Имитационное моделирование на компьютере проводится намного быстрее, чем полноценный эксперимент

Обновлено: 03.07.2024

Адаптировано из статьи с таким же названием, написанной Drs. Sicking and Mak от имени Комитета по вопросам безопасности на дорогах Совета по исследованиям в области транспорта (TRB). Первоначальный документ был опубликован TRB в январе 2000 г. в рамках Транспорт в новом тысячелетии, Современное состояние и будущие направления, Перспективы постоянных комитетов Совета по исследованиям в области транспорта.

Общий уровень безопасности на дорогах в этой стране значительно улучшился за последние несколько десятилетий. Наиболее яркой демонстрацией этого улучшения безопасности на дорогах является продолжающееся снижение уровня смертности. Например, с 1966 по 1996 год уровень смертности в авариях с участием одного транспортного средства со съездом с дороги снизился более чем на две трети с 1,9 до 0,6 погибших на 100 миллионов транспортных миль (161 миллион транспортных километров) пути. Некоторую часть этого сокращения можно отнести к усовершенствованию конструкции транспортных средств и более широкому использованию удерживающих устройств для пассажиров; однако улучшенный дизайн и функции безопасности на дорогах также способствовали сокращению.

Концепция "чистой зоны", пожалуй, является наиболее важным фактором, влияющим на проектирование безопасности на дорогах. Основываясь на этой концепции, придорожные опасности удаляются или перемещаются дальше от проезжей части, когда это возможно. Вырубка деревьев и прокладка инженерных коммуникаций под землей являются примерами устранения придорожных опасностей, а расширение водопропускных труб и дренажных сооружений является хорошим примером перемещения опасностей дальше от проезжей части. Когда опасности нельзя удалить или переместить, для сведения к минимуму опасности для автомобилистов используются отрывные устройства или средства защиты, такие как дорожные барьеры и подушки безопасности.

Прежде чем эти средства обеспечения безопасности на дорогах будут допущены к установке на наших автомагистралях, их необходимо протестировать, чтобы убедиться в их надлежащей работе. Столкновение транспортного средства со всеми вариантами каждой функции может быть довольно дорогостоящим, поэтому компьютерное моделирование столкновений транспортных средств быстро развивается как надежная альтернатива полномасштабным краш-тестам.

Проблемы, которые необходимо решить в будущем

Несмотря на большие успехи, достигнутые в области безопасности на дорогах за последние несколько десятилетий, многие серьезные проблемы безопасности на дорогах еще не решены серьезным образом.

Сведения об установке

Несмотря на то, что функции безопасности подвергаются ряду дорогостоящих полномасштабных краш-тестов для обеспечения приемлемых показателей безопасности, часто существуют значительные различия между протестированными и полевыми установками. Практически все полномасштабные краш-тесты проводятся на ровной поверхности, при этом фактически в этой ситуации устанавливается очень мало средств безопасности. Кроме того, большинство наземных устройств испытываются в условиях сильного грунта, тогда как полевые условия могут варьироваться от слабого грунта до бетона на портландцементе. Установки для краш-тестов обычно

сконструированы с жесткими допусками, которые вряд ли могут быть достигнуты в реальных полевых конструкциях. Ограниченные условия участка также могут создавать особые проблемы для проектировщиков дорог.

Влияния без отслеживания

Краш-тесты устройств безопасности на дорогах обычно ограничиваются отслеживанием ударов. К сожалению, данные о дорожно-транспортных происшествиях показывают, что примерно в половине всех дорожно-транспортных происшествий со съездом с дороги происходит неотслеживание транспортных средств, т. е. боковое скольжение в объект. Кроме того, неотслеживающие удары оказываются более серьезными, чем отслеживающие удары как для барьерных систем, так и для устройств отрыва. Функции безопасности на дорогах, успешно протестированные на отслеживание ударов, могут работать удовлетворительно, а могут и не работать при неотслеживаемых ударах.

