Author(s) Klas Engstrand Doc. no. Revision Project no. 110131 2 E11013 Approved by Release date Pages Dr. Jimmy Forsberg 2011-09-26 25 Type Technical Report Prepared for Hans Folkesson, Clean Motion AB Title Simuleringsbaserad utvärdering av krockprestanda för ett trehjuligt lättviktsfordon med sandwichstruktur Innehåll 1 Introduktion... 2 2 Programvara... 2 3 FE-modellen... 2 3.1 CAD-underlag... 2 3.2 Sandwichstrukturen... 4 3.3 Övriga delar av fordonet... 4 4 Krockfall... 6 5 Några konstruktionsdetaljer... 6 5.1 Fördelning av glasfiberkomposit... 6 5.2 Golvets design... 8 6 Resultat... 9 6.1 Frontalkrock i 25 km/h... 9 6.2 Frontalkrock i 30 km/h... 9 6.3 Takintryckning... 9 7 Diskussion... 10 7.1 Krockprestanda... 10 7.2 Förbättringar av konstruktion... 10 7.3 Noggrannhet hos resultaten... 10 8 Referenser... 12 9 Appendix A: Utförda simuleringar... 13 9.1 Prototype 1A... 13 9.2 Generation 2... 13 10 Appendix B: Simulering av frontalkrock i 25 km/h... 14 DYNAmore Nordic AB Brigadgatan 14 SE-587 58 LINKÖPING Sweden Org. no. 556819-8997 EC VAT: SE556819899701 Phone: +46 (0)13 236680 Fax: +46 (0)13 214104 E-mail: info@dynamore.se Web: www.dynamore.se
E11013 2011-09-26 110131 2 of 25 11 Appendix C: Simulering av frontalkrock i 30 km/h... 19 12 Appendix D: Simulering av takintryckning... 24 1 Introduktion Clean Motion AB driver ett projekt med ekonomiskt stöd från Trafikverkets skyltfond där syftet är att utveckla ett trehjuligt eldrivet lättviktsfordon i L2E-klassen (max 45 km/h). Den lätta konstruktionen realiseras genom att använda en sandwichstruktur med ett ytskikt i glasfiberkomposit och en kärna av PVC-skum. I projektet ingår Swerea- SICOMP och DYNAmore Nordic AB som partners. DYNAmore Nordic AB har som uppgift i detta projekt att utföra den simuleringsbaserade utvärderingen av fordonets krockprestanda [7]. Utvärderingen är i detta projekt begränsad till frontstrukturen. Uppgiften inbegriper att utveckla en FE-modell (finita element) av fordonet samt att utföra analyserna. Utöver huvuduppgiften, dvs. krockanalysen, så genomförs även en takintryckningsanalys baserat på FMVSS 216 Roof crush resistance. Analyserna utförs med FE-programmet LS-DYNA [1]. I detta projekt har över 50 simuleringar utförts, se Appendix A. Simuleringsresultaten har verkat som stöd vid optimering av fordonets krockegenskaper. Denna rapport behandlar kortfattat metodiken bakom FE-modellen samt resultaten från simuleringarna av den slutgiltiga konstruktionen. 2 Programvara FE-modellen av fordonet har utvecklats (pre-processing) med hjälp av programvarorna ANSA [2] och LS-PrePost [3]. LS-PrePost har använts vid utvärdering av simuleringsresultaten (post-processing). Simuleringarna har utförts med FE-programmet LS-DYNA [1]. En typisk frontalkrockanalys i detta projekt (100 millisekunder av krocken simuleras) tar 4-5 timmar att utföra på en beräkningsserver med 16 moderna CPU-kärnor. 3 FE-modellen 3.1 CAD-underlag FE-modellen av fordonet har utvecklats baserat på CAD-underlag från Clean Motion AB. CAD-underlaget har av naturliga skäl i detta projekt inte varit detaljerat i alla dess delar då själva syftet med analyserna är att verka som stöd vid konstruktion av fordonets frontstruktur. I en utvecklingsfas på konceptnivå, som denna, är en lösare hållning rörande CAD-underlag ofta väldigt effektiv då idéer snabbt kan realiseras
E11013 2011-09-26 110131 3 of 25 i modellen och testas. Dåliga konstruktionsidéer kan då avfärdas direkt utan att det läggs ned för mycket tid och resurser på dem. I projektet har två huvudkoncept analyserats: först Prototype 1A [4] och därefter Generation 2 [5]. Konstruktionsvarianten Prototype 1A, se Figur 1, övergavs relativt tidigt i projektet och kommer därför inte att behandlas i denna rapport. Dock skall påpekas att de analyser som utfördes med Prototype 1A, se Appendix A, har varit ett stöd i designfasen av Generation 2, se Figur 2. Dessutom, vid framtagandet av FE-modellen Prototype 1A så utvecklades en robust simuleringsteknik som sedan har används under resten av projektet. Denna rapport behandlar analys av Generation 2. Figur 1: Prototype 1A. Figur 2: Generation 2.
