Topological optimization of the load-bearing structure of the safety cage

Abstract

BACKGROUND: The conducted study of the stress-strain state of the safety cage developed in compliance with the requirements of the Russian Automotive Federation (RAF) showed that the structure does not meet the requirements of deformation after side impact. Therefore, the basic design demands additional study with the use of state-of-the-art approaches of development.

AIMS: This paper considers the issue of finding the optimal design of a racing car safety cage based on topological optimization in order to meet the rigidity requirements while minimizing the mass.

METHODS: To implement the topological optimization method, mathematical modeling was carried out using the Structural Optimization module of the Ansys software package. Tests regulated by the RAF were selected to test the effectiveness of the optimized design. To evaluate the results, a comparison of the results of test simulation before and after optimization was made.

RESULTS: The mass of the optimized design has decreased by 6% relative to the original. Rigidity of the structure with loading at main and front rollbars remained the same. Deformation of the optimized design with side loading of the main rollbar was reduced by 98%.

CONCLUSIONS: The results of modeling the tests regulated by the RAF showed that the design of the safety cage, developed on the basis of the material pseudo-density map obtained as a result of topological optimization, meets the requirements for permissible deformation. Further study of the stress-strain state of the safety cage should be carried out in conjunction with the finite element model of the vehicle to take into account the loads arising as a result of body deformation.

Keywords

safety cage / passive safety / topological optimization / deformation / tests / main rollbar / front rollbar

References

[1] Russian Automobile Federation. Safety equipment: appendix J. Moscow: RAF. 2014:253. (in Russ).

[2] Российская автомобильная федерация. Оборудование безопасности: приложение J. М.: РАФ. 2014. С. 253.

[3] Zhitelev DA, Pozdnyakov TD, Sulegin DA, et al. Investigation of the experimental and numerical behavior of thin-walled pipes under quasi-static loading conditions. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva. 2022;4(139):85-96. (in Russ). EDN: TVZSXR doi: 10.46960/1816-210X_2022_4_85

[4] Жителев Д.А., Поздняков Т.Д., Сулегин Д.А., и др. Исследование экспериментального и численного поведения тонкостенных труб при квазистатическом режиме нагружения // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2022. № 4(139). С. 85-96. EDN: TVZSXR doi:

[5] Sulegin DA, Zuzov VN. Topological optimization of the roof structure of a passenger car in order to increase energy intensity in a side impact. Izvestiya MGTU MAMI. 2021;15(1):81-88. doi: 10.31992/2074-0530-2021-47-1-81-88 (in Russ). EDN: UFBAPZ doi:

[6] 10.46960/1816-210X_2022_4_85

[7] 10.31992/2074-0530-2021-47-1-81-88

[8] Сулегин Д.А., Зузов В.Н. Топологическая оптимизация конструкции крыши легкового автомобиля с целью повышения энергоёмкости при боковом ударе // Известия МГТУ “МАМИ“. 2021. Т. 15, №1. C. 81-88. EDN: UFBAPZ doi: 10.31992/2074-0530-2021-47-1-81-88

[9] Goncharov RB, Zuzov VN. Features of the search for optimal parameters of the amplifiers of the rear part of the cab of a truck based on parametric and topological optimization in order to ensure the requirements for passive safety according to international rules and obtain its minimum mass. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva. 2019;2(125):163-170. (in Russ). EDN ZTSJEL doi:

[10] Гончаров Р.Б., Зузов В.Н. Особенности поиска оптимальных параметров усилителей задней части кабины грузового автомобиля на базе параметрической и топологической оптимизации с целью обеспечения требований по пассивной безопасности по международным правилам и получения ее минимальной массы // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2019. № 2(125). С. 163-170. EDN ZTSJEL doi: 10.46960/1816-210X_2019_2_163

[11] 10.46960/1816-210X_2019_2_163

[12] Гончаров Р.Б., Зузов В.Н. Топологическая оптимизация конструкции бампера автомобиля при ударном воздействии с позиций пассивной безопасности // Известия МГТУ “МАМИ“. 2018. Т. 12, №2. C. 2-9. EDN XUWXVB doi: 10.17816/2074-0530-66811

[13] Goncharov RB, Zuzov VN. Topological optimization of the automobile bumper design under impact from the passive safety standpoint. Izvestiya MGTU MAMI. 2018;12(2):2-9. (in Russ). EDN XUWXVB doi: 10.17816/2074-0530-66811

