Pregled elementov za čelni trk pri tlačni obremenitvi

V tem poglavju bodo prikazani različni tipi konstrukcij, ki se uporabljajo kot element porušitve pri tlačni obremenitvi. Hkrati bom tudi prikazal način porušitve in kako prihaja do absorbcije
energije.
Celotno poglavje se naslanja predvsem na [1] in na ostalo literaturo, ki pa bo citiriana sproti.

Oblika elementa

Poznamo veliko oblik primernih kot elementi varnosti v primeru čelnega trka. V splošnem pa bi lahko rekli, da so vse oblike zmožne absorbcije energije, toda nekatere oblike lahko znatno
boljše absorbirajo energijo kot ostale. V sledečih podpoglavjih bodo prikazani najbolj znane oblike elementov, ki služijo za varnost pri čelnem trku.

Valji

Tankostenski valji oz. cevi so najbolj znana in največkrat uporabljena oblika za absorbiranje energije pri trku. Za obliko valja je tukaj mišljen krožen tankostenski profil.
Absorbcijo energije je možno izvesti na več načinov in sicer preko:

Vsak od teh načinov bo bolj podrobneje prikazan v naslednjih podpoglavjih.

Inverzija cevi

Ta oblika absorbcije energije je zelo zanimiva, ker se cev (konstantnega prereza) začne obračati navznoter ali navzven in je narejena iz duktilnega materiala. Prednost take konstrukcije je v tem, da dosežemo čez celoten proces porušitve konstantno obremenitev, ki deluje na cev. Omejitev konstrukcije je predvsem v polmeru matrice b, slika 1, če je polmer matrice majhen, pride do željenega načina, če pa je polmer matrice prevelik, pride do razcepitve cevi. Na sliki 2 je prikazan primer zunanje inverzije cevi.
Slika 1: Prerez konstrukcije za inverzijo cevi; po [3]
Slika 2:Prikaz inverzije cevi; po [3]

 

Prvo tako konstrukcijo je uporabil General Motors leta 1969; uvedla pa jo je skupina pod vodstvom Al-Hassani, [3].
Velja še omeniti raziskovalca Chirwa, [4], ki je raziskoval vpliv stoščaste oblike cevi na absorbcijo energije v primeru inverzije cevi. Njegovi testi so dokazali do 50 % večjo absorbcijo energije kot v primeru, če je cev konstantnega prereza
čez celotno dolžino elementa.

Razcepitev cevi

Razcepitev cevi pride v primeru, če je polmer matrice dovolj velik, podpoglavje Inverzija cevi, nad matrico imamo na določeni višini dodano še ploščo, ki zaustavi inverzijo po višini.
Primera razcepitve cevi sta prikazan na sliki 3.
Slika 3: Dva primera razcepitve cevi; po [5]

 

V letu 1972 sta Ezra in Fay, [6], indetificirala proces nastanka razcepitve pri tlačnem obremenjevanju. Pokazala sta, da je tudi ta način dober za absorbcijo energije pri trku. Do podobnih zaključkov so prišli tudi kasnejši raziskovalci (npr.: Reddy, Reid, Atkins ...).

Bočna zareza

V tem primeru obremenjujemo cev po dolžini in ne na čelni površini, kakor je bilo do sedaj vedno prikazano. Tipičen primer takšne obremenitve je avtomobilski odbijač. Prve študije, [7], so pokazale, da je proces porušitve sledeč: prvo pride do zareze oz. gube na cevi, slika 4, nato nastane zraven prve gube še upogibni moment, slika 5 in na koncu pride do porušitve, slika 6. Prikazani matematični model se zelo dobro ujema z eksperimentalno dobljenimi podatki.
Slika 4: Nastanek gube; po [8]
Slika 5: Guba in upogibni moment; po [8]
Slika 6: Porušitev konstrukcije; po [8]


Sploščitev cevi

V bistvu je to izboljšana različica prejšnjega primera. V tem primeru se cev “splošči” pod vplivom dveh togih teles. Deruntz in Hodge sta prva naredila tako analizo (poenostavljeno elasto-plastično analizo) in sicer leta 1963, [9]. Kasnejše raziskave, [10], so pokazale, da če togo vpnemo cev na treh straneh, se deformacijska energija poveča za približno trikrat.

Osna porušitev cevi

Cev okroglega preseka, ki je tlačno obremenjena, je eden najboljših varnostnih elementov z vidika energijske absorbcije. Ta razlog nam lahko pojasni, zakaj se (je) tak tip konstrukcije največkrat uporablja(l) v avtomobilski industriji, [11].
Prednosti cevi okroglega preseka sta predvsem v zmožnosti nastanka konstantne sile pri deformaciji in visoke stopnje absorbcije energije. Za primer visoke stopnje absorbcije naj omenim, da je pri takem načinu porušitve absorbcija desetkrat večja kot v primeru sploščitve cevi, [12]. Hkrati je okrogla cev, ki je obremenjena tlačno, lahko plastificirana po celotni dolžini, tako lahko dejansko izrabimo celoten material, ki je na razpolago.

Projektna skupina pod vodstvom Andrewsa, [22], je v primeru kvazi-statične obremenitve razdelila proces porušitve okrogle cevi v sedem različnih kategorij. Razdelitev je bila opravljena glede na opazke, ki so slonele na eksperimentalnem preizkusu:

Preko eksperimentov je ta projektna skupina dokazala, da se v primeru debelejših cevi (razmerje med premerom in debelino stene D/t=80-90) razvije harmonična oblika deformacije, ki je simetrična. V primeru tanke okrogle cevi, večje razmerje D/t, pa se razvije t.i. diamantna oblika deformacije, ki je asimetrična. Glede oblike je zaželjeno imeti zaporedno harmoniko, ker absorbira več energije kot diamantna oblika, [22].

Prisekani stožec

Uporaba prisekanega stožca je tudi dokaj razširjena, ker se v primeru tlačnega obremenjevanja zelo stabilno plastificira.
Prva, ki sta raziskovala plastifikacijo prisekanega stožca, sta bila Postlethwaite in Mills. Toda resnično uporabne raziskave so bile narejen šele trinajst let kasneje. Mamalis in Johnson sta eksperimentalno preverjala, kako se deformira prisekani stožec. Opazila sta, da:

Opazovanje sta omejila na aluminijaste prirezane stožce pri nizki hitrosti. Skupina pod vodstvom Mammalisa pa je raziskovala primer jekla z nizko vsebnostjo ogljika in pri velikih deformacijskih hitrosti (2.5 m/min). Opazili so, da začetna simetričnost gubanja prehaja v asimetrično obliko (diamantna oblika plastifikacije) in da se število gub pri taki plastifikaciji povečuje z večanjem razmerja med imenskim premerom in debelino stene. Med 1983 in 1989 je ta skupina še dodatno raziskovala to področje in je proti koncu zgradila matematični model tudi za material PVC in za material, sestavljen iz slojev. V tem obdobju so tudi raziskovali primer škatlastega prereza (do sedaj so raziskovali predvsem krožne preseke).
V letu 1991 je Alghmadi, [2], uvedel dva nova principa deformacije prisekanega stožca. Prvi način je neposredna inverzija stožca, slika 7, druga pa je zunanja sploščitev stožca.
Slika 7: Direktna inverzija stožca; po [2],

 

Škatlasti prerez

Porušitev škatlastega prereza sta prva študirala Wierzbicki in Abramowicz leta 1983, [13]. Za izpeljavo povprečne porušitvene sile sta izhajala preko izbočitve posamezne plošče škatlastega prereza. Njun pristop je bil v tistem času pionirski, kar se opazi predvsem v tem, da so tak pristop reševanja uporabili za izpeljavo tudi drugih tipov prereza.
Škatlasti prerez se lahko poruši simetrično t.i. “harmonika”, slika 8, ali pa asimetrično t.i. “diamantna” oblika, slika 9. Glede oblike porušitve je razvoj med drugim potekal tudi v drugi smeri in sicer glede razcepitve (notranje ali zunanje) škatlastega prereza. To področje je raziskovala skupina pod vodstvom Stronge. Oblike razcepitve škatlastega prereza so podobne tistim, ki jih zasledimo pri krožnem preseku, podpoglavje Razcepitev cev.
Slika 8: Simetrična porušitev škatlastega prereza; po [12]
Slika 9: Asimetrična porušitev škatlastega prereza; po [12]

 

Več-celični škatlasti prerezi

Z izrazom več-celični škatlasti prerezi je mišljeno predvsem to, da škatlast prerez “razdelimo” na več škatlastih prerezov. Na slikah od 10 do 12 so prikazani primeri za enojen oz. osnoven škatlasti prerez, slika 10, za dvo-celični škatlasti profil, slika 11, in tro-celični škatlasti profil, slika 12.
V primerjavi z enocelično škatlasto strukturo se pri višjih hitrosti izkaže, da so dvo-celične in tro-celične strukture boljše le za 15% od eno-celične škatlaste strukture (v smislu absorbcije energije). Nadalje se je izkazalo, da bistvenih razlik med dvo-celično in tro-celično škatlasto strukturo ne obstaja. Pri nizkih hitrostih so se vsi trije primeri izkazali za zelo podobne, ni bilo bistvenih odstopanj v smislu zmnožnosti absorbcije energije, po [14].
Slika 10: Eno-celičen škatlasti prerez; po [14]
Slika 11: Dvo-celičen škatlasti prerez; po [14]
Slika 12: Dvo-celičen škatlasti prerez; po [14]

 

Sestavljene konstrukcije

V tem primeru nimamo (v osnovi) samo enega elementa, temveč sestavljeno konstrukcijo. Taka palična konstrukcija je sestavljena iz več elementov, ki je na enem mestu bodisi prepognjena ali pa ima neko začetno ukrivljenost. Slaba stran take konstrukcije je predvsem v tem, da se naredi samo en plastični členek (oz. tečaj) in se plastifikacija razvija samo okrog njega. Tako imamo v praksi dosti manjšo absorbcijo energije kot npr. v cevi krožnega preseka. Regulacijo velikosti absorbcije energije pa se vrši preko velikosti ukrivljenosti.
V zadnjem času je skupina pod vodstvom Drazetica, [15], analizirala primer samo enega elementa, ki je upognjen na enem mestu. Tukaj velja omeniti še Kima in Wierzbickega, ki sta analizirala element z začetno ukrivljenostjo, slika 13 in [16].
Slika 13: Model, uporabljen za analizo z MKE; po [16]

 

Analizirala sta tudi vpliv postavitve prečne ojačitve, orijentacije preseka in vpliv polnitve nosilca z umetno maso, podpoglavje Polnitev elementov z umetno maso. Njuna študija je pokazala, da se da s pravilno izbiro orijentacije preseka, prečne ojačitve in zapolnitve nosilca z umetno maso pridobiti tudi do 203% boljše rezultate kot brez zapolnitve nosilca ali brez prečne ojačitve.

