آنالیز و بررسی هالو و آیرواسکرین

فرمول یک ایران : تغییر قوانین همیشه در فرمول یک از مباحث جذاب در عین حال فنی و دقیق می باشد و همچنین به منظور بهتر شدن قوانین به علاوه بالارفتن جذابیت در مجموعه مسابقات به کار می آید.

از آنجا که یک تیم می تواند با پیشرفت چشمگیر از نظر فنی و تکنولوژی، در بوجود آوردن فاصله بین خودرو خود و دیگر تیم ها پیروزی را برای رانندگان سهل و دست یافتنی کند لذا تغییرات قوانین به از بین بردن این فاصله کمک می کند تا رقابت های نزدیک تر و جذاب تری را برای تماشاگران و هواداران به ارمغان بیاورد.

اما مطمئنا بعضی از تغییرات قوانین فقط و فقط به منظور بالا بردن ایمنی می باشد همانطور که برخی دیگر از تغییرات به منظور سازگار کردن خودرو با محیط زیست می باشد.(کاهش آلودگی های صوتی و سوختی)

یکی از قوانین در نظر گرفته شده برای آغاز فصل 2017 یا 2018 قانون وجود محافظ سر راننده در همه ی خودرو های شرکت کننده در مجموعه مسابقات فرمول یک با مشخصات ایمنی، هندسی و مشخصات وزن مدنظر قانون گذاران می باشد. قانونی که از محافظت سر شروع میشود و به پیشرفت در لباس ضد حریق راننده منجر میشود.به نحوی که وجود محافظ سر در خودرو منجر به طولانی تر شدن پروسه خارج شدن راننده از کاک پیت می شود (در قانون فصل 2016 راننده می بایست در مدت زمان 5 ثانیه فرمان را جدا کرده و از خودرو خارج شود) و وجود محافظ سر، نیاز به لباس ضد حریق با مقاومت گرمایی بالاتری را بوجود می آورد.

بنابراین مهندسین تحقیق و توسعه تیم ها بر روی قانون در نظر گرفته شده برای فصل های آتی، تمرکز کرده و درصدد بوجود آوردن محافظ سر با هندسه و مقاومت و وزن متناسب با قانون می باشند.

در این مقاله به بررسی محافظ معرفی شده از سوی تیم های ردبول، فراری و مرسدس و مقایسه آنها با یکدیگر می پردازیم.

قانون در نظر گرفته شده برای سال 2018 (قرار بر اعمال قانون برای سال 2017 بود که یک سال به تعویق افتاد) وجود محافظ سر به وزن 5 کیلوگرم با مقاومت در برابر برخورد شئ خارجی با سرعت حداقل 225 کیلومتر بر ساعت و قابل جدا شدن از بدنه خودرو بدون مزاحمت در سوار و یا پیاده شدن راننده می باشد.لازم به ذکر می باشد که جنس و هندسه محافظ سر در اختیار مهندسین می باشد. پیش بینی می شود که این قانون در پیشرفت ایمنی خودروهای شهری و نظامی و یا سیاسی (در ساخت شیشه های ضد گلوله و یا گارد خودروهای نظامی) تاثیر گذار خواهد بود.

از محافظ در نظر گرفته شده از طرف تیم ردبول آغاز می کنیم.

محافظ معرفی شده تیم مهندسی ردبول  aeroscreen  نام دارد و با محافظ معرفی شده از طرف تیم های مرسدس و فراری بسیار متفاوت می باشد:

aeroscreen

به منظور بررسی aeroscreen معرفی شده از طرف ردبول دست به شبیه سازی با توجه به ابعاد و جنس ارائه شده، می پردازیم.

شبیه سازی aeroscreen با محیط نرم افزار pro engineer:

شبیه سازی aeroscreen

شبیه سازی aeroscreen

زاویه دید راننده با وجود aeroscreen در کاک پیت:

زاویه دید راننده با وجود aeroscreen

با توجه به جنس مواد به کار گرفته شده در aeroscreen می توان مشخصات مدول الاستیسیته و ضریب پوآسون، مرتبه چکش خواری و مقاومت ضربه ای، تنش تسلیم و مدول برشی و… را به  شبیه ساز به منظور تحلیل در نرم افزار Abaqus CAE Standard نسبت داد.

جنس و مشخصات aeroscreen :

ستون نگهدارنده و مقاومتی با جنس cast carbon steel (فولاد کربن دار) به میزان 40% (2 کیلوگرم):

cast carbon steel properties

لایه با ضخامت 7 میلی متر متشکل از تیتانیوم خالص (titanium pure sheet) با تکنولوژی شکل دهی مذاب به میزان 30% (1.5 کیلوگرم):

titanium pure sheet

لایه با ضخامت 2 میلیمتر از جنس پلی کربنات poly carbonate از گروه پلاستیک با ویسکوزیته بالا به میزان حدودا 10% (0.5 کیلوگرم):

poly carbonate

لایه با ضخامت 1 میلیمتر از جنس پلاستیک شیشه (نایلون nylon) از گروه پلاستیک ها به میزان حدودا 10% (0.5کیلوگرم):

nylon plastic

لایه با ضخامت 1 میلیمتر از جنس aluminium glass و یا (Oxy aluminum nitrate  Alon) از گروه آلیاژ آلومینیوم به میزان حدودا 10درصد (0.5کیلوگرم):

Oxy aluminum nitrate Alon

حال با توجه به مشخصات جنس و نسبت دادن این مشخصات مکانیکی به شبیه ساز aeroscreen میتوان شرایط ضریه و ایجاد نیرو را به نرم افزار اعمال کرد.

شرایط ضربه با توجه به قانون، برخورد شیئ 1 کیلوگرمی با سرعت 225 کیلومتر بر ساعت با سطح شیشه ای aeroscreen و پس از آن برخورد مجموعه تایر خودرو فرمول یک(لاستیک و رینگ) با وزن 20 کیلوگرم با سرعت 225 کیلومتر بر ساعت با سطح شیشه ای aeroscreen  می باشد.

از این رو در شبیه ساز، شرایط ضربه را شبیه سازی کرده تا جواب نرم افزار به واقعیت نزدیک تر شود.

شبیه سازی شرایط ضربه در نرم افزار:

برخورد مجموعه تایر خودرو فرمول یک با سرعت 225 کیلومتر بر ساعت

برخورد تایر خودرو فرمول یک با سرعت 225 کیلومتر بر ساعت

نتیجه ضربه برخورد شیئ 1 کیلوگرمی با سرعت 225 کیلومتر بر ساعت بر روی شبیه ساز aeroscreen توسط نرم افزار Abaqus CAE Standard با معیار Von Mises:

نتیجه ضربه بر روی شبیه ساز aeroscreen

 نتیجه ضربه برخورد تایر خودرو فرمول یک با وزن 20 کیلوگرم با سرعت 225 کیلومتر بر ساعت بر روی شبیه ساز aeroscreen توسط نرم افزار Abaqus CAE Standard با معیار Von Mises:

نمودار گرافیکی مقدار و جهت تنش در لایه های شبیه ساز aeroscreen

تست آزمایشگاهی aeroscreen:

همانطور که میدانیم به منظور رسیدن به جواب دقیق و دقیق تر، تیم های مهندسی دست به آزمایش می زنند تا بتوانند توسعه بهتری را در ادامه کار تحقیقاتی خود داشته باشند.از این رو تیم ردبول دو آزمایش را برای تست مقاومتی aeroscreen ترتیب داده است.

تست اول مقاومت کامل aeroscreen در برابر ضربه جسم یک کیلوگرمی با سرعت 225 کیلومتر بر ساعت می باشد که در این آزمایش می بایست aeroscreen ساختار خود را در مقابل این ضربه حفظ کند. در ادامه فریم هایی از این آزمایش آمده است:

تست دوم مقاومت در برابر برخورد تایر خودرو فرمول یک با وزن 20 کیلوگرم و با سرعت 225 کیلومتر بر ساعت و محافظت از سر راننده:

محافظ در نظر گرفته شده از طرف تیم فراری:

محافظ معرفی شده تیم مهندسی فراری، halo ferrari نام دارد که بسیار مورد توجه مسئولان فنی FIA قرار گرفته است.

halo ferrari

به منظور بررسی halo ferrari معرفی شده از طرف فراری دست به شبیه سازی با توجه به ابعاد و جنس ارائه شده، می زنیم.

شبیه سازی halo ferrari با محیط نرم افزار pro engineer:

همانند  aeroscreen ، با توجه به جنس به کار گرفته شده در halo ferrari می توان مشخصات مدول الاستیسیته و ضریب پوآسون، مرتبه چکش خواری و مقاومت ضربه ای، تنش تسلیم و مدول برشی و… را به شبیه ساز به منظور تحلیل در نرم افزار Abaqus CAE Standard نسبت داد.

هندسه ستون مانند هالو با جنس cast carbon steel (فولاد کربن دار) به جرم 5 کیلوگرم:

cast carbon steel properties

حال با توجه به مشخصات جنس و نسبت دادن این مشخصات مکانیکی به شبیه ساز halo ferrari میتوان شرایط ضریه و ایجاد نیرو را به نرم افزار اعمال کرد.

لازم به ذکر می باشد که شرایط ضربه برای هالو فراری، برخورد لاستیک خودرو فرمول یک به وزن 20 کیلوگرم و با سرعت 225 کیلومتر بر ساعت به ستون هالو فراری می باشد.

شبیه ساز halo ferrari در محیط نرم افزاری Abaqus CAE Standard:

فریم توزیع نیروی برخورد

نمودار گرافیکی و همچنین منحنی توزیع نیرو نشان می دهد که توزیع مناسبی از نیروی برخورد در هندسه هالو فراری بوجود آمده است و نیروی برخوردی به انتهای سه ستون منتقل شده است. (بهترین نوع مقاومت در برابر نیروی برخورد، انتقال نیرو به نقاط انتهایی ستون ها می باشد که هالو فراری به خوبی این کار را انجام داده است) 

فریم اغراق شده از تغییر شکل در هندسه هالو فراری:

فریم اغراق شده تغییر شکل هالو فراری

فریم اغراق شده تغییر شکل هالو فراری

فریم اغراق شده تغییر شکل هالو فراری

محافظ در نظر گرفته شده از طرف تیم مرسدس:

محافظ معرفی شده تیم مهندسی مرسدس نیز یک halo می باشد که  halo mercedes نام دارد.

halo mercedes

همانند aeroscreen و halo ferrari به منظور بررسی این هندسه معرفی شده از سوی تیم مرسدس دست به شبیه سازی با توجه به ابعاد و جنس ارائه شده، می زنیم.

شبیه سازی halo Mercedes با محیط نرم افزار pro engineer:

هندسه هالو مرسدس همانند هالو فراری از جنس cast carbon steel (فولاد کربن دار) ساخته شده است و به جرم 5 کیلوگرم می باشد:

cast carbon steel properties

شبیه ساز halo mercedes در محیط نرم افزاری Abaqus CAE Standard و مش بندی شبیه ساز:

مش بندی شبیه ساز در محیط نرم افزاری Abaqus CAE Standard

حال با توجه به مشخصات جنس و نسبت دادن این مشخصات مکانیکی به شبیه ساز halo Mercedes میتوان شرایط ضریه و ایجاد نیرو را به نرم افزار اعمال کرد.

شرایط ضربه برای هالو مرسدس، برخورد لاستیک خودرو فرمول یک به وزن 20 کیلوگرم و با سرعت 225 کیلومتر بر ساعت به ستون هالو  مرسدس می باشد.

شبیه سازی شرایط ضربه در نرم افزار:

برخورد تایر خودرو فرمول یک با سرعت 225 کیلومتر بر ساعت

فریم اغراق شده از تغییر شکل در هندسه هالو مرسدس:

فریم اغراق شده تغییر شکل هالو مرسدس

فریم اغراق شده تغییر شکل هالو مرسدس

در پایان لازم به ذکر می باشد که توزیع مناسب نیرو در هالو فراری بهترین مقاومت در برابر ضربه را در پی داشته اما با توجه به انتقادات بسیاری از راننده ها مبنی بر ایجاد مزاحمت در دید راننده، قانون گذاران FIA از به تصویب رساندن هالو فراری تا به امروز منصرف گشته اند.

جداول پاسخ و منحنی های تنش و کرنش و منحنی ناحیه الاستیک و پلاستیک به منظور روان تر شدن متن، از نوشته حذف گردیده است.