Stoßmodelle in PC-Crash

Stoßmodelle
in PC-Crash
Klassisches und
steifigkeitsbasiertes Stoßmodell
Dr. Gábor MELEGH
Dr. Andreas MOSER
Dr. Hermann Steffan
DSD - Dr. Steffan Datentechnik – TU Budapest
01.07.2003 1

Fahrzeugkollision
• Annäherung
• Erstkontakt
• Kompressionsphase
• Restitutionsphase
• Auslaufbewegung
01.07.2003 2

Stoßmodelle
01.07.2003 3

Stoßmodelle
• „klassische“ Stoßmodelle:
– Reduktion des Stoßes auf einen Zeitpunkt
– Impuls- und Drallerhaltung
– Restitution und Kontaktreibung
– Geringe Anzahl an Eingabeparametern
erforderlich
– Auslaufimpuls und Drall der Fahrzeuge im
Auslauf werden bestimmt
– Kontrollgrößen: EES, Steifigkeiten,
Stoßpunktslage, „Auslaufbewegung“ /
Stoßpunktsgeschwindigkeiten
01.07.2003 4

Stoßmodelle
• Steifigkeitsbasierte Stoßmodelle:
– Stoßvorgang wird zeitlich aufgelöst
– Komplexe Berechnung
– Fahrzeugstrukturparameter müssen vorgegeben
werden
– Kontaktkräfte werden berechnet
– Deformation der Fahrzeuge ist Ergebnis
– Eingabeparameterbestimmung „schwierig“
(Testdaten erforderlich)
– Stoßrechnung für Benutzer einfach
01.07.2003 5

Stoßmodell
Impulserhaltung und Drallerhaltung
• Impulserhaltung:
m 1 (v´s1t -v s1t ) = T
m 1 (v´s1n -v s1n ) = N
m 2 (v´s2t -v s2t ) = -T
m 2 (v´s2n -v s2n ) = -N
• Drallerhaltung:
I 1z (ω´1z - ω 1z ) = T n 1 - N t 1
I 2z (ω´2z - ω 2z ) = - T n 2 + N t 2
01.07.2003 6

• Berechnung:
Stoßmodell
Impulserhaltung und Drallerhaltung
'
VT
= VT
+ c1T
− c3N
'
= V − c T c N
VN N 3
+
2
2
1 1 n1
c
1
= + + +
m
m2
I1z
2
1 1 t1
c
2
= + + +
m
t1
m2
I1z
1n1
t
2n
2
c
3
= +
I I
1z
2z
n
I
t
I
2
2
2z 2
2
2z
'
V = V + cT −c N
T
T 1 3
01.07.2003 7

Stoßmodell
Impulserhaltung und Drallerhaltung
• Restitution - Stoßziffer:
ε =
S
=
+
• Vollverhakter Stoß:
V
V
N
T
S
S
=
=
S
=
• Abgleitkollision:
R
C
C
0
0
V
N
= 0
T = µ ⋅ N
S
R
S
C
⋅( 1+
ε)
01.07.2003 8

Stoßmodelle
I 2 '
I 1 '
V 1 '
I 1 ' max I 1 ' min e 1
V 4 ''
M 2 '
I 2 '
M 2 ''
I 2 ' min
I 2
S 1
V 1 ''
max
B
B 1
S 2
O
V 3 ''
''
B 3
B 2
V 2
4
M 1 ' M 1 '' I 1
V 4 ' A 4 A 3
V 3 '
V 2 '
A 1
A 2
e 2
01.07.2003 9

Stoßmodelle
01.07.2003 10

Maueranprall
ohne Abgleiten / Abgleitkollision
vk=50km/h
01.07.2003 11

EES Berechnung
• Gesamtdeformationsenergie ist Ergebnis
• Aufteilung auf die beteiligten Fahrzeuge
erforderlich
– Aufteilung über Stoßpunktslage
– Vorgabe eines EES Wertes
• Wichtigste Kontrollgröße der
Vorwärtsrechnung
• Alternative Bestimmungsmöglichkeiten:
– Schadensbilder/Vermessung erforderlich
– EES Katalog
– Crash 3 Modell
01.07.2003 12

EES / EBS
• EES: Energy Equivalent Speed
– Deformationsenergie wird in Geschwindigkeit
(kinetische Energie) umgerechnet
– Entspricht einem vollplastischen Barrierenanprall
– Elastischer Anteil wird berücksichtigt
W Def
=
m⋅WEES
Def
2
2
m⋅
EES
=
2
2
• EBS: Equivalent Barrier Speed
– Maueranprall bei dem die gleiche Deformation
auftritt
2
m⋅( ( 1−ε
) ⋅ EBS )
W Def
=
2
01.07.2003 13