[14] Шабан Б.А., Зузов В.Н. Особенности моделирования каркасных элементов кузовов и кабин автомобилей при исследовании пассивной безопасности // Наука и образование. Электрон. журн. 2012. № 11. C. 81–104. doi: 10.7463/1112.0486675

[15] Shaban BA, Zuzov VN. Features of modeling frame elements of car bodies and cabins in the study of passive safety. Nauka i obrazovanie. Elektron. zhurn. 2012;11:81–104. (in Russ). doi: 10.7463/1112.0486675

[16] Шабан Б.А., Зузов В.Н. Анализ влияния конструктивных факторов кабины на пассивную безопасность грузовых автомобилей при ударе по передним стойкам // Наука и образование. Электрон. журн. 2013. № 11. C. 95–106. doi: 10.7463/1113.0636798

[17] Shaban BA, Zuzov VN. Analysis of the impact of cab design factors on the passive safety of trucks in case of impact on the front pillars. Nauka i obrazovanie. Elektron. zhurn. 2013. № 11. C. 95–106. (in Russ). doi: 10.7463/1113.0636798

[18] Шабан Б.А., Зузов В.Н. Анализ влияния конструктивных факторов на пассивную безопасность кабины грузового автомобиля при фронтальном ударе // Наука и образование. Электрон. журн. 2013. № 8. C. 91–108. doi: 10.7463/0813.0580257

[19] Shaban BA, Zuzov VN. Analysis of the Influence of Design Factors on the Passive Safety of a Truck Cabin in a Frontal Impact. Nauka i obrazovanie. Elektron. zhurn. 2013;8:91–108. (in Russ). doi: 10.7463/0813.0580257

[20] Гончаров Р.Б., Зузов В.Н. Проблемы поиска оптимальных конструктивных параметров бампера автомобиля при ударном воздействии с позиций пассивной безопасности // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2018. № 3 (122). С. 130–136.

[21] Goncharov RB, Zuzov VN. Problems of finding optimal design parameters of a car bumper under impact from the standpoint of passive safety. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva. 2018;3(122):130–136. (in Russ).

[22] Гончаров Р.Б., Зузов В.Н. Проблемы поиска оптимальных решений для обеспечения пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей при минимальной массе // Известия МГТУ “МАМИ“. 2018. Т. 12, №4. C. 92-102. doi: 10.17816/2074-0530-66869.

[23] Goncharov RB, Zuzov VN. Problems of finding the best solutions to ensure the passive safety of the cabins of trucks at a minimum weight. Izvestiya MGTU MAMI. 2018;12(4):92-102. (in Russ). doi: 10.17816/2074-0530-66869.

[24] Зузов В.Н., Сулегин Д.А. Исследование влияния на энергоёмкость основных силовых элементов кузова автомобиля в зоне бокового удара // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение. 2020. Т. 20, № 4. С. 20-34. EDN MJDFIQ doi: 10.14529/engin200403

[25] Zuzov VN, Sulegin DA. Study of the impact on the energy intensity of the main power elements of the car body in the side impact zone. Vestnik Yuzhno-Uralskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Mashinostroenie. 2020;20(4):20-34. (in Russ). EDN MJDFIQ doi:

[26] Сулегин Д.А., Зузов В.Н. Исследование влияния усиливающих элементов двери автомобиля на пассивную безопасность при боковом ударе // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2021. № 1(132). С. 86-97. EDN MPXGAF doi: 10.46960/1816-210X_2021_1_86

[27] 10.14529/engin200403

[28] Шабан Б.А., Зузов В.Н. Особенности построения конечно-элементных моделей кабин для исследования пассивной безопасности при ударе в соответствии с правилами ЕЭК ООН № 29 // Наука и образование. Электрон. журн. 2013. № 3. С. 129–156. doi: 10.7463/0313.0542301.

[29] Sulegin DA, Zuzov VN. Study of the effect of reinforcing elements of a car door on passive safety in a side impact. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva. 2021;1(132):86-97. (in Russ). EDN MPXGAF doi: 10.46960/1816-210X_2021_1_86

[30] Shaban BA, Zuzov VN. Features of building finite element models of cabins for the study of passive safety on impact in accordance with UNECE rules No. 29. Nauka i obrazovanie. Elektron. zhurn. 2013. № 3. С. 129–156. (in Russ). doi: 10.7463/0313.0542301.

RIGHTS & PERMISSIONS

Eco-Vector