سازه های ضربه پذیر, امید ایمنی بیشتر

امروزه, دیگر كاهش خسارات حاصل از تصادفات و جبران یا تخفیف عواقب ناشی از آن به یكی از موضوعات مهم در طراحی مهندسی, تدوین قوانین و خدمات بیمه ای تبدیل شده است

تاکنون قوانین زیادی در خصوص بهبود ایمنی ثانویه خودرو در کشورهای پیشرفته تصویب شده است.

ایمنی ثانویه به حفاظت خودرو از سرنشین خود در هنگام تصادف گفته می شود. ایمنی اولیه نیز به ویژگی هایی چون سیستم ترمز گفته می شود که در اجتناب از وقوع تصادف نقش دارند.

در سال ۲۰۰۲ تنها در امریکا ۴۲۸۱۵ نفر در اثر تصادف جان خود را از دست داده اند که نسبت به سال ۲۰۰۱ ۱.۵% افزایش داشته و بسیار بالاتر از میزان مرگ و میر ناشی از تصادفات در سال ۱۹۹۰ است. همچنین در سال ۲۰۰۲، دو میلیون و نهصد و بیست و شش هزار نفر در اثر تصادفات رانندگی مجروح شده اند که بسیاری از آنها آسیبهای دائمی بودند. همراه با توسعه جوامع، مردم خواهان ایمنی بیشتر و مصرف سوخت کمتر در خودروها هستند. در تحقیقی که در بین سالهای ۱۹۸۰ تا ۱۹۹۸ نیز در انگلستان انجام شده بود، میزان آسیبها و تلفات تصادفات در روند پیشرفت و بهبود سیستمهای ایمنی ارزیابی شد. این تحقیق نشان می داد که میزان جراحات در خودروهای مدرنتر با سیستمهای ایمنی بهتر، کمتر می شود. این امر خصوصاً تا سرعتهای ۶۵ کیلومتر در ساعت بیشتر مشخص بود.

امروزه، دیگر كاهش خسارات حاصل از تصادفات و جبران یا تخفیف عواقب ناشی از آن به یكی از موضوعات مهم در طراحی مهندسی، تدوین قوانین و خدمات بیمه‌ای تبدیل شده است. در سالهای اخیر در راستای معیارهای طراحی مطمئن، تحقیقات دانشگاهی و صنعتی بیشماری بصورت تجربی و تئوری در زمینه چگونگی لهیدگی و تغییر شکل قطعات جذب کننده انرژی از انواع آلیاژها صورت گرفته است. دستیابی به این معیارها توانایی مهندسان را در طراحی سازه‌‌های مناسب و ضربه پذیر و بهبود خواص جذب انرژی ضربه افزایش می دهد.

هدف از طراحی و ساخت سازه‌‌های ضربه‌پذیر، جذب انرژی ضربه بصورت برگشت‌ناپذیر، محدود كردن نیروهای وارد شده به سرنشینان خودرو و حفظ سلامتی آنان، و كاهش خسارات به خودرو می‌باشد.

این امر مستلزم بهبود خواص جذب انرژی قطعات در هنگام تصادف و کاهش وزن قطعات خودرو است.

علاوه بر آن، در هنگام تصادف نیروی ضربه و شتاب نباید از حد معینی بیشتر شوند تا اختلاف بین میزان اولیه و نهایی کاهش سرعت و نیرو از طریق افزایش قابلیت جذب انرژی به حداقل برسد و در نتیجه میزان خسارت به خودرو و آسیب دیدگی سرنشینان آن کاهش یابد.

لازم است به این نکته توجه شود که آیا سرنشین می تواند نیروی ضربه را تحمل کند؛ به بیان دیگر بزرگی قله یا بیشترین نیروی ضربه در نمودار (نیروی برخورد بر حسب تغییر شکل محوری ) که میزان کاهش سرعت را تعیین می کند، باید برای سرنشین قابل تحمل باشد.

بهبود ضربه‌پذیری سازه می‌بایست با توجه به محدودیت در مقدار نیرو و میزان تغییر شكل انجام شود.

اگر استحكام سازه به منظور كاهش خسارت افزایش یابد، نیروی زیادی به هنگام تصادف به سرنشین وارد خواهد شد كه عملاً قابل قبول نیست. از طرف دیگر اگر به منظور كاهش نیروهای وارده از موادی با استحكام پایین استفاده شود، با كوچكترین برخوردی، خودرو خسارت عمده خواهد دید.

راه‌حل بهینه استفاده از سیستم‌‌های جذب انرژی در قسمتهای حساس خودرو است. این سیستم‌ها باید در هنگام تصادف قادر باشند در یك مقدار نیروی قابل پیش‌بینی، جذب انرژی زیاد و تغییر شكل كنترل شده داشته باشند. سیستم‌‌های استفاده شده بدین صورت معمولاً قطعات یكبار مصرف هستند. یعنی بعد از یكبار تغییر شكل تعویض می‌شوند.

نیاز به جذب انرژی زیاد و محدودیت در مقدار نیرو ایجاب می‌كند كه سیستم‌‌های جذب كننده انرژی دارای قابلیت لهیدگی زیاد باشند. بنابراین، تحقیقات بر روی سیستم‌هایی متمركز شده است كه می‌توانند در نیروی ثابت به میزان زیادی تغییر شكل دهند.

انرژی مکانیکی در جامدات توسط تغییر شکل پلاستیک (برگشت ناپذیر) جذب می شود. میزان این جذب به ماهیت مکانیزم تغییر شکل، تراکم مکانهایی که مکانیزمها در آنجا فعال هستند، و پایداری تغییر شکل بستگی دارد.