E11013 2011-09-26 110131 4 of 25 3.2 Sandwichstrukturen Fordonet är byggt med en sandwichstruktur som är uppdelad i tre paneler: tak, front och golv, se Figur 3. Sandwichpanelerna består av kärna och ytskikt där kärnan är Divinylcell H60 och ytskiktet glasfiberväv (ett eller flera lager) med polyestermatris, fiberorientering ±45º. Kärnan är modellerad med solidelement och ytskiktet med skalelement definierade med PART_COMPOSITE. Materialmodell MAT63, dvs. MAT_CRUSHABLE_FOAM, har används för kärnan och MAT58, dvs. MAT_LAMINATED_COMPOSITE_FABRIC har används för ytskiktet. Materialkort för sandwichpanelerna kommer från Swerea SICOMP [6], vilka bestämt materialparametrarna mha fysisk provning. Sandwichpanelerna är i modellen sammanfogade med tiedkontakt eller gemensamma noder. Figur 3: Sandwichpaneler markerade i rött, grönt och gult. 3.3 Övriga delar av fordonet Den främre delen av fordonet inklusive hjulupphängningen och infästningar är detaljerat modellerade vilket är viktigt för att få rätt dynamik i simulering av frontalkrocken. Exempelvis är däcket trycksatt, hjulet kan rotera, hjulupphängningen är försedd med fjäder och dämpare samt så finns det styrfunktion i styret, se Figur 4. Framrutan är i modellen fastlimmad mot ramen uppe och nere samt mot de inre A-stolparna, se svart markering i Figur 5. I modellen antas limmet hålla i krocken. Det är möjligt att framrutan i verkligheten även kommer att sitta fastlimmad mot de yttre A-stolparna. I modellen gjordes dock bedömningen att det är konservativt att anta att det limmet kanske inte håller i en krock. Därför är framrutan, i modellen, inte fastlimmad mot de yttre A-stolparna. Delarna längre bak i fordonet samt stolen är förenklade i modellen och antas stela (odeformerbara), se röd och grön markering i Figur 6. Stolsryggen är fast inspänd i taket. I denna rapport är uppgiften begränsad till frontstrukturen och utvärdering av dess egenskaper vid frontalkrock vilket motiverar gjorda modellförenklingar.
E11013 2011-09-26 110131 5 of 25 Figur 4: Hjulupphängningen. Figur 5: Framrutan.
E11013 2011-09-26 110131 6 of 25 4 Krockfall Krockfallet som har studerats är frontalkrock mot stel vägg i 25 km/h respektive 30 km/h, se Figur 6. Valet av krockhastigheter är dels baserade på US-normer och dels på data från en svensk doktorsavhandling, se vidare lastfall [7]. Dimensionerande hastighet är 25 km/h och huvuddelen av simuleringarna är körda i denna hastighet. För att förstå strukturens svaga punkter genomfördes några simuleringar i 30 km/h. Den stela bakre delen av fordonet, markerad röd i Figur 6, är begränsad till att endast tillåtas röra sig i global x-riktning. Övriga translationsriktningar och samtliga rotationsriktningar är låsta. Krocken är i den meningen begränsad till endast en frihetsgrad, dvs. global x- riktning. Figur 6: Frontalkrock. 5 Några konstruktionsdetaljer 5.1 Fördelning av glasfiberkomposit Ramen runt framrutan med A-stolparna skall vara stark och kräver mycket glasfiberkomposit. Detsamma gäller golvet och vidare upp på frontens sidor. Frontens mittparti skall vara vekare och kunna deformeras i krocken för att hålla nere accelerationsnivåerna. Se Tabell 1 för de olika områdenas fördelning av glasfiberkomposit. Tabell 1: Fördelning av glasfiberkomposit Område Lager Ram runt framruta, se Figur 7 3 lager: 0.65 mm, 0.65 mm, 0.45 mm* Golv och front, se Figur 8 2 lager: 0.65 mm, 0.65 mm Front och tak, se Figur 9 1 lager: 0.45 mm *0.45 mm respektive 0.65 mm lagertjocklek motsvarar 300 g/m 2 respektive 450 g/m 2 glasfibermatta.
