محاكاة التصادم

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 20 صور
الموسوعة الحرة
محاكاة حادث تصادم مع راكبة نحيفة (يسار) وراكبة بدينة (يمين)

محاكاة التصادم هي إعادة تمثيل افتراضية لاختبار تصادم مدمر لسيارة أو نظام حواجز حماية على طريق سريع ، باستخدام محاكاة حاسوبية، وذلك لفحص مستوى سلامة السيارة وركابها. يستخدم مصنّعو السيارات محاكاة التصادم خلال تحليل الهندسة بمساعدة الحاسوب (CAE) لتقييم مقاومة التصادم في عملية التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) لنمذجة السيارات الجديدة. خلال محاكاة التصادم، تتحول الطاقة الحركية ، أو طاقة الحركة، التي تمتلكها المركبة قبل الاصطدام إلى طاقة تشوه ، غالباً عن طريق التشوه اللدن ( اللدونة ) لمادة هيكل السيارة ( الهيكل الأساسي )، في نهاية الاصطدام.

تشير البيانات المستقاة من محاكاة التصادم إلى قدرة هيكل السيارة أو حاجز الأمان على حماية ركابها (وكذلك المشاة الذين تصدمهم السيارة) من الإصابات أثناء التصادم . ومن أهم النتائج التشوهات (مثل اختراق عجلة القيادة ) في حيز الركاب (السائق والركاب ) والتباطؤ (مثل تسارع الرأس) الذي يشعرون به، والذي يجب أن يكون أقل من القيم الحدية المحددة في لوائح السلامة المرورية . ولنمذجة اختبارات التصادم الحقيقية، تتضمن محاكاة التصادم الحالية نماذج افتراضية لدمى اختبار التصادم وأجهزة السلامة السلبية ( أحزمة الأمان ، والوسائد الهوائية ، ولوحات القيادة الممتصة للصدمات ، إلخ). وتقيّم اختبارات حاجز الأمان تباطؤ السيارة واحتمالية انقلابها، بالإضافة إلى اختراق المركبات للحاجز.

تاريخ

في سبعينيات القرن العشرين، بُذلت محاولات لمحاكاة حوادث تصادم السيارات باستخدام أنظمة زنبركية غير خطية بعد معايرتها ، والتي تتطلب كمدخلات نتائج اختبارات معملية تدميرية لتحديد سلوك السحق الميكانيكي لكل مكون زنبركي في النظام المُنمذج. أما عمليات المحاكاة القائمة على " المبادئ الأساسية "، مثل نماذج العناصر المحدودة الأكثر تعقيدًا، فلا تحتاج إلا إلى تعريف الهندسة الهيكلية وخصائص المواد الأساسية ( مثل خواص انسياب فولاذ هيكل السيارة، والزجاج، والأجزاء البلاستيكية، إلخ) كمدخلات لإنشاء النموذج العددي.

تعود أصول محاكاة حوادث السيارات المحوسبة، التي تقوم على المبادئ الصناعية الأساسية، إلى تطبيقات الدفاع العسكري والفضاء الخارجي ومحطات الطاقة النووية المدنية . فبعد عرض محاكاة لحادث تحطم طائرة مقاتلة عسكرية في محطة طاقة نووية في 30 مايو 1978، من قبل مجموعة ESI في اجتماع نظمته جمعية المهندسين الألمان (VDI) في شتوتغارت ، تنبه مصنعو السيارات إلى إمكانية استخدام هذه التقنية لمحاكاة اختبارات تصادم السيارات المدمرة (هاوغ 1981).

أول محاكاة ناجحة لحادث تصادم أمامي كامل للسيارة: اصطدمت سيارة فولكس فاجن بولو بحاجز خرساني صلب بسرعة 50 كم/ساعة (ESI 1986).

