر باشد.