EES Berechnung
′ ′
W = W + W −W
−W
= W + W
Def
1 2 1 2 Def Def
1
2
2
W Def
= F
1 1
⋅ s1
= c1
⋅ s1
W Def
= F2
⋅ s
2 2
= F1
⋅ s2
= c1
⋅ s1
⋅ s2
F
=
−
1
F 2
W
Def
1
W
=
s
Def
1
+
⋅
s
s
2
1
=
m
1
⋅
EES
2
2
1
01.07.2003 14

01.07.2003 15
2
2
1
1
2
1
1
1
EES
m
s
s
s
W
W
Def
Def
⋅
=
+
⋅
=
2
2
2
2
2
1
2
1
2
EES
m
s
s
s
W
W
W
W
Def
Def
Def
Def
⋅
=
+
⋅
=
−
=
( ) 1
2
1
1
1
2
m
s
s
s
W
EES
Def
⋅
+
⋅
⋅
=
( ) 2
2
1
2
2
2
m
s
s
s
W
EES
Def
⋅
+
⋅
⋅
=
EES Berechnung

EES Datenbank
01.07.2003 16

EES Datenbank
01.07.2003 17

EES Datenbank
01.07.2003 18

Eingabeparameter
• 2D und 3D Berechnung:
– Einlaufparameter (Geschwindigkeiten, Drall)
– Stoßkonstellation (relative Lage der Fahrzeuge)
– Stoßpunktslage x, y
– Orientierung der Berührebene (Phi)
– k-Faktor (Stossziffer ε)
• 3D Berechnung:
– Stoßpunktshöhe z
– Neigung der Berührebene (Psi)
01.07.2003 19

Crash 3 Berechnung
• Calspan (Mc Henry) ab 1970
• Verschieden Programme:
–Crash3
–EdCrash
–Slam
• In USA weit verbreitet
500
450
400
350
300
250
F [kN]
200
150
100
50
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0
-50
01.07.2003 20

Crash 3 Berechnung
F = A + BC
E = ∫∫ Fdcdl
F die Kollisionskraft/Überdeckungslänge [N/m]
A die minimale Kraft/Überdeckungsbreite [N/m]
B die lineare Federkonstante [N/m²]
C die bleibende Verformung [m]
01.07.2003 21

Crash3 Datenbanken
01.07.2003 22

Crash3 / Winkelberücksichtigung
Energy Correction Factor
ECF = (1 + tan²α)
(max ±45 Grad )
Modifizierte Korrektur
ECF = (1.0 + µ v
tan α)
(max ±60 Grad )
01.07.2003 23

Das Kraftstoßmodell in
PC-CRASH
(
⎛
⎜
⎝
x ⎞
⎟
a ⎠
n
+
⎛
⎜
⎝
y ⎞
⎟
b ⎠
n
+
⎛
⎜
⎝
z ⎞
⎟
c ⎠
n
= 1
01.07.2003 24

Das Kraftstoßmodell in
PC-CRASH
• Kontaktkraft ergibt sich aus der Überdeckung
(Deformation) der Fahrzeuge
• Vorgabe von Struktursteifigkeiten erforderlich
• Stoßvorgang wird zeitlich aufgelöst betrachtet
(
• Unterscheidung zwischen Kompressions- und
Restitutionsphase
• Abgleitvorgänge werden automatisch
berücksichtigt
• Fahrzeuggeometrie wird berücksichtigt
• externe Kräfte während des Stoßes werden
berücksichtigt
01.07.2003 25

Ellipsoid-Ellipsoid Kontakt:
Kontaktmodelle
n ϖ 2
λ 2
λ 1
P 2
λ P1
n ϖ
1
1 2
P c
Abgleitkollision
µ = c
( µ )
min µ
1 ,
2
ϖ
F
ϖ
F
ϖ
= F ⋅ µ ⋅
ϖ
= F ⋅ µ ⋅
verhakte Kollision
ϖ ϖ
n 1 − n 2
=
ϖ ϖ
F n 1 = − Fn
2
ϖ ϖ
F n 1
= −λ1
⋅ S1
⋅ n1
ϖ
ϖ
F n 2
= −λ2
⋅ S
2
⋅ n2
ϖ
v
ϖ
v
ϖ
− v
ϖ
− v
t1 n1
c Pc2
Pc1
t 2 n2
c Pc1
Pc2
01.07.2003 26

Kontaktmodelle
Kompression:
ϖ
F
napproaching
= λ ⋅
S
Expansion:
ϖ
F
nseparating
= ε ⋅ λ ⋅
S
EES:
E
E
Def
= Fndλn
∫
∫
µ
= µ F n
d
t
λ
01.07.2003 27

Darstellung PKW
01.07.2003 28

Ergebnisse
Heckanprall k=1, vk=20 km/h
01.07.2003 29

Ergebnisse
Heckanprall k=1 , vk=20 km/h
01.07.2003 30

Ergebnisse
Heckanprall k=0 , vk=20 km/h
01.07.2003 31

Ergebnisse
Heckanprall k=0 , vk=20 km/h
01.07.2003 32

Ergebnisse
Heckanprall k=0.1, vk=20 km/h, unterschiedliche Steifigkeiten
01.07.2003 33

Ergebnisse
Heckanprall k=0.1, vk=20 km/h, unterschiedliche Steifigkeiten
01.07.2003 34

Ergebnisse
Heckanprall k=0, k=1, k=0.1
01.07.2003 35

Eingabewerte Kraftstoßmodell
• Oberflächenreibung
• Struktursteifigkeit
• Fahrzeuggeometrie
• Stoßpunkte werden automatisch
berechnet
• EES Aufteilung über Steifigkeitsparameter
• Schwerpunktshöhen müssen vorgegeben
werden (Stoßberechnung immer 3D)
01.07.2003 36

Bestimmung von Kraft/Weg
Kennlinien
• konventionelle Crashtests:
– Anprall gegen starre Barriere
– „Aufwendige“ Versuche
– nur Fahrzeug nimmt Deformationsenergie auf
– Messung der Fahrzeugbeschleunigungen
– Berechnung der Kraft/Weg Kennlinie
– Versuchsdurchführung für Front/Heck einfach
– Versuchsdurchführung für beliebige Anprallwinkel
schwierig
– Fahrzeug muß rollfähig sein
– mehrere Versuche mit einem Fahrzeug meist nicht
möglich
01.07.2003 37

Bestimmung von Kraft/Weg
Kennlinien
• Crash Inversion:
– Anprall einer „unendlich“ schweren starren Barriere
– nur Fahrzeug nimmt Deformationsenergie auf
– Messung der Fahrzeugbeschleunigungen
– Berechnung der Kraft/Weg Kennlinie
– Versuchsdurchführung für beliebige Anprallwinkel
möglich
– geringe Anforderungen an Versuchsfahrzeug
– Versuchfahrzeug kann mehrfach verwendet werden
– Parametervariation einfach möglich
– Versuchsaufbau ist einfach
01.07.2003 38

Crash Inversion
01.07.2003 39

Crash Inversion
vk=25 km/h
01.07.2003 40

Kraft/Weg Kennlinien
• Bestimmung über Versuche
• Erstellung einer Steifigkeitsdatenbank
• NHTSA Datenbank (2600 Tests)
– 1600 Frontalkollisionen
– 600 90-Grad Kollisionen
– 200 Heck Kollisionen
• Diverse Versuche
– Dekra, DSD, EVU, Euro NCAP
01.07.2003 41

Versuchsdaten
Beschleunigungen – BMW 325 1990, 1995, 2002, 56.5
km/h
10
0
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
-10
Acceleration [g]
-20
-30
-40
-50
-60
Time [s]
floorpan right rear seat right rear sill right rear
01.07.2003 42

Versuchsdaten
Kraft / Weg Kennlinien
900
800
700
600
500
Force [kN]
400
300
200
100
0
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7
-100
Deformation [m]
F 1453 - 325 1990 E30 [kN] F 2250 - 325 1995 E36 [kN] F 4248 - 325 2002 E46 [kN]
01.07.2003 43

Versuchsdaten
Kraft / Weg Kennlinien – Renault R5 vk 25 km/h
200
150
100
Force [kN]
50
0
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
-50
-100
Deformation [m]
F front [kN] F side [kN] F rear [kN]
01.07.2003 44

PC-CRASH Ergebniss Nr.1
01.07.2003 nach Dr..-Ing. Vlastik Rabek (CZ) 45

PC-CRASH Ergebniss Nr.2
01.07.2003 nach Dr..-Ing. Vlastik Rabek (CZ) 46

PC-CRASH
01.07.2003 nach Dr..-Ing. Vlastik Rabek (CZ) 47

PC-CRASH
01.07.2003 48