Придорожная геометрия

Данные о дорожно-транспортных происшествиях показывают, что геометрия обочины, включая уклоны, насыпи и канавы, является причиной более половины всех дорожно-транспортных происшествий, связанных со съездом с дороги и приводящих к серьезным травмам или смерти. Считается, что эти придорожные особенности являются основной причиной опрокидывания в авариях с участием одного транспортного средства и съезда с бездорожья. Количество и тип придорожных конфигураций, которые можно оценить с помощью полномасштабных краш-тестов, сильно ограничены ограничениями на местах на существующих испытательных площадках.

Тенденции развития транспортных средств в будущем

Было доказано, что показатели безопасности большинства средств обеспечения безопасности на дорогах зависят от характеристик транспортного средства, включая общую массу, высоту центра тяжести, а также геометрию бампера и капота. Поскольку основные изменения в парк транспортных средств вносятся каждые пять-семь лет, а срок службы большинства средств безопасности составляет 20 и более лет, эксплуатационные характеристики многих устройств безопасности существенно пострадали.

Решения

Как описано выше, в рамках продолжающихся усилий по повышению безопасности на дорогах предстоит решить ряд проблем. Проблемы безопасности на дорогах традиционно оценивались в первую очередь с помощью полномасштабных краш-тестов.Высокая стоимость, связанная с полномасштабным тестированием, вероятно, является самым большим препятствием для решения большинства этих проблем. Требовать полномасштабных краш-тестов всех устройств безопасности для всех возможных вариаций деталей установки нецелесообразно. Кроме того, несмотря на то, что были разработаны и внедрены процедуры испытания отрывных устройств на боковой удар, в настоящее время не существует процедур проведения неотслеживающих ударов, при которых транспортное средство вращается при ударе. Наконец, несмотря на то, что текущие изменения в автопарке можно прогнозировать в будущем для оценки некоторых характеристик автомобилей, построить такой автомобиль для краш-тестов функций безопасности на дорогах невозможно.

Компьютерное моделирование столкновений транспортных средств с использованием расширенного нелинейного кода конечных элементов, такого как DYNA3D, является единственной практической альтернативой полномасштабным краш-тестам для большого количества необходимых оценок показателей безопасности. Теоретически этот тип моделирования может быть использован для исследования всех вопросов безопасности, кратко изложенных выше. Кроме того, после того, как компьютерное моделирование было разработано и успешно подтверждено полномасштабными краш-тестами, затраты, связанные с проведением параметрических исследований для изучения влияния деталей установки, условий удара, геометрии обочины и характеристик автомобиля, становятся относительно недорогими.

Компьютерное моделирование также предоставляет большой объем информации, которая часто недоступна при полномасштабном краш-тестировании. Например, моделирование методом конечных элементов дает разработчикам точную картину распределения нагрузки в критических компонентах предохранительного устройства во время удара. В отличие от полномасштабных краш-тестов, которые обычно дают только рекомендации о прохождении или отказе для конкретной конструкции, компьютерное моделирование может использоваться для выявления областей, где конструкция нуждается в дополнительном усилении, или областей, где компонент имеет избыточную мощность.

Современное состояние

Чтобы компьютерное моделирование могло решить широкий круг проблем, описанных выше, процедуры должны широко использоваться и приниматься сообществом специалистов по безопасности, а также должны иметь установленный опыт точного прогнозирования результатов краш-тестов. К сожалению, компьютерное моделирование средств безопасности на дорогах еще не отвечает всем этим требованиям. Применение обобщенного нелинейного моделирования методом конечных элементов с большими деформациями в области безопасности на дорогах — относительно недавнее событие, причем самые ранние приложения датируются только 1992 годом. усилия по-прежнему сосредоточены на программах статического и динамического тестирования. Даже когда компьютерное моделирование используется для руководства программами разработки, коды наиболее ценны для моделирования испытаний компонентов и сборочных узлов, а не для оценки показателей безопасности путем моделирования полномасштабных аварий. Хотя результаты компьютерного моделирования обнадеживают, было предпринято относительно небольшое количество приложений для прогнозирования результатов будущих полномасштабных краш-тестов. Хотя Федеральное управление автомобильных дорог начинает использовать эти коды для поддержки общих политических решений, компьютерное моделирование пока не является приемлемым средством для окончательного тестирования функций безопасности на дорогах на соответствие требованиям.

