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Virtuelle Anprallprüfungen an Fahrzeug-Rückhaltesystemen mit der Finite-Elemente-Simulation

Virtual tests of a vehicle impact on a vehicle restraint system by using the finite element simulation method

  • Die Simulation von Anprallversuchen mittels der Methode der finiten Elemente (Finite-Element-Method/ -Analysis, FEM / FEA) ist eine moderne Technologie zur digitalen Abbildung eines Anprallprozesses. Sie kann für die Untersuchung von Fahrzeug-Rückhaltesystemen eingesetzt werden, wodurch eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten eröffnet wird. Mit Ergebnissen aus Simulationsstudien können Forschungsprojekte, in denen mithilfe realer Anprallversuche wissenschaftliche Fragestellungen beantwortet werden, unterstützend erweitert und hinsichtlich ihrer Aussagekraft ergänzt werden. Es können zudem auch Randbedingungen künftiger Anprallversuche und geplante Anpassungen der Regelwerke untersucht und eventuelle Auswirkungen auf die Verkehrssicherheit für vielfältige Szenarien abgeschätzt werden. Dies ermöglicht datenbasierte Entscheidungen sowohl im Rahmen der Gremienarbeit auf europäischer und nationaler Ebene als auch bei der Beratung des Bundesministeriums für Digitales und Verkehr (BMDV). Des Weiteren gibt die Simulation die Möglichkeit der Bearbeitung von Fragestellungen bezüglich Sicherheitsreserven von Fahrzeug-Rückhaltesystemen und deren Auswirkungen auf die Verkehrssicherheit, die mit den realen Anprallversuchen allein nicht beantwortet werden können, insbesondere aufgrund der hohen Reproduzierbarkeit der Simulation bei Sensitivitätsanalysen. Einzelne Parameter, wie Anprallwinkel oder Geschwindigkeit, können mit einer hohen Genauigkeit abgebildet und separat untersucht sowie die auf die Schutzeinrichtung und das Fahrzeug wirkenden Kräfte, Spannungen und Verformungen an beliebigen Stellen im Modell gemessen und dargestellt werden. Die Unsicherheiten einer Abschätzung von Einflussfaktoren kann so verkleinert, und präzise Voraussagen getroffen werden. Die dreidimensionalen Simulationsmodelle bieten Vorteile in der räumlichen und zeitlichen Auflösung. Dem Video eines realen Anprallversuchs mit vorher festgelegten Kamerapositionierungen, steht ein hochdetailliertes Modell gegenüber, dass zu jedem beliebigen Zeitpunkt des Anprallverlaufs aus beliebigen Blickwinkeln betrachtet, und bis in den Millimeterbereich vergrößert werden kann. Im Falle eines bereits durchgeführten Verifizierungs- und Validierungsprozesses bieten Simulationsstudien erhebliche Kostenvorteile gegenüber den realen Anprallversuchen. Zudem sind auch Situationen denkbar, in denen ein realer Anprallversuch dermaßen aufwändig wäre, dass ohne virtuell durchgeführte Untersuchungen nur relative Abschätzungen möglich wären. Seit 2014 wird im Referat Straßenausstattung der Bundesanstalt für Straßenwesen ein eigener Simulationsserver mit angepasster Rechenleistung für die Durchführung von Berechnungen mit der Methode der finiten Elemente betrieben, und mit dessen Hilfe die in diesem Bericht dargestellten Simulationsstudien entstanden sind. Basierend auf Daten von realen Versuchen, die über viele Jahre im Referat durchgeführt wurden, wurden Simulationsmodelle entwickelt, verifiziert und validiert. In diesem Bericht werden die in dem Rahmen des Projektes „Anwendung der Simulation“ entstandenen Ergebnisse vielfältiger Untersuchungen von Einflussfaktoren bei einem Anprall präsentiert, wie z. B. die Höhe oder Neigung sowie der Kurvenradius einer Schutzeinrichtung und unterschiedliche Beladungsschwerpunkte von Sattelzügen. Auch das Verhalten einer Schutzeinrichtung bei einem Anprall mit einem Fahrzeug einer höheren Aufhaltestufe oder bei einem Anprall von nicht in der Norm EN 1317 berücksichtigten Fahrzeugen konnte mit Hilfe von Simulationen erfolgreich untersucht werden. Darüber hinaus wird gezeigt, dass anhand von früheren Gutachten übertragene Versuchsergebnisse durch virtuelle Anprallprüfungen bestätigt werden können.
  • Virtual tests of a vehicle impact on a vehicle restraint system by using the finite element simulation method is a modern technology for creating a digital map of an impact process. It can be used to investigate vehicle restraint systems at a wide range of applications. Research projects, including real impact tests, can be supported by simulation studies by extending the scope of real tests and adding supplementary details to the results. In addition, initial conditions of future impact tests or required adjustments of European standards can be identified. An estimate on potential effects of vehicle restraint systems on traffic safety in a wide range of situations can be given. This opens the possibility to use simulation data along with experimental facts when making decisions in national or European committees for standardization or consult with the Federal Ministry for Digital and Transport. Furthermore, the application of simulation allows to answer questions, concerning safety reserves of vehicle restraint systems and their effect on traffic safety, that would be not possible without additional virtual testing, notably, because of the high reproducibility of a simulation run while performing sensitivity analyses. Single initial parameters (e.g. impact angle, velocity) can be investigated separately. Forces acting on the vehicle and the vehicle restraint system, stresses and deformations can be evaluated with high precision at any desired location in the model. Thus, uncertainties of estimations of contributing factors in the performance of vehicle restraint systems can be minimized and precisely predicted. Simulation models offer a three-dimensional view with high spacial and temporal resolution on the impact process. Instead of a recorded video of a real impact test with predefined camera positions, a simulation model allows the view from any direction and the investigation of details down to the millimetre range. An already verified and validated simulation model offers a considerable cost benefit to real impact tests. Moreover, in some special situations, if a real impact test can be realized only at considerable expenses, virtual testing is the only practical choice to give a good estimate. Since 2014 at the section V4-Highway Equipment at the Federal Highway Research Institute a dedicated simulation server equipped with state-of-the-art hardware for calculations with the finite element method is operated. The simulation studies presented in this report had been calculated using that machine. Based on data from real impact tests that where performed during the past few decades by the Federal Highway Research Institute simulation models where built, verified and validated. A large variety of simulation studies investigating contributing factors in an impact on vehicle restraint systems, e.g. height, inclination and curvature are presented in this report. Also the influence on an impact under varying the centre of mass of the load of a heavy goods vehicle is shown. Other examples of the broad range of applications like the performance of a vehicle restraint system under impact with a vehicle related to a higher containment level, and an impact with a vehicle not included in the European standard EN 1317 are also demonstrated. It is shown, that experimental results previously assigned to a modified vehicle restraint system by engineering judgement can be verified by virtual testing.