E11013 2011-09-26 110131 7 of 25 Figur 7: Glasfiberkomposit med lager 0.65 mm, 0.65 mm, 0.45 mm. Figur 8: Glasfiberkomposit med lager 0.65 mm, 0.65 mm. Figur 9: Glasfiberkomposit med lager 0.45 mm.
E11013 2011-09-26 110131 8 of 25 5.2 Golvets design Hjulets rörelse i frontalkrocken var i den inledande konstruktionen begränsad till ca 0.08 m i längsled. Därefter så slår hjulet i hjulhusets bakkant. När detta sker så blir responsen stum. I princip så måste fälgen därefter knäckas för att tillåta ytterligare deformation. Den stumma responsen ger en förhöjd accelerationsnivå i krocken. Inför de avslutande simuleringarna så gjordes därför en modellmässig förändring i golvet, se Figur 10. En fiktiv, kontaktmässig, öppning gjordes i golvet, vilket ger hjulet ca 0.08 m ytterligare utrymme i hjulhuset, se gul pil i Figur 10. Mer deformation kan då tas i kåpan vilket ger en sänkt accelerationsnivå. Simuleringarna har visat på att det kan bildas en plastisk flytled tvärs över golvet, se röd pil i Figur 10. För att inte försvaga området för flytleden genom att göra en verklig öppning i golvet, gjordes öppningen fiktivt. Tvärtom är det önskvärt att förstärka detta snitt genom att tex. låta det befintliga hjulhuset fortsätta in längre bak över den fiktiva öppningen. Den designmässiga lösningen på detta finns inte i skrivandets stund. Öppningen i golvet ger större utrymme för hjulet Plastisk flytled Figur 10: Golvets design.
E11013 2011-09-26 110131 9 of 25 6 Resultat I utvärderingen mäts fordonets rörelse och acceleration i en givare som sitter fast i den stela bakre delen av fordonet. Givaren ger endast utslag i global x-riktning, dvs. i fordonets längsriktning, eftersom övriga frihetsgrader är låsta för den bakre delen av fordonet. 6.1 Frontalkrock i 25 km/h Bilder från simuleringen med diagram över förskjutning och acceleration i fordonet finns i Appendix B. Figur 23 visar fordonets rörelse som funktion av tiden i krocken. Stoppsträckan för fordonet är 0.23 m. Frontkåpan träffar barriären först efter 12 ms när fordonet rört sig 0.08 m. Detta innebär att längden på deformationszonen är 0.15 m. Maximal acceleration är 32 G, se Figur 24. I simuleringen så knäcker de båda innersta A-stolparna längst ner där de fäster in i frontkåpan, se Figur 18. Under krocken så minskar fotutrymmet något för att sedan flexa tillbaka, se Figur 21. Fotutrymmet är i det närmaste intakt efter krock, se Figur 22. 6.2 Frontalkrock i 30 km/h Bilder från simuleringen med diagram över förskjutning och acceleration i fordonet finns i Appendix C. Figur 36 visar fordonets rörelse som funktion av tiden. Stoppsträckan för fordonet är 0.29 m. Frontkåpan träffar barriären efter 10 ms när fordonet rört sig 0.08 m. Längden på deformationszonen är följaktligen 0.21 m. Maximal acceleration är 39 G, se Figur 24. Vid krocken bildas en plastisk led, gångjärn, se Figur 10 och Figur 33, och både de yttre och de inre A-stolparna knäcker, se Figur 31. Under krocken så minskar fotutrymmet (se Figur 34 & Figur 35). 6.3 Takintryckning Modellen är främst utvecklad för simulering av frontalkrock, men det har funnits önskemål att utnyttja modellen även för utvärdering av takintryckning. Det är främst två förenklingar i modellen som försvårar en noggrann takintryckningsanalys, se Figur 6. Modellen har en stel stol som är infäst i taket. Taket blir därför alldeles för styvt i simuleringen. Inför takintryckningsanalysen så gjorde därför en modellförändring, dvs. stolsryggen lösgjordes från taket. Det finns inte heller någon kontakt definierad mellan stolsrygg och tak. Denna modelländring är konservativ i en takintryckningsanalys. Den bakre delen av fordonet är odeformerbar, vilket styvar upp det partiet orealistiskt. Detta är ickekonservativt i en takintryckningsanalys. Takintryckningsanalysen genomfördes med ovan beskrivna modellförutsättningar. Analysen genomfördes enligt standarden FMVSS 216 Roof crush resistance : En vinklad platta 762 mm x 1829 mm trycks ner mot taket i närheten av A- stolpen. Den mothållande kraften måste överstiga en viss nivå före plattan förflyttats 127 mm. Bilder från simuleringen finns i
E11013 2011-09-26 110131 10 of 25 Appendix D. Figur 42 visar ett diagram över kraft som funktion av förskjutning i takintryckningsanalysen. Maximal kraft är ca 20 kn. För att uppfylla IIHS Top-SafetyPick award krävs att kraftnivån måste uppfylla 4 x körklar vikt * 9.81 = 4 x 150 x 9.81 = 5.9 kn. I simuleringen så uppfylls detta krav med råge. 7 Diskussion 7.1 Krockprestanda Simuleringsresultaten finns sammanfattade i Tabell 2. Fordonet klarar en frontkrock i 25 km/h i timmen bra. Vid högre hastigheter så blir det mer omfattande deformation av fordonet. A-stolparna knäcker och kåpan roterar bakåt kring det gångjärn som bildas i golvet vilket riskerar att påverka fotutrymmet negativt. Tabell 2: Simuleringsresultat Simulering Deformation Max. Fotutrymmet Acceleration Frontalkrock 25 km/h 0.15 m 32 G Mindre påverkan Frontalkrock 30 km/h 0.21 m 39 G Större påverkan Takintryckning Max. kraft 20 kn 7.2 Förbättringar av konstruktion För att klara högre krockhastigheter bättre så föreslås följande ändringar: 1. Genom att förlänga kåpan över hjulhuset bakåt så förstärks det snitt i golvet vid vilket gångjärnet uppstår. För att inte riskera förhöjda accelerationsnivåer på grund av förstärkningen så krävs kanske att frontpartiet mjukas upp ytterligare. 2. Ytterligare förstärkning av den ram, inkluderat A-stolparna, som framrutan är infäst i. Förstärkningen minskar risken för knäckning av A-stolparna. 3. Det blir stor deformation där hjulupphängningen fäster in i kåpan, se Figur 11. Genom att välja större brickor minskar risken för att infästningen kollapsar. 7.3 Noggrannhet hos resultaten Noggrannheten hos simuleringsresultaten är i dagsläget svårbedömda. Det aktuella fordonet har aldrig krockprovats fysiskt i någon variant. Detsamma gäller takintryckningen. Krockprovning av lättviktsfordon av aktuell typ, dvs. fordon byggda med sandwichstruktur, är inte vanligt förekommande. Det finns helt enkelt ingen bred erfarenhet att
E11013 2011-09-26 110131 11 of 25 stödja sig mot. Detsamma gäller motsvarande simuleringar. Detta projekt är den meningen något av ett pionjärprojekt. Den verifiering som gjorts i detta projekt gäller framtagning av indatakort för materialen (utförd av Swerea-SICOMP). Där skedde en viss verifiering av modelleringstekniken och materialmodellerna när materialparametrarna justerades mot gjorda fysiska komponentprov. Dock, mindre testmodeller kanske inte påvisar alla de deformationsmoder som uppstår vid simulering av en komplett frontalkrock. Figur 11: Hjulupphängningens infästning i kåpan.
E11013 2011-09-26 110131 12 of 25 8 Referenser [1] LS-DYNA Keyword User's Manual, version 971, Livermore Software Technology Corporation, Livermore, 2011. [2] ANSA v13.1.4, BETA CAE Systems SA, Thessaloniki. [3] LS-PrePost v3.2, http://www2.lstc.com/lspp, Livermore Software Technology Corporation, Livermore, 2011. [4] Zee-Bee_prototype_1A.igs, CAD-data från Clean Motion AB, 2011. [5] Clean Motion 110531.igs, CAD-data från Clean Motion AB, 2011. [6] S. Nilsson; M. Oldenbo, Sammanställning av materialdata för Clean Motion projektet, Swerea SICOMP, 2011. [7] H. Folkesson, Lastfall för Z-Bee l2e, 2011.
E11013 2011-09-26 110131 13 of 25 9 Appendix A: Utförda simuleringar I projektet har det utförts mer än 50 simuleringar, se 9.1 och 9.2. 9.1 Prototype 1A Simuleringar: 1 till 25: Simuleringar utförda för att utveckla själva simuleringsmetodiken. Simulering av krock mot fordon byggda med sandwichstruktur är inte standard och kräver metodutveckling. Simuleringarna gäller mindre testexempel samt hel fordonsmodell. 26 till 30: Simuleringar utförda för att studera effekten av vekare golvsektion fram, stolsryggens infästning i taket samt snedställt framhjul vid frontalkrock mot stel vägg. 9.2 Generation 2 Simuleringar: 31 till 45: Simuleringar utförda för att studera olika parametrars betydelse vid frontalkrock mot stel vägg, t ex. materialdata, stolsryggens infästning i taket, framrutans infästning i ramen, vekare framruta, hjulupphängningens funktion i krocken, vekare fälg, vekare kardantunnel, ökad krockhastighet och förstärkt hjulupphängningsinfästning. Sandwichstrukturens ytskikt var dock huvudparametern. Antal lager och tjocklekar på glasfiberkompositen varierades för att optimera fordonsstrukturens funktion i krocken. 46 till 50: Simuleringar med den slutgiltiga konstruktionen. Simuleringarna utfördes med två olika varianter på framrutans infästning, dvs. en variant med fullt infäst framruta samt en mer konservativ variant där rutan antas lossna längst ut på sidorna mot yttersta A-stolparna. Resultaten för den senare av dessa två varianter presenteras i denna rapport.
E11013 2011-09-26 110131 14 of 25 10 Appendix B: Simulering av frontalkrock i 25 km/h Figur 12: 0.00 s Figur 13: 0.02 s Figur 14: 0.04 s
E11013 2011-09-26 110131 15 of 25 Figur 15: 0.06 s Figur 16: 0.08 s Figur 17: 0.10 s
E11013 2011-09-26 110131 16 of 25 Figur 18: Vy framifrån vid max. deformation. Figur 19: Vy bakifrån vid max. deformation. Figur 20: Fotutrymmet vid max. deformation.
E11013 2011-09-26 110131 17 of 25 Figur 21: Fordonet vid max. deformation (genomskinligt grått) överlagrad på odeformerad struktur (gult). Figur 22: Fordonet vid 0.10 s (genomskinligt grått) överlagrad på odeformerad struktur (gult).
E11013 2011-09-26 110131 18 of 25 Figur 23: Fordonets förskjutning (mm) som funktion av tid. Figur 24: Fordonets acceleration (g) som funktion av tid.
E11013 2011-09-26 110131 19 of 25 11 Appendix C: Simulering av frontalkrock i 30 km/h Figur 25: 0.00 s Figur 26: 0.02 s Figur 27: 0.04 s
E11013 2011-09-26 110131 20 of 25 Figur 28: 0.06 s Figur 29: 0.08 s Figur 30: 0.10 s
E11013 2011-09-26 110131 21 of 25 Figur 31: Vy framifrån vid max. deformation. Figur 32: Vy bakifrån vid max. deformation. Figur 33: Fotutrymmet vid max. deformation.
E11013 2011-09-26 110131 22 of 25 Figur 34: Fordonet vid max. deformation (genomskinligt grått) överlagrad på odeformerad struktur (gult). Figur 35: Fordonet vid 0.10 s (genomskinligt grått) överlagrad på odeformerad struktur (gult).
E11013 2011-09-26 110131 23 of 25 Figur 36: Fordonets förskjutning (mm) som funktion av tid. Figur 37: Fordonets acceleration (g) som funktion av tid.
E11013 2011-09-26 110131 24 of 25 12 Appendix D: Simulering av takintryckning Figur 38: Simulering före genomförd takintryckning. Figur 39: Simulering efter genomförd takintryckning. Figur 40: Simulering efter genomförd takintryckning.
E11013 2011-09-26 110131 25 of 25 Figur 41: Simulering efter genomförd takintryckning. Figur 42: Kraft som funktion av förskjutning i takintryckningsanalysen.