Промежуточные цели

Как обсуждалось выше, передовые нелинейные коды конечных элементов все еще не находятся на той стадии, когда можно использовать компьютерное моделирование для решения остающихся проблем безопасности на дорогах. Поэтому основные цели на среднесрочное будущее должны быть связаны с продвижением современного уровня компьютерного моделирования.

Конечно-элементное моделирование столкновений со съездом с дороги включает подробные модели как придорожных средств безопасности, так и транспортного средства. Затем код конечных элементов использует эти модели для прогнозирования кинематики транспортного средства, связанной с аварией со съездом с дороги, которая, в свою очередь, используется для оценки риска травм, которым может подвергнуться человек, находящийся в транспортном средстве. Необходимо внести улучшения в каждую из этих областей, прежде чем компьютерное моделирование сможет сыграть важную роль в решении сложных проблем безопасности на дорогах, изложенных выше. Кроме того, необходимо собрать некоторые дополнительные сведения об ожидаемом распределении условий столкновения и будущих характеристиках транспортных средств, если компьютерное моделирование должно полностью раскрыть свой потенциал в этой области.

Модели автомобилей

Конечно-элементные модели для компьютерного моделирования столкновений со съездом с дороги должны включать подробные описания каждого структурного компонента транспортного средства, которое, как ожидается, будет нести значительную нагрузку во время столкновения. Как уже упоминалось, аварии со съездом с дороги часто связаны с неотслеживаемыми ударами; следовательно, удар может произойти в любой точке по окружности транспортного средства, поэтому общая модель транспортного средства должна включать все конструктивные компоненты.Хотя в настоящее время доступно несколько чрезвычайно детализированных моделей, количество представленных различных типов транспортных средств крайне ограничено.

Сгенерированное компьютером изображение энергопоглощающего терминала ограждения SKT-350 во время лобового столкновения с пикапом массой 2000 кг (4400 фунтов), движущимся с постоянной скоростью 100 километров в час (62 мили в час). ) до столкновения. Энергопоглощающий терминал ограждения SKT-350 после краш-теста пикапа массой 2000 кг (4400 фунтов), движущегося с постоянной скоростью 100 километров в час (62 мили в час) до столкновения.

Кроме того, ни одна из существующих моделей не была проверена на полномасштабных краш-тестах для широкого диапазона условий столкновения, которые необходимо изучить. Кроме того, детализированные модели транспортных средств, используемые в настоящее время, все еще имеют некоторые существенные ограничения, особенно в представлениях подвески и шин. Эти области моделей транспортных средств особенно важны для моделирования дорожно-транспортных происшествий из-за сильной корреляции между повреждением шин и подвески и опрокидыванием транспортного средства.

Поэтому необходимо приложить значительные усилия для усовершенствования существующих методов моделирования транспортных средств, чтобы предоставить более совершенные инструменты для анализа последствий съезда с дороги. Также очень важно, чтобы эти модели обновлялись в соответствии с текущими тенденциями в автопарке.

Модели защитного оборудования

Несмотря на то, что за последние несколько лет был разработан широкий спектр моделей оборудования для обеспечения безопасности, большинство из этих моделей не прошли достаточную проверку. Недостатки модели оборудования обычно можно разделить на две категории: ограничения материалов и трудности моделирования соединений.

Материалы, такие как дерево и почва, особенно сложно моделировать из-за больших несоответствий от одной установки к другой. Характеристика этих материалов должна начинаться с определения ожидаемой изменчивости от образца к образцу или от места к месту. Другие типы неоднородных материалов, такие как портландцемент, асфальтобетон и пластмассы, армированные волокном, также создают серьезные проблемы для разработчиков моделей материалов.

