Brevet FR2937132A1 — publié le 20100416

PROCEDE POUR ESTIMER LES EXIGENCES PHYSIQUES DE TENUE EN CHOC FRONTAL D'UN FUTUR VEHICULE AUTOMOBILE, AU MOYEN D'UN OUTIL INFORMATIQUE. La présente invention concerne un procédé pour estimer les exigences physiques de tenue en choc frontal d'un futur véhicule automobile, au moyen d'un outil informatique. Actuellement les véhicules automobiles sont tous soumis au test du choc frontal, communément appelé � crash test � dans lequel le véhicule est envoyé à une vitesse de 64 km/h contre une barrière déformable du type CEVE ayant une largeur de 1 m et une profondeur de 0,54 m. Le choc frontal est réalisé sur l'un des coins avant du véhicule, de façon que l'avant de celui-ci recouvre 40 % de la largeur de la barrière. Le véhicule doit lors de ce choc frontal absorber l'énergie cinétique E initiale du choc qui est égale à '/2 MV2 (M étant la masse du véhicule et V la vitesse soit 64 km/h), et les intrusions à l'intérieur du véhicule doivent être limitées, pour éviter les risques de blessures des occupants. Ces conditions imposent de spécifier pour un futur véhicule, les deux exigences physiques essentielles suivantes : - des zones pour l'absorption d'énergie c'est-à-dire des zones à déformation programmée, - des zones indéformables, à savoir la cellule de survie des occupants, ce qui implique une tenue à l'effort des corps creux de la silhouette, à savoir le montant de la baie, la frise de la porte avant et le longeron. Dès le début d'un projet de conception d'un véhicule, on doit spécifier les exigences physiques précitées, de façon approchée, mais avec un niveau de confiance suffisant afin d'estimer la faisabilité technique de la conception de la structure du futur véhicule et d'évaluer le coût associé à savoir la masse du véhicule qui permet de déterminer le prix de revient de la fabrication. Depuis les années 2000, chaque constructeur spécifie la tenue aux chocs de ses véhicules. Aujourd'hui l'état de l'art consiste à utiliser des modèles de simulation numérique (modélisation par éléments-finis) qui permettent : - d'établir les spécifications ci-dessus (par itérations jusqu'à l'obtention du � scénario cible �), - d'étudier dans le détail la faisabilité du projet (faisabilité industrielle, masse, coût...). Un tel modèle de simulation numérique est alors appelé : � modèle démonstrateur du scénario de choc objectif �. Toutefois l'utilisation de modèles à éléments-finis de détail n'est pas adaptée aux phases amont d'un futur projet (le stade � d'avant projet �) ; en effet : pour construire ces modèles, il faut disposer d'une définition CAO (Conception assistée par ordinateur), même simplifiée, pour réaliser des maillages éléments-finis. Cependant, en tout début de projet, le style extérieur de la future voiture n'est pas figé mais il évolue. Par conséquent, un modèle de calcul par éléments-finis ne peut pas avec une réactivité satisfaisante suivre cette évolution. De plus, la précision d'un tel modèle est trop détaillée. Seules les � exigences physiques � essentielles importent pour la spécification à ce stade. Un modèle éléments-finis, nécessairement construit sur une définition de détail, ne fournit qu'un unique � point de fonctionnement � représentatif d'un choix de conception donné et ses paramètres de réglages ne sont que des paramètres géométriques de détail alors qu'on souhaiterait, plutôt à ce stade, agir directement sur les exigences physiques. De plus, à ce stade, le besoin essentiel est d'exploiter le retour d'expérience des projets antérieurs (par exemple, au niveau des exigences des véhicules qui ont été conçus sur une même plateforme, à type de silhouette comparable) pour aider au � cadrage � des exigences du futur véhicule. Un modèle éléments-finis de détail ne donne pas cette vision de synthèse technique multi-projets. Le but de la présente invention est de proposer un procédé permettant d'estimer au moyen d'un outil informatique simple, les exigences physiques de tenue au choc frontal d'un futur véhicule, c'est-à-dire en début d'avant-projet, sans avoir à recourir à un modèle numérique détaillé, tel qu'un modèle à éléments-finis. Ce but est atteint selon l'invention, grâce à un procédé pour estimer les exigences physiques de tenue en choc frontal d'un futur véhicule automobile au moyen d'un outil informatique dans lequel : on utilise en tant que données d'entrée : - la masse M du futur véhicule et la vitesse de celui-ci au moment du choc frontal, - les caractéristiques principales concernant l'objectif de la partie avant déformable lors du choc du futur véhicule, - les caractéristiques suivantes : A1) porte à faux et type de pare-chocs avant, A2) moteur et boîte de vitesses, position et encombrement de ceux-ci, A3) berceau avant, train avant, leur architecture et le type d'organe, - le type de silhouette choisi : berline, coupé-cabriolet, monospace, etc... - la loi sur l'effort appliqué sur le véhicule lors du choc frontal en fonction de l'enfoncement de la plateforme de ce véhicule, qui est connue pour des véhicules antérieurs construits sur la même plateforme, - on définit trois phases successives