Uzyskanie konstrukcji hełmu strażackiego spełniającego wszystkie rygorystyczne wymagania dotyczące absorpcji energii oraz odporności na uderzenia udarowe wymaga sporego doświadczenia kadry inżynierskiej. Zwykle, wykorzystując tradycyjny proces projektowy wykonuje się kilka, kilkanaście modeli i doświadczalnie eliminuje niedoskonałości, co jest przedsięwzięciem czasochłonnym. W opisanym zadaniu celem było opracowanie nowego kształtu hełmu, z wykorzystaniem innowacyjnych materiałów kompozytowych i symulacji obliczeniowych MES.
Piotr Harnatkiewicz, Paweł Pacak
Do obliczeń zatwierdzono cztery modele wykonane z trzech różnych materiałów. Zasadniczym celem było określenie zachowania konstrukcji hełmów dla różnych kształtów, grubości i tworzyw, w wyniku oddziaływania obciążeń opisanych w normie PN-EN 443:2008. Wytyczne normy odnoszą się do konstrukcji hełmu, jednakże na potrzeby tej pracy badawczej przyjęto uproszczenie, polegające na analizowaniu jedynie skorupy hełmu, co nie miało wpływu na wartości merytoryczne otrzymanych wyników. Badania rozdzielone zostały na dwa etapy. W pierwszym wykonano badania statyczne ściskania skrup hełmów, a w drugim symulacje dynamiczne uderzeń w skorupy hełmów.
Badania statyczne
Norma PN-EN 443:2008 restrykcyjnie reguluje wymagania, jakie muszą zostać spełnione, by hełm został dopuszczony do użytku. Jednym z testów jest test bocznego ściskania. Polega on na poddaniu elementu poprzecznej, a następnie podłużnej sile ściskającej. Siła ta przenoszona jest przez dwie sztywne i nie ulegające deformacji płyty, między którymi umieszczany jest hełm. Norma opisuje przebieg tego badania w trzech postępujących krokach. Na potrzeby analizy MES odstąpiono od zapisu normowego i przyłożono od razu do płyt największą wartość obciążenia wynoszącą 630 N.
Głównym kryterium oceny konstrukcji hełmu jest jego odkształcenie spowodowane przyłożonym obciążeniem. Należy zmierzyć odległość między najbliższymi punktami w milimetrach oraz zanotować zakres zniszczeń, jeśli wystąpiły. Warunki, jakie muszą zostać spełnione są następujące:
Maksymalne odkształcenia poprzeczne oraz podłużne nie powinny przekraczać 40 mm
Odkształcenia resztkowe nie powinny przekroczyć 15 mm
Rys. 1a Widok od boku na konstrukcje skorupy hełmu A
Według powyżej przedstawionych kryteriów dokonywano weryfikacji kształtów hełmów oraz założonych materiałów.
Na podstawie dokumentacji (2D lub 3D) przygotowano modele geometryczne, które dostosowano do wymagań modeli obliczeniowych. Kolejnym krokiem była dyskretyzacja, dzięki czemu otrzymano modele podzielone na skończoną ilość małych elementów. Wielkość siatki dobrano tak, by w możliwie najlepszy sposób, nie narażając na znaczne wydłużenie się czasu analizy, oddać kształt rzeczywisty badanych elementów. Ostatnim krokiem w przygotowaniu modeli obliczeniowych było nałożenie warunków brzegowych, takich jak obciążenie, utwierdzenie czy wprowadzenie danych materiałowych. Poniżej poglądowo przedstawiono dwa kształty wytypowanych do badań numerycznych skorup hełmów. Odpowiednio na rysunkach 1a, 1b przedstawiono konstrukcję A, a na rysunkach 2a, 2b konstrukcję B.
cały artykuł dostępny jest w wydaniu 7/8 (82/83) lipiec/sierpień 2014