في السنوات اللاحقة، أجرت شركات صناعة السيارات الألمانية دراسات محاكاة تصادم أكثر تعقيدًا، تحاكي سلوك التصادم لمكونات هيكل السيارة الفردية، ومجموعات المكونات، وأجزاء هيكل السيارة (الربع والنصف ) قبل اكتمالها. تُوِّجت هذه التجارب بمشروع مشترك بين مؤسسة أبحاث تكنولوجيا السيارات (FAT)، وهي اتحاد يضم جميع شركات صناعة السيارات الألمانية السبع ( أودي ، وبي إم دبليو ، وفورد ، ومرسيدس-بنز، وأوبل ، وبورش ، وفولكس فاجن )، لاختبار مدى ملاءمة برنامجين تجاريين ناشئين لمحاكاة التصادم. أعاد هذان البرنامجان محاكاة التصادم الأمامي لهيكل سيارة ركاب كامل (هاوغ، 1986)، وتم تشغيلهما على جهاز كمبيوتر خلال ليلة واحدة. وبما أن الوقت اللازم لإنجاز مهمتين متتاليتين (تشغيل البرنامج على الكمبيوتر) لم يتجاوز يومًا واحدًا، فقد تمكن المهندسون من فهم سلوك التصادم بشكل أفضل وإجراء تحسينات فعالة وتدريجية على هيكل السيارة المُحلَّل. وأصبح استخدام برامج الهندسة بمساعدة الحاسوب (CAE) مؤخرًا معيارًا في محاكاة اختبارات التصادم. أتاح الجمع بين أدوات التعلم الآلي وأدوات الهندسة بمساعدة الحاسوب تسريعًا أكبر بكثير لبرامج المحاكاة. استخدم المهندسون التعلم الآلي للتنبؤ بما يلي:

طلب

تُستخدم محاكاة حوادث التصادم لدراسة سلامة ركاب السيارة أثناء اصطدامها بالهيكل الأمامي في حالة التصادم الأمامي ، أو الهيكل الجانبي في حالة التصادم الجانبي ، أو الهيكل الخلفي في حالة التصادم الخلفي ، أو هيكل السقف عند انقلاب السيارة . كما تُستخدم محاكاة حوادث التصادم لتقييم إصابات المشاة الذين تصدمهم السيارات.

فوائد

تُتيح محاكاة التصادم الحصول على نتائج دون الحاجة إلى إجراء اختبارات تدميرية فعلية على نموذج سيارة جديد. وبهذه الطريقة، يُمكن إجراء الاختبارات بسرعة وبتكلفة منخفضة باستخدام الحاسوب، مما يسمح بتحسين التصميم قبل تصنيع نموذج أولي حقيقي للسيارة. وباستخدام المحاكاة، يُمكن حل المشكلات قبل إنفاق الوقت والمال على اختبار تصادم فعلي. كما تُمكّن المرونة الكبيرة للمخرجات المطبوعة والعرض الرسومي المصممين من حل بعض المشكلات التي كان من شبه المستحيل حلها بدون مساعدة الحاسوب.

تحليل

يتم توصيل جزء من الهيكل المعدني الخارجي للسيارة، والذي يسمى عنصرًا محدودًا، بالعقد عند كل رأس.

تستخدم العديد من عمليات محاكاة التصادم طريقة تحليل تُعرف باسم طريقة العناصر المحدودة . تُحل المشكلات المعقدة بتقسيم السطح إلى عدد كبير، ولكنه محدود، من العناصر، وتحديد حركة هذه العناصر خلال فترات زمنية قصيرة جدًا. وهناك نهج آخر لمحاكاة التصادم يتمثل في تطبيق طريقة العناصر الكلية . ويكمن الفرق بين المنهجيتين المذكورتين أعلاه في أن الهيكل في حالة طريقة العناصر الكلية يتكون من عدد أقل من العناصر. وتعتمد خوارزمية حساب تشوه الهيكل على البيانات التجريبية بدلًا من حسابها من المعادلات التفاضلية الجزئية.

بدأ برنامج Pam-Crash محاكاة حوادث التصادم، وهو، إلى جانب برنامج LS-DYNA ، حزمة برمجية تُستخدم على نطاق واسع لتطبيق طريقة العناصر المحدودة. تتيح هذه الطريقة نمذجة تفصيلية للهيكل، لكن يعيبها متطلبات وحدة المعالجة العالية ووقت الحساب الطويل. يستخدم برنامج Visual Crash Studio منهجية العناصر الكلية. بالمقارنة مع طريقة العناصر المحدودة، توجد بعض القيود في النمذجة وشروط الحدود، لكن تطبيقها لا يتطلب أجهزة كمبيوتر متطورة، ووقت الحساب فيها أقصر بكثير. تُكمل الطريقتان المذكورتان بعضهما البعض؛ فطريقة العناصر الكلية مفيدة في المراحل المبكرة من عملية تصميم الهيكل، بينما تُؤدي طريقة العناصر المحدودة أداءً جيدًا في مراحلها النهائية.

التحليل الهيكلي

في محاكاة نموذجية لحادث تصادم، يُحلل هيكل السيارة باستخدام التجزئة المكانية ، أي تقسيم الحركة المستمرة للجسم في الوقت الحقيقي إلى تغيرات أصغر في الموضع على فترات زمنية صغيرة منفصلة. تتضمن التجزئة تقسيم سطح الأجزاء المعدنية الرقيقة المكونة للهيكل إلى عدد كبير (يقارب مليون جزء في عام 2006) من المناطق الرباعية أو المثلثية، تغطي كل منها المساحة بين "عقد" مثبتة بزواياها. لكل عنصر كتلة موزعة ككتل مركزة وعزوم قصور ذاتي على العقد المتصلة به. لكل عقدة ست درجات حرية حركية ، أي يمكن للعقدة الواحدة التحرك في ثلاثة اتجاهات خطية انتقالية والدوران حول ثلاثة محاور مستقلة. تُعبر الإحداثيات المكانية ( x ) والإزاحة ( u ) والسرعة ( v ) والتسارع ( a ) لكل عقدة في الغالب بنظام إحداثيات ديكارتية مستطيلة ثلاثية الأبعاد بمحاور X و Y و Z.

إذا تحركت العقد أثناء محاكاة التصادم، فإن العناصر المتصلة بها تتحرك وتتمدد وتنحني معها، مما يؤدي إلى نقل قوى وعزوم إلى نقاط اتصالها. تتوافق هذه القوى والعزوم عند العقد مع قوى وعزوم القصور الذاتي الناتجة عن تسارعها الانتقالي (الخطي) والزاوي، ومع القوى والعزوم المنقولة بفعل مقاومة المادة الهيكلية للعناصر المتصلة أثناء تشوهها. في بعض الأحيان، تُطبَّق أحمال هيكلية خارجية إضافية ، مثل أحمال الجاذبية الناتجة عن الوزن الذاتي للأجزاء، أو أحمال إضافية من كتل خارجية.

يتم تجميع القوى والعزوم لجميع العقد في متجه عمودي (أو مصفوفة عمودية)، ويمكن كتابة معادلات الحركة المعتمدة على الزمن (في حالة التوازن الديناميكي) على النحو التالي.

مأ=Fهـxت-Fأنانت{\displaystyle \mathbf {Ma} =\mathbf {F} _{ext}-\mathbf {F} _{int}}

حيث متجهمأ{\displaystyle \mathbf {Ma} } (الكتلة مضروبة في متجه التسارع) تجمع قوى القصور الذاتي عند العقد،Fهـxت{\displaystyle \mathbf {F} _{ext}}يجمع الأحمال العقدية الخارجية، وFأنانت{\displaystyle \mathbf {F} _{int}}تجمع قوى المقاومة الداخلية الناتجة عن تشوه المادة. M هي مصفوفة قطرية لكتل ​​العقد. كل متجه ( u ، v ، a ، F ، إلخ) له بُعد يساوي 6 أضعاف العدد الإجمالي للعقد في نموذج التصادم (حوالي 6 ملايين " درجة حرية " لكل مليون "عقدة" في نماذج العناصر المحدودة ثلاثية الأبعاد للأغلفة الرقيقة).

تحليل الوقت

تستخدم محاكاة التصادم تقنية التقطيع الزمني لفصل التغيرات المستمرة في الزمن إلى أجزاء صغيرة قابلة للاستخدام. تبقى معادلات الحركة الديناميكية سارية في جميع الأوقات أثناء محاكاة التصادم، ويجب تكاملها زمنيًا ( t ) بدءًا من حالة ابتدائية عند الزمن صفر، أي قبل التصادم مباشرةً. وفقًا لطريقة التكامل الزمني للفروق المحدودة الصريحة المستخدمة في معظم برامج محاكاة التصادم، ترتبط تسارعات الجسم وسرعاته وإزاحاته بالمعادلات التالية.

أن=م-1(Fهـxت-Fأنانت)ن{\displaystyle \mathbf {a} _{n}=\mathbf {M} ^{-1}(\mathbf {F} _{ext}-\mathbf {F} _{int})_{n}}
vن+1/2=vن-1/2+أنΔتن{\displaystyle \mathbf {v} _{n+1/2}=\mathbf {v} _{n-1/2}+\mathbf {a} _{n}\Delta t_{n}}
uن+1=uن+vن+1/2Δتن+1/2{\displaystyle \mathbf {u} _{n+1}=\mathbf {u} _{n}+\mathbf {v} _{n+1/2}\Delta t_{n+1/2}}

في هذه المعادلات، تشير الرموز السفلية n ±1/2 و n و n +1 إلى الأزمنة الماضية والحاضرة والمستقبلية، t ، على فترات زمنية نصفية وكاملة بخطوات زمنية.Δتن{\displaystyle \Delta t_{n}}وΔتن+1/2{\displaystyle \Delta t_{n+1/2}}، على التوالى.