از طرف دیگر، حرکت به سوی خودروهای سبکتر، تبدیل به یک موضوع مهم مهندسی در صنعت خودروسازی امروز دنیا شده است. برای کاهش وزن خودرو، موادی چون آلیاژهای آلومینیم و منیزیم، فولادهای استحکام بالا، مواد کامپوزیتی و غیره به عنوان جایگزین فولادهای نرم رایج بکار گرفته شده اند.

مطالعات نشان می‌دهد كه فولادها می توانند جذب كننده انرژی مطلوبی باشند فقط بهتر است بر روی تولید grade ‌های خاصی از فولاد (مثل فولادهای HSS ) كار شود تا مسئله كاهش وزن نیز حل شود.

در این میان توجه به آلیاژهای آلومینیم به عنوان جایگزین قطعات فولادی با استحکام نه چندان زیاد، نیز افزایش پیدا کرده است.

در مقایسه آلومینیم با فولاد باید گفت، فولادهای نرم، سفتی (Stiffness) بیشتر و خواص بهتری در هنگام خمش دارند اما آلیاژهای آلومینیم وزن کمتر و جذب انرژی بیشتری دارند. آلیاژهای آلومینیم نسبت به فولادهای متداول تا ۲۵ درصد در کاهش وزن خودرو نقش دارند. وزن کمتر، مصرف سوخت کمتر و انتشار دی اکسید کربن کمتری را به همراه دارد. همچنین آلومینیم قابلیت بازیافت را داشته و این یک مزیت زیست محیطی محسوب می شود.

برای تضمین ایمنی ، معمولاً ورقهای فلزی که در بدنه خودرو بکار می روند باید به گونه ای طراحی شوند که استحکام لازم برای تامین ایمنی سرنشین در هنگام تصادف و ضربه شدید را داشته باشند و اینکار باید با افزایش ضخامت بدنه انجام شود. این امر باعث افزایش وزن خودرو و در نتیجه افزایش مصرف سوخت و افزایش هزینه مواد اولیه و تولید خواهد شد. بنابراین بنا به دلایل اقتصادی نمی توان ضخامت بدنه را برای تامین ایمنی سرنشین تا هر اندازه ای بالا برد. مضاف بر اینکه مناطقی از بدنه بخاطر شرایط هندسی خاص یا به دلیل وجود قطعات دیگر نمی توانند ضخیمتر شوند. ابداعات و اختراعات بسیاری در این زمینه به ثبت رسیده اند. در این میان، کامپوزیتها و لوله های جدار نازک (خصوصاٌ آلومینیمی) بیش از همه مورد توجه محققین و مهندسین خودرو قرار گرفته اند.

نیاز خودروسازان به افزایش قابلیت جذب انرژی و همراه آن كاهش وزن خودرو، تحقیقات را به سمت مواد جدیدتر و مورد توجه كمتر سوق داده است. كامپوزیتها قادر خواهند بود هم كاهش وزن و هم جذب انرژی بهتر را بطور هم زمان داشته باشند. طی سالهای اخیر، استفاده از مواد كامپوزیتی در ساختارهای جاذب انرژی مورد توجه بسیار قرار گرفته است. ساختارهایی با قابلیت له‌شدگی بالا از جنس مواد كامپوزیتی، بسیار بیشتر از ساختارهای فلزی، جذب كننده انرژی هستند؛ اما هزینه بالای ساخت نمونه‌‌های اولیه و قیمت نسبتاً گران فرایند تولید، مصرف كامپوزیتها را فقط در خودروهای گرانقیمت محدود كرده است.

بسیاری از محققان در تحقیقات خود در زمینه حذف شکستهای ناگهانی، ابعاد هندسی بهینه و محدودیتهای ابعادی را مورد بررسی قرار داده اند. مشخص شده است که برای رسیدن به بهترین مکانیزم شکست، نسبتهای ابعادی مثل نسبت قطر به ضخامت از اهمیت زیادی برخوردار است.

لوله‌‌های جدار نازك به دلیل مقدار لهیدگی زیاد، سبكی، اشغال فضای كم، پایداری بهتر به هنگام لهیدگی، ارزانی و دسترسی آسان به عنوان سیستم جذب انرژی مورد توجه بوده و برای بسیاری از كاربردهای مهندسی مناسب هستند. از این قطعات بعنوان جاذب انرژی در شاسی، پشت سپر و ستون فرمان خودرو، ضربه‌خور (Buffer) قطارها و كشتی‌ها، كف آسانسورها، به منظور نشت نرم، حفاظت از تجهیزات و مواد بسته‌بندی شده در هلیكوپترها و فضاپیماها و همچنین در مخازن سوخت هسته‌ای استفاده می‌شود.

بعد ها مشخص شد که با ایجاد شیارهای حلقوی داخلی و خارجی بر روی لوله‌‌های جدار نازك فولادی، می‌توان مكانیزم تغییر شكل را كنترل نمود. بخصوص اگر فاصله نسبی شیارها کمتر از حد بحرانی باشد، تغییر شکل همواره بصورت آکاردئونی انجام می شود.

اخیراً تحقیقاتی نیز در مورد قابلیت جذب انرژی ساختارهای اسفنجی انجام گرفته و نتایج امیدوار کننده ای را بهمراه داشته است.

خلاصه آنکه، امروزه به دلیل افزایش انتظارات افكار عمومی ، بیش از هر زمان دیگری توجه کارشناسان و متخصصان ایمنی خودرو به بهبود خواص ضربه پذیری، كاهش اثرات ضربه حاصل از تصادفات بر روی سرنشینان خودرو ، و شبیه سازی شرایط واقعی ضربه در هنگام تصادف معطوف است.