Collision Simulation: Analyzing Impact Forces

Імпульс та теорема, що лежить в основі випробувань на зіткнення

Рухомий транспортний засіб має імпульс, p = mv. Зупинка цього транспорту означає зміну імпульсу до нуля, і ця зміна має назву: імпульс, J = Δp = mΔv. Теорема про імпульс стверджує, що імпульс також дорівнює інтегралу сили по часу, J = ∫F dt — а для відносно постійної середньої сили це спрощується до J = F·Δt. Розставивши ці дві формули для J поруч, ми отримуємо єдину ідею, від якої працюють усі інженери з безпеки при зіткненнях:

mΔv залишається незмінним в момент, коли відома маса автомобіля та його швидкість – ніщо не змінює цього числа. Що ж ви можете змінити - це Δt, час зупинки, і оскільки F = mΔv / Δt, то збільшення Δt є єдиним інструментом для зменшення сили, яку відчуває всередині себе кожен.

Чому час зупиняється – це вся гра

Порівняйте удар жорсткою стіною з ударом у демпферну зону при однаковій початковій швидкості. Обидва видаляють однаковий імпульс-нерівність, тому обидва імпульси ідентичні. У випадку жорсткого удару автомобіль – та й його пасажири – зупиняються за кілька сантиметрів, протягом можливо 15 мілісекунд. У випадку демпферної зони той самий призупинений рух розподіляється на 60-70 сантиметрів руйнування конструкції, займаючи три або чотири рази більше часу. Оскільки F = J/Δt, збільшення Δt вчетверо ділить середню силу приблизно вчетверо.

rigid barrier:    Δv = 15 m/s,  Δt = 0.015 s  →  F_avg = m·Δv/Δt = m·1000
crumple zone:     Δv = 15 m/s,  Δt = 0.060 s  →  F_avg = m·Δv/Δt = m·250

same mass, same impulse, 4× the time  →  1/4 the average force

Згинальні зони: свідомо збільшуємо час реакції

Згинальна зона розрахована на те, щоб утворювати деформування в контрольованій послідовності – захисні рейки спочатку відгинаються при заданому навантаженні, поглинаючи кінетичну енергію через пластичне деформування, а пасажирська кабіна за ними залишається незмінною. Мета полягає не в тому, щоб пом’якшити удар у будь-якому відношенні; це конкретно призначено для збільшення Δt (часу) гальмування, яке відчувають пасажири, при цьому жорстка захисна клітка запобігає обвалу простору для виживання навколо них. Ремні безпеки та подушки безпеки виконують ту саму функцію на одному рівні: ремінь з певним розтягуванням або подушка безпеки, що випускає газ при стисненні, продовжують особистий час гальмування пасажира на десятки мілісекунд, додаючи до того, що вже забезпечила згинальна зона.

Від середньої сили до g-сили

Запам'ятовування зазначається за допомогою g-значень — кратних земного прискорення вільного падіння, яке становить 9.81 м/с². Ділення середньої сили на масу дає середнє уповільнення a, а a/9.81 – g-коефіцієнт. Реальні імпульси зіткнень не є рівномірними: сила зростає, коли структура починає деформуватися, стабілізується під час постійного обвалення та різко збільшується, якщо пасажир досягає жорсткої частини конструкції. Ця пікова величина сили, а не середня, є причиною травм, тому симуляція на цій сторінці відображає всю криву сили-часу, а не одне число – площа під цією кривою завжди однакова фіксована імпульс, але її висота та форма точно те, що контролюють інженери зіткнень.

Реальні випробування на зіткнення

Організації, такі як Euro NCAP та NHTSA, обладнають краш-агента акселерометрами в голові, грудях і тазу, а потім об'єднують отримані криві прискорення-часу в показники травмування, такі як Критерій Травми Голови (HIC), який враховує не тільки величину, але й тривалість імпульсу, а не розглядає короткий пік і стабільне сповільнення як однаково небезпечними. Рейтинг автомобіля в кінцевому підсумку базується саме на цьому теоремі: наскільки ефективно його конструкція, ремені безпеки та подушки безпеки перетворили заданий, неминучий імпульс на найменший і найкраще сформований імпульс сили.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Crash Test і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.