“Sendvič” plošča

Pod to obliko elementa je mišljena predvsem struktura, ki je sestavljena iz osnovnega materiala (ang.: “core”), na katerem sta na vsaki strani zalepljena še vsaj po en sloj (ang.: “skin”). Ker v osnovi lahko skupaj zalepimo skoraj poljubne materiale, dobimo tako zelo različne lastnosti elementov. Za absorbcijo trka so taki elementi šele v fazi razvoja in zaenkrat v proizvodnji še ni vozila, ki bi uporabljal tak sistem.
Za raziskave takega tipa elementa se je v zadnjem času odločilo veliko število raziskovalcev. Na tem mestu bom omenil le nekaj takih raziskav. Med prvimi, ki so raziskali to področje sta bila Gilkie in Sundararaj leta 1971, [17]. Raziskovala sta vpliv debeline prvega in zadnjega sloja, debelino osnovnega materiala ter vpliv vpetosti v konstrukcijo. Opazila sta, da tako sestavljena konstrukcija dosti bolj absorbira energijo trka kot posamezni elementi. Njuni rezultati so zanimivi tudi zaradi tega, ker sta dokazala, da je zmožnost absorbcije prvega sloja neodvisna od jedra oz. osnovnega materiala sendvič konstrukcije. To je zelo pomembno, ker je pri trku absorbcija energije odvisna od prvega sloja.
Nadaljnje raziskave ostalih skupin so pokazale, da pri trkih pri nizkih hitrostih ne nastanejo vidne poškodbe, toda se v sendvič konstrukciji nastanejo mikrorazpoke, ki potem vodijo do porušitve. Tako so podali domnevo, da se za konstruiranje uporabi lomna mehanika.
Wray, [18], je raziskoval različne načine porušitve sestavljenih sendvič konstrukcij. Pri kvazi-statičnem obremenjevanju konstrukcije je opazil, da obstajajo trije načini porušitve te konstrukcije in sicer: pri vnosu točkovne sile (ali površinske obremenitve) se na tem mestu pojavi razpoka, osnovni material se poruši zaradi vpliva striga, zadnji način porušitve pa je tlačna porušitev prvega sloja. Pri porušitvi osnovnega materiala je bilo v nekaterih primerih opaziti tudi razslojevanje osnovnega materiala v točkah spoja s prilepljenim slojem. Njegovi zaključki raziskave so pokazali, da za primere, kjer imamo tanke prve sloje in debel osnovni material (debelina prvega sloja 0.67 mm; debelina osnovnega materiala 19.6 mm) pride do porušitve zaradi razpok v prvem sloju. V sendvič strukturah, kjer imamo pa velik razmak med sloji (430 mm) pa pride do porušitve predvsem zaradi tlačnega delovanja obremenitve, četudi je prvi sloj tanek (debelina prvega sloja 0.67 mm).

Satovje

Posebna oblika sendvič konstrukcije predstavlja satovje. Prvi, ki je kvalitetno opisal, kaj se dogaja pri trku s tem elementom, je bil Wierzbicki, [19]. Za dani element je na podlagi kvazi-statičnega načina obremenjevanja izpeljal povprečno silo, ki jo lahko element zdrži v primeru trka.

Polnitev elementov z umetno maso

V zadnjih letih se je povečalo zanimanje za uporabo umetnih mas in njim podobnih materialov kot polnilo že znanim oblikam elementov za čelni trk. Kot (zaenkrat) najbolj obetavna se je izkazala aluminijeva pena zaradi svojih specifičnih lastnosti. Te pa so: dobre mehanske lastnosti, specifična gostota materiala (je nizka) in pa predvsem zadnje tehnološke izboljšave, ki so sam proces pridobivanja aluminijevih pen pocenila in pospešila.
Tipična krivulja napetosti in deformacije za aluminijevo peno v primeru tlačnega obremenjevanja je razdeljena na tri področja. V prvem področju imamo linearno elastičnost pri majhnih deformacijah, nato sledi drugo področje, kjer imamo pri večanju deformacije konstantno napetost. V tretjem področju se nam pri velikih deformacijah znatno poveča gostota aluminijeve pene. Ta lastnost pa je idealna za absorbcijo trka, po [14].
Veliko število raziskovalcev je študiralo vpliv, ki jo ima aluminijeva pena na absorbcijo energije, ko je uporabljena kot polnitev nosilcem. Vse te raziskave pa so vodile do enakega zaključka: s polnitvijo aluminijevih pen pridobimo zelo veliko na absorbciji energije. Razlog je v interakciji med debelino stene in peno, ki spremeni obliko lokalnega izbočenja same stene. Posledica tega pa je, da imamo več gub, ki so krajše kot v primeru brez polnitve, [14]. Vse to pa je z eksperimenti dokazala tudi skupina pod vodstvom Seitzberger-ja, [20] in [21].
Na kratko lahko zaključim, da je bolj smotrno uporabiti aluminijevo peno kot polnilo kot pa debeliti steno nosilca.