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Metadaten
Verfasserangaben:Bertold Fröhlich, Holger Schwedhelm, Janine Kübler, Martina Balzer-Hebborn, Xiaochen Yu
URN:urn:nbn:de:hbz:opus-bast-28902
ISBN:978-3-95606-772-3
Schriftenreihe (Bandnummer):Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe V: Verkehrstechnik (375)
Verlag:Fachverlag NW in der Carl Ed. Schünemann KG
Verlagsort:Bremen
Dokumentart:Buch (Monographie)
Sprache:Deutsch
Datum der Veröffentlichung (online):17.01.2024
Datum der Erstveröffentlichung:18.01.2024
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt)
Datum der Freischaltung:18.01.2024
Freies Schlagwort / Tag:Anprallversuchen; Fahrzeug-Rückhaltesystemen; Simulationsstudien
Simulations studies; vehicle impact; vehicle restraint systems
Seitenzahl:111
Bemerkung:
Bericht zum Forschungsprojekt F1100.6414006
Virtuelle Anprallprüfungen an
Fahrzeug-Rückhaltesystemen
mit der Finite-Elemente-Simulation

Fachbetreuung
Bertold Fröhlich

Referat
Straßenausstattung
DDC-Klassifikation:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Lizenz (Deutsch):License LogoBASt / Link zum Urhebergesetz

$Rev: 13581 $