حل

يتم حل نظام المعادلات الخطية المذكور أعلاه لإيجاد التسارعات،أن{\displaystyle \mathbf {a} _{n}}، السرعات،vن+1/2{\displaystyle \mathbf {v} _{n+1/2}}والإزاحات،uن+1{\displaystyle \mathbf {u} _{n+1}}، عند كل نقطة زمنية منفصلة، ​​t ، خلال مدة الاصطدام . هذا الحل بديهي، لأن مصفوفة الكتلة قطرية. يتناسب وقت الحساب مع عدد العناصر المحدودة وعدد خطوات الحل الزمنية. خطوة الحل المستقرة،Δت{\displaystyle \Delta t}يُعدّ هذا الأمر محدودًا من حيث الاستقرار العددي ، كما هو مُبيّن في شرط كوران-فريدريش-ليفي (CFL)، الذي ينص على أنه "في أي محاكاة حاسوبية تعتمد على التدرج الزمني، يجب أن تكون الخطوة الزمنية أقل من الوقت اللازم لحدوث إجراء مهم، ويفضل أن تكون أقل بكثير". في محاكاة التصادم، تكون أسرع الإجراءات المهمة هي الإشارات الصوتية التي تنتقل داخل المادة الهيكلية.

تبلغ سرعة موجة الإجهاد المرن الصلب ما يلي:

ج=هـ0/ρ{\displaystyle c={\sqrt {E_{0}/\rho }}}

أينهـ0{\displaystyle E_{0}}يمثل معامل المرونة الأولي (قبل التشوه اللدن ) للمادة وρ{\displaystyle \rho }هي كثافة الكتلة. وبالتالي، فإن أكبر خطوة زمنية مستقرة لمادة معينة هي

Δت=دمأنانρ/هـ0{\displaystyle \Delta t=d_{min}{\sqrt {\rho /E_{0}}}}،

أيندمأنان{\displaystyle d_{min}}هي أصغر مسافة بين أي عقدتين في نموذج محاكاة التصادم العددي.

بما أن هذه المسافة قابلة للتغيير أثناء المحاكاة، فإن خطوة الزمن المستقرة تتغير ويجب تحديثها باستمرار مع تقدم الحل. عند استخدام الفولاذ ، تبلغ القيمة النموذجية لخطوة الزمن المستقرة حوالي ميكروثانية واحدة عندما تكون أصغر مسافة بين العقد المنفصلة في شبكة نموذج العناصر المحدودة حوالي 5 مليمترات. وبالتالي، يتطلب الأمر أكثر من 100,000 فاصل زمني لحل حدث تصادم يستمر لعُشر ثانية. يتجاوز هذا الرقم في العديد من نماذج التصادم الصناعية التي تتطلب حلول تصادم مُحسّنة بميزات الحوسبة عالية الأداء ( HPC )، مثل التوجيه والحوسبة المتوازية .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ بلعيد، محمد كريم؛ رابوس، ماكسيميليان؛ كريستل، رالف (1 يوليو 2021). "CrashNet: بنية ترميز-فك ترميز للتنبؤ بنتائج اختبارات التصادم" . استخراج البيانات واكتشاف المعرفة . 35 (4): 1688-1709 . doi : 10.1007/s10618-021-00761-9 . ISSN 1573-756X . 
  2. ↑ رابوس، ماكسيميليان؛ بلعيد، محمد كريم؛ ماورر، سيمون ألكسندر؛ هيرماير، ستيفان (23 يونيو 2022). "تطوير نموذج للتنبؤ بأحمال الركاب في حوادث المركبات: تقديم معيار الحمل الحقيقي للركاب للتنبؤ (ROLC$$_p$$)" . تكنولوجيا السيارات والمحركات . 7 ( 3-4 ): 229-244 . doi : 10.1007/s41104-022-00111-x . ISSN 2365-5135 . S2CID 249996973 .  
  3. ↑ ليم، جاي مون (1 يونيو 2021). "طريقة للتنبؤ بـ HIC15، وقوة التسارع الصدري، وانحراف الصدر بناءً على نتائج اختبارات الصدمات الأمامية لبرنامج تقييم السيارات الجديدة الأمريكي (USNCAP)" . المجلة الدولية لتكنولوجيا السيارات . 22 (3): 657-663 . doi : 10.1007/s12239-021-0061-z . ISSN 1976-3832 . S2CID 236395205 .  
  • Haug, E. (1981) "تحليل السلامة الهندسية من خلال التجارب العددية المدمرة"، EUROMECH 121، الأكاديمية البولندية للعلوم، المعاملات الهندسية 29 (1)، 39-49.
  • Haug, E., T. Scharnhorst, P. Du Bois (1986) "FEM-Crash, Berechnung eines Fahrzeugfrontalaufpralls"، VDI Berichte 613، 479–505.