Problems of finding the best solutions to ensure the passive safety of the cabins of trucks at a minimum weight

Abstract

This paper considered the main problems of finding the optimal parameters of a truck cabin based on parametric and topological optimization in order to meet the requirements for passive safety according to international rules and obtain its minimum mass. The article presents the developed rational finite element models (FEM) of the cabin and the pendulum for optimization problems, allowing to obtain results with acceptable accuracy and minimal solution time when using the LS-OPT and LS-TaSC programs with the LS-DYNA solver. Steel lining and foam aluminum filler are used as cabin reinforcement elements. To solve the problem and more fully assess the effect of the parameters, several options for cabin refinement were considered. Topological optimization was carried out with the aim of obtaining a picture of the best distribution of the filler along the cabin frame. Parametric optimization was carried out by selection of the properties of the filler (aluminum foam) and the thickness of the structural elements of the cabin. In addition to optimization, the sensitivity of the design to the variation of variable parameters was investigated in order to identify the degree of influence on the optimization result. Since the duration of the solution is very high (up to several days on available computers), an approach was developed based on the studies that were carried out, which at various stages reduced the number of variables and, thus, reduced the solution time. As a result, it was ensured that the requirements for passive safety were satisfied (these requirements were not met before optimization) with optimal mass distribution as a result of the combined use of linings and filler. The increase in cabin weight was 20%. The use of linings only allowed to meet the rules for passive safety, but gave an even greater increase in the weight of the cabin.

Keywords

LS-DYNA / LS-OPT / cabin / passive safety / optimization / LS-DYNA / LS-OPT / aluminum foam / finite element model / linings

References

[1] Tovar A. Bone remodeling as a hybrid cellular automaton optimization process // Ph.D. thesis. University of Notre Dame. Notre Dame. IN. 2004.

[2] Шаболин М.Л., Вдовин Д. С. Снижение требований к прочности материала подрамника грузового автомобиля с независимой подвеской путем параметрической оптимизации конструктивно-силовой схемы // Известия МГТУ «МАМИ». 2016. № 4(30). С. 90-96.

[3] Вдовин Д.С., Прокопов В.С., Рябов Д.С. Проектирование направляющего аппарата независимой подвески автомобиля с использованием метода топологической оптимизации // Известия МГТУ «МАМИ». 2017. № 3(33). С. 9-13.

[4] Вдовин Д.С., Котиев Г.О. Топологическая оптимизация рычага подвески грузового автомобиля // Тракторы и сельхозмашины. 2014. № 3. С. 20-23.

[5] Правила ЕЭК ООН № 29 (документ E/ECE/324/Rev.1/Add.28/Rev.2 - E/ECE/TRANS/505/Rev.1/Add.28/Rev.2). Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении защиты лиц, находящихся в кабине грузового транспортного средства. ООН. 2012. Р. 26.

[6] Шабан Б.А., Зузов В.Н. Особенности моделирования каркасных элементов кузовов и кабин автомобилей при исследовании пассивной безопасности // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 11. DOI: 10.7463/1112.0486675

[7] 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. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 03. DOI: 10.7463/0313.0542301.

[8] Шабан Б.А., Зузов В.Н. Анализ влияния конструктивных факторов кабины на пассивную безопасность грузовых автомобилей при ударе по передним стойкам // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. № 11. DOI: 10.7463/1113.0636798.

[9] Черников С.К., Ахмадышин А.Н. Численные исследования процессов деформирования конструкций грузовых автомобилей в течение дорожно-транспортных происшествий // Казанский физико-технический институт имени Е.К. Завойского. 2010. Ежегодник. Казань: Физтех Пресс. 2011. С. 168-172.

[10] Гончаров Р.Б., Зузов В.Н. Топологическая оптимизация конструкции бампера автомобиля при ударном воздействии с позиций пассивной безопасности // Известия МГТУ «МАМИ». 2018. № 2(36). С. 2-9.

[11] 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.

[12] Andres Tovar, Neal M. Patel, Byung-Soo Kang, John E. Renaud Crashworthiness design using topology optimization // Journal of mechanical design. 2009. №131. P. 1-12. DOI: 10.1115/1.3116256.

[13] Goel T., Roux W., Stander N. A topology optimization tool for LS-DYNA users: LS-OPT/ Topology // 7-th European LS-DYNA Conference. 2009.

[14] Deshpande V.S., Fleck N.A. Isotropic models for metallic foams // J. Mech. Phys. Solids. 2000. №48. P. 1253-1283.

[15] Zhaokai Li, Qiang Yu, Xuan Zhao, Man Yu, Peilong Shi, Cilei Yan Crashworthiness and lightweight optimization to applied multiple materials and foam-filled front-end structure of auto-body // Adv. Mech. Eng. 2017. № 9(8). P. 1-21. DOI: 10.1177/1687814017702806.

[16] Liuwei Guo, Jilin Yu Dynamic bending response of double cylindrical tubes filled with aluminum foam // International Journal of Impact Engineering. 2011. №38. P. 85-94.

[17] Zhi Xiao, Jianguang Fang, Guangyong Sun, Qing Li Crashworthiness design for functionally graded foam-filled bumper beam // Int. J. Advances in engineering software. 2015. №85. Р. 81-95.

RIGHTS & PERMISSIONS

Goncharov R.B., Zuzov V.N.