Многие типы соединений, используемые в приложениях для обеспечения безопасности на дорогах, создают относительно сложные проблемы моделирования. Например, соединение между ограждением и деревянным блоком должно быть тщательно смоделировано, чтобы обеспечить правильное поведение, когда нижний элемент W-образной балки врезается в деревянный блок, а болт стойки протягивается через ограждение.

Модели оборудования для обеспечения безопасности на дорогах должны быть тщательно проверены с помощью детального тестирования компонентов, чтобы обеспечить точное предсказание такого уникального поведения и достаточно точную модель общего воздействия.

Оценка рисков

Когда будут созданы достаточно точные модели транспортных средств и аппаратных средств, компьютерное моделирование сможет правильно определить кинематику пассажирского салона, связанную с аварией при съезде с дороги. Однако общий риск травм или гибели пассажиров еще предстоит определить. Проблема, связанная с увязкой кинематики транспортного средства с риском для пассажиров, не уникальна для компьютерного моделирования и на протяжении многих лет мешала полномасштабным программам краш-тестов.

Проблема еще больше осложняется широким распространением систем передних и боковых подушек безопасности, которые могут существенно повлиять на меры риска пассажиров, используемые специалистами по безопасности на дорогах. Необходимо разработать более эффективные меры риска для пассажиров, чтобы учесть более совершенные системы защиты пассажиров, которые теперь доступны в автопарке.

Компьютерное моделирование с использованием подробных моделей пассажиров (включая модели лобового и бокового ударов) и моделей систем защиты (включая модели подушек безопасности и ремней безопасности) может предложить один механизм для разработки необходимых связей между кинематикой транспортного средства и риском для пассажиров. Однако единственным механизмом для создания такой связи является проведение подробных расследований реальных сбоев. Путем реконструкции дорожно-транспортных происшествий, связанных со съездом с дороги, для определения кинематики автомобиля и пассажиров можно было бы установить более тесную связь между существующими показателями риска для пассажиров, такими как критерии травмы головы или индекс травмы грудной клетки, и вероятностью травмы.

Заключение

За последние несколько десятилетий транспортные чиновники добились больших успехов в повышении безопасности на дорогах страны: количество смертельных случаев, связанных со съездом с дороги, сократилось почти на 70 %. Чтобы сохранить этот уровень улучшения в снижении травм и смертельных случаев, сообщество безопасности должно начать решать некоторые из наиболее сложных вопросов безопасности на дорогах. Эти проблемы включают чувствительность функций безопасности к деталям установки, проблемы, связанные с неотслеживаемыми ударами, роль геометрии обочины в серьезных авариях, а также продолжающиеся усилия по выявлению будущих тенденций транспортных средств и их влияния на безопасность на дороге.

Высокая стоимость полномасштабного краш-тестирования не позволяет значительно расширить существующие программы для решения этих проблем. Компьютерное моделирование представляется единственным практическим средством решения этих проблем в ближайшем будущем.

Чтобы достичь цели исследования этих сложных вопросов безопасности на дорогах, необходимо приложить значительные усилия для улучшения возможностей компьютерного моделирования для моделирования аварий при съезде с дороги. Эти усилия должны быть направлены на разработку более совершенных моделей оборудования для обеспечения безопасности транспортных средств и дорог, а также на улучшение связи между кинематикой транспортных средств и риском для пассажиров. Если всесторонние усилия будут направлены на достижение этих общих целей, мы сможем продолжить работу по сокращению травм и смертельных случаев, связанных со съездом с дороги.

Дин Л. Сиккингс, директор Центра безопасности на дорогах Среднего Запада и доцент кафедры гражданского строительства Университета Небраски в Линкольне. Доктор Зикинг также является председателем подкомитета по вычислительной механике комитета TRB A2A04, «Функции безопасности на дорогах». Он занимается исследованиями в области безопасности дорожного движения более 20 лет и тесно сотрудничает с многочисленными государственными департаментами транспорта, Федеральным управлением автомобильных дорог, Национальной программой совместных исследований автомобильных дорог и рядом частных компаний. Он является зарегистрированным профессиональным инженером в Аризоне, Небраске и Техасе, и его официальное образование включает степень бакалавра в области машиностроения, а также степень магистра и доктора в области гражданского строительства Техасского университета A&M.

Кинг К. Мак в настоящее время является частным консультантом, проводящим исследования и разработки в области безопасности на дорогах, а также председателем комитета TRB A2A04 «Особенности безопасности на дорогах». Он работал в области безопасности дорожного движения в течение 30 лет, включая руководящие и исследовательские должности в Техасском транспортном институте и Юго-Западном научно-исследовательском институте. Он провел многочисленные исследования для Федерального управления автомобильных дорог, Национальной администрации безопасности дорожного движения, Национальной программы совместных исследований автомобильных дорог, государственных департаментов транспорта и частных предприятий, и его работы широко публикуются. Он имеет степень бакалавра гражданского строительства Университета Гонконга и степень магистра транспортного машиностроения и исследования операций Технологического института Джорджии. Он является зарегистрированным профессиональным инженером в Мэриленде и Техасе.

Основные этапы имитационного исследования
Применение имитационного моделирования включает в себя определенные шаги, необходимые для успешного проведения имитационного исследования. Независимо от типа задачи и цели исследования процесс, посредством которого выполняется моделирование, остается постоянным. Далее кратко описаны основные этапы процесса моделирования [6, 7]:

Решения по моделированию
Выполнение необходимых шагов имитационного исследования определяет вероятность успеха исследования. Хотя знание основных этапов исследования с помощью моделирования важно, не менее важно понимать, что не все проблемы следует решать с помощью моделирования. В прошлом имитационное моделирование требовало специальной подготовки программистов и аналитиков для работы с очень большими и сложными проектами. Теперь, из-за большого количества доступного программного обеспечения, моделирование иногда используется ненадлежащим образом людьми, не имеющими достаточной подготовки и опыта. Когда моделирование применяется ненадлежащим образом, исследование не даст значимых результатов. Неспособность достичь желаемых целей моделирования может привести к обвинению самого подхода к моделированию, хотя на самом деле причина неудачи заключается в неправильном применении моделирования [8].

Тип проблемы
Наличие ресурсов
Стоимость
Доступность данных

Наличие ресурсов. Люди и время являются определяющими ресурсами для проведения имитационного исследования. Опытный аналитик является наиболее важным ресурсом, поскольку у такого человека есть возможность и опыт для определения как соответствующего уровня детализации модели, так и того, как проверить и утвердить модель. Без обученного симулятора может быть разработана неправильная модель, которая даст ненадежные результаты. Кроме того, выделение времени не должно быть ограничено настолько, чтобы вынуждать симулятора использовать ярлыки при разработке модели. В расписании должно быть достаточно времени для внесения любых необходимых изменений, а также для проверки и проверки, если результаты должны быть значимыми.

Стоимость. Следует учитывать затраты на каждый этап процесса моделирования, приобретение программного обеспечения для моделирования, если оно еще не доступно, и компьютерных ресурсов. Очевидно, что если эти затраты превышают потенциальную экономию при изменении существующей системы, то моделирование не следует проводить.

Доступность данных: необходимые данные должны быть идентифицированы и расположены, а если данные не существуют, то данные должны быть доступны для сбора. Если данные не существуют и не могут быть собраны, то продолжение исследования с помощью моделирования в конечном итоге приведет к ненадежным и бесполезным результатам. Результаты моделирования нельзя сравнивать с производительностью реальной системы, что крайне важно для проверки и проверки модели.

Основные шаги и решения для имитационного исследования включены в блок-схему, как показано ниже:

Этапы и решения для проведения имитационного исследования

После того как имитационное моделирование было определено как предпочтительный подход к решению конкретной проблемы, решение о реализации курса действий, предложенного по результатам имитационного исследования, не обязательно означает конец исследования, как показано на блок-схеме выше. Модель может поддерживаться для проверки реакции системы на изменения, с которыми сталкивается реальная система. Однако степень, в которой модель может поддерживаться, во многом зависит от ее гибкости и от того, для решения каких вопросов она изначально предназначалась.

Читайте также: