FIA en Autosport: Veiligheidsevaluatie van Rolkooien
Automotive: Simulaties als alternatief voor testen zonder concessies aan de veiligheid
Automotive: Simulaties als alternatief voor testen zonder concessies aan de veiligheid
De FIA (Fédération Internationale de l’Automobile), de internationale autosportfederatie, speelt een belangrijke rol als toezichthouder en coördinator binnen de autosportwereld. Een van haar verantwoordelijkheden is het stellen van veiligheidsnormen waaraan deelnemende voertuigen en haar coureurs moeten voldoen. Een belangrijk onderdeel daarbij zijn de eisen aan de rolkooi. Deze constructie biedt de noodzakelijke bescherming voor de bestuurder voor voertuigen in de automobielsport.
Het is vanuit het verleden gebruikelijk dat rolkooien fysiek getest worden om te controleren of ze aan de FIA-veiligheidsnormen voldoen. Hiervoor zal dus eerst een rolkooi moeten worden gemaakt die aan een aantal destructieve testen wordt onderworpen. Een alternatief hiervoor is deze tests uitvoeren met een Digital Twin in de virtuele wereld. Simulaties bieden een efficiënte methode om de rolkooien aan de FIA-veiligheidsnormen te toetsen. Deze aanpak biedt aanzienlijke voordelen, denk daarbij aan kosten- en tijdsbesparing en snelle iteraties. Een bijkomend voordeel is dat potentiële structurele problemen vroegtijdig worden geïdentificeerd en mogelijke gewichtsbesparingen inzichtelijk worden gemaakt.
Femto Engineering is sinds vorig jaar FIA-geaccrediteerd en hiermee het enige bedrijf in de Benelux dat verifieert of rolkooiconstructies voldoen aan de FIA-veiligheidsnormen met simulaties. Onze accreditatie is opgenomen in de Technical List 35 van de FIA, de lijst met alle geaccrediteerde bedrijven die dergelijke simulaties uitvoeren.
Aan de hand van het 3D CAD-ontwerp van de rolkooi wordt een eindig-elementenmodel (in het Engels “Finite Element Model”, ofwel FE-model) opgezet dat het mechanisch gedrag van de rolkooi nauwkeurig beschrijft. Door de geometrie om te zetten in een FE-model kunnen simulaties worden opgezet die het testen van de constructie beschrijven zoals dit ook in de realiteit getest zou worden.
Daarnaast is het van groot belang om de randvoorwaarden op dezelfde manier aan te brengen in het FE-model als in de tests. Zo is, bijvoorbeeld, in één van de testen de rolkooi aan de onderkant volledig vastgeklemd, in het model wordt dan ter plaatste van de inklemming de constructie gefixeerd. Daarnaast moeten de contactpunten tussen de stempel, die wordt gebruikt om de belasting aan te brengen, en de rolkooi zelf exact worden geplaatst zodat deze overeenkomen met de test. Uiteraard wordt ook rekening gehouden met het mogelijke onderlinge contact tussen de buizen van het frame.
Een voorbeeld van het model in een bepaalde test is te zien in onderstaande figuur. Te zien is dat er een verticale opgelegde verplaatsing wordt aangebracht.
De FIA schrijft voor dat alle buisprofielen van de rolkooi van de legering 25CrMo4 gemaakt moeten zijn. Doordat het materiaal zich eerst elastisch gedraagt tot de vloeigrens wordt bereikt waarna het plastisch vervormt, moet er een lineair elastisch-plastisch materiaalmodel worden toegepast. Dit materiaalgedrag wordt in de simulatie beschreven door gebruik te maken van de (ware) spannings-rek kromme van 25CrMo4.
Door het gebruik van een zogenaamde expliciete solver kunnen zowel grote plastische vervormingen en het mogelijk optreden van knik in de buizen van de rolkooi worden meegenomen. De simulaties zijn gebaseerd op de ‘FIA Homologation Regulations for Safety Cages 2023’, waarbij drie tests worden gesimuleerd. Aan de hand van de resultaten wordt de sterkte en stijfheid van de rolkooi bepaald en kan geconcludeerd worden of deze voldoet aan de door de FIA gestelde eisen. Een mogelijke uitkomst kan ook zijn dat er gewicht bespaard kan worden, wat zeer interessant kan zijn voor de fabrikant.
Voor goedkeuring door de FIA zijn drie verschillende tests benodigd. De belasting per test hangt daarbij af van zowel het gewicht van het voertuig als het type voertuig. Ook schrijft de FIA voor welke afmetingen de stempels moet hebben, evenals de snelheid waarmee dit moet gebeuren.
Eerder is al een voorbeeld gegeven van een van de tests, waarbij een verticale opgelegde is aangebracht op de rolkooi via een stempel. Het resultaat van simulatie van deze test is hieronder weergegeven. Voor dit type rolkooi is de voorgeschreven belasting voor deze test 70.5 kN. De FIA schrijft vervolgens een maximale vervorming voor die niet groter mag zijn dan 50mm. Als de maximale vervorming hieronder blijft en de constructie niet scheurt, voldoet de constructie aan de FIA-eisen. De andere tests worden op een vergelijkbare manier uitgevoerd.
Links: Verplaatsing Rechts: Spanning
Wanneer de resultaten van de simulaties aangeven dat de rolkooi aan alle FIA-eisen voldoet, stelt Femto een gedetailleerd rapport op met de modelbeschrijving, uitgevoerde simulaties, resultaten en conclusies. Dit rapport wordt gedeeld met de klant en fungeert als officieel bewijs dat de rolkooi aan de FIA-normen voldoet. De reguliere doorlooptijd voor een dergelijk project bedraagt doorgaans minder dan één week.
Mocht de constructie niet voldoen, dan worden er voorstellen ter verbetering gedaan en kunnen met behulp van simulaties snelle ontwerpiteraties worden uitgevoerd. In andere gevallen is het mogelijk dat de constructie lichter wordt uitgevoerd.
Voor vragen of verzoeken kunt u contact met ons opnemen via het onderstaande formulier of telefonisch.
Heeft u vragen of interesse in één van onze diensten? Neem dan vrijblijvend contact met ons op. Wij helpen u graag.
Bij Femto Engineering helpen we bedrijven hun innovatieve ambities te bereiken met specialistische engineering consultancy, software en R&D.
Wij zijn Siemens DISW Expert Partner voor Simcenter Femap, Simcenter 3D, Simcenter Amesim, Simcenter STAR-CCM+ en SDC Verifier. Neem contact met ons op en laat FEM en CFD voor u werken.
Schrijf je nu in voor onze nieuwsbrief en ontvang maandelijks FEA kennis, nieuws en tips gratis in je inbox.