Одна из важных составляющих системы пассивной безопасности рельсовых беспилотников (юнимобилей) — деформационная труба. Она поглощает энергию удара и замедляет скорость транспортного средства в случае аварийного столкновения. В рамках научно-исследовательской деятельности специалисты UST Inc. разработали и протестировали методику, позволяющую приблизить компьютерное моделирование поглощения энергии удара к реальным промышленным испытаниям.
Юнимобиль uBus U4-212-01 на испытаниях / © UST Inc.
Исследование началось с разработки численных моделей, имитирующих поведение деформационных труб при различных сценариях столкновения. Эти элементы конструкции играют ключевую роль в системах пассивной безопасности: при аварии берут на себя основную ударную нагрузку и деформируются определенным образом, чтобы поглотить как можно больше энергии и тем самым защитить пассажиров и оборудование.
После построения моделей исследователи перешли к их верификации — сравнению компьютерных расчетов с данными реальных экспериментов. В испытательном центре UST Inc. были проведены натурные испытания, в ходе которых замерялись усилия сопротивления труб при деформации. Было отмечено, что результаты, полученные в симуляциях, практически совпадают с экспериментальными.
Это дало уверенность в корректности выбранного подхода к моделированию и подтвердило точность заданных граничных условий и параметров материалов.
Следующим этапом стал анализ влияния конструктивных параметров труб на их способность поглощать энергию. В серии вычислительных экспериментов исследовалось влияние таких параметров, как:
● толщина стенки трубы;
● коэффициент трения между взаимодействующими деталями;
● угол расширения конуса ползуна, задающий геометрию взаимодействия элементов при сжатии трубы.
Эксперимент показал, что:
● увеличение толщины стенки и коэффициента трения ведет к почти линейному росту силы сопротивления;
● угол наклона конуса оказывает нелинейное влияние на силы в системе. Изменение угла меняет одновременно и контактную площадь, и вектор действия сил, что сильно сказывается на результате. Это усложняет расчеты, но дает новые возможности для тонкой настройки конструкции.
Полученные массивы данных результатов расчетов различных зависимостей стали значимым вкладом в инженерную базу. Теперь проектирование новых труб будет требовать меньше физических испытаний, а конструкторы смогут предсказывать поведение изделий с высокой точностью.
Создание методики компьютерного моделирования поглощения энергии, представляющей собой поэтапную инструкцию по проведению численного анализа, стало одним из ключевых достижений. Сама методика включает:
● создания конечно-элементных моделей (КЭМ);
● задание параметров материалов и характеристик конечных элементов;
● формирование граничных условий, выбор и настройку контактных взаимодействий;
● настройку управляющих параметров расчета и отображения полученных результатов расчетов.
Эта методика не просто позволяет заменять физические тесты виртуальными, но и приближает моделирование к реальным промышленным испытаниям. Экономятся ресурсы, снижаются сроки разработки и повышается безопасность конечного продукта.
Разработанная белорусскими инженерами методика расчета уже показала свою эффективность на практике. Ее применили при разработке конструкций для транспортных модулей нового поколения — uCont U4-192-21 и uBus U4-212-01. Эти деформационные трубы спроектированы так, чтобы обеспечивать максимальную безопасность при минимальной массе, что особенно важно для рельсового транспорта с повышенными требованиями к энергоэффективности.