d'évolution de l'absorption d'énergie du choc frontal affectant trois zones successives dans lesquelles sont situées successivement les caractéristiques A1, A2, A3, et, - on calcule l'énergie absorbable dans chacune des trois phases successives précitées. Les principaux avantages de ce procédé sont qu'il est de mise en oeuvre simple étant donné qu'il utilise des lois simples de la physique et des bases de données incluant les caractéristiques connues des plateformes des véhicules qui ont déjà été soumis au choc frontal. De préférence : - on utilise, pour effectuer le calcul de l'énergie absorbable dans chacune des trois phases successives, des bases de données concernant : o des pare-chocs, pour la première phase, o des organes mécaniques (moteur et boîte de vitesses), pour la deuxième phase, o des berceaux avant et trains avant, pour la troisième phase. De préférence également : - on calcule, après avoir calculé l'énergie absorbable lors de la première phase du choc, l'énergie totale restant à dissiper en déduisant cette énergie absorbable de l'énergie totale à dissiper initiale, - on calcule, après avoir calculé l'énergie absorbable lors de la deuxième phase du choc, puis lors de la troisième phase, l'énergie totale restant à dissiper. Dans une version préférée de l'invention, - on utilise en outre en tant que données d'entrée, la valeur maximale choisie pour l'intrusion dans l'habitacle du véhicule, après le choc frontal (valeur d'intrusion cible) et des bases de données sur les plateformes, - on calcule l'effort maximal applicable sur la plateforme, en tenant compte de l'énergie totale calculée restant à dissiper après les trois phases d'évolution du choc et des bases de données sur les plateformes, - on calcule l'effort total maximal dans la silhouette à partir du résultat du calcul précédent et de la loi sur l'effort en fonction de l'enfoncement de la plateforme. Dans une étape ultérieure du procédé : 20 - on utilise, en tant que données d'entrée, le type de silhouette du futur véhicule, à savoir, berline, coupé-cabriolet, monospace etc... et des bases de données concernant des silhouettes connues, - on calcule la répartition en pourcentage de l'effort maximal dans la silhouette sur les corps creux de la silhouette. 25 Dans une autre étape ultérieure du procédé : - on utilise en tant que données d'entrée, des bases de données sur les sections types et les masses linéiques des corps creux composant des silhouettes de véhicules connues, et, - on calcule à partir de l'effort maximal appliqué à chaque corps creux 30 dans la silhouette calculé précédemment et des bases de données précitées, la masse des corps creux et à partir de ce calcul, - on fait une estimation de la masse concernant la silhouette par rapport à l'objectif de tenue en choc frontal du futur véhicule. 15 D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore tout au long de la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples, non limitatifs : - la figure 1 est une vue en perspective montrant l'avant d'un véhicule automobile sur le point de heurter la barrière utilisée lors d'un test de choc frontal, - la figure 2 montre les principaux éléments de la structure latérale de l'habitacle d'un véhicule et les forces qui s'appliquent sur ces éléments lors d'un choc frontal, - la figure 3 est un diagramme illustrant la loi de l'effort s'appliquant sur un véhicule lors d'un choc frontal en fonction de l'enfoncement de la plateforme de ce véhicule et montrant les phases successives d'évolution de cet enfoncement, - la figure 4 représente l'organigramme détaillé du procédé selon l'invention. La figure 1 montre la barrière 1 normalisée utilisée lors d'un test de choc frontal d'un véhicule 2. Le véhicule 2 comprend une zone avant 3 déformable lors du choc frontal et une zone 4 constituée par l'habitacle qui doit résister au choc frontal pour protéger les occupants du véhicule. Pour cette zone 4, il existe une � valeur d'intrusion cible � ce qui veut dire que l'intrusion d'objets à l'intérieur de l'habitacle doit être réduite pour ne pas blesser gravement les occupants à la suite d'un choc frontal. La zone avant 3 du véhicule comprend successivement (voir figure 1) : - le porte à faux avant et le pare-chocs avant 5, - le moteur 6 et la boîte de vitesses accolée à celui-ci, - le berceau 7 et le train avant 8. La figure 2 montre une partie de la structure latérale de l'habitacle du véhicule 1 qui est composée principalement d'un montant 9 de baie de pare-brise, d'une frise 10 de porte avant et d'un longeron 11. Les flèches F1, F2, F3 montrent les efforts qui s'appliquent respectivement sur le montant 9, la frise 10 et le longeron 11 lors du choc frontal. Ce montant 9, cette frise 10 et ce longeron 11 sont des corps creux et doivent être dimensionnés pour atteindre la valeur d'intrusion cible évoquée plus haut. Le diagramme de la figure 3 montre l'évolution de l'effort E s'appliquant sur l'avant du véhicule lors d'un choc frontal, en fonction de la profondeur d de l'enfoncement de la plateforme du véhicule. Ce diagramme montre quatre phases successives : phase 1, phase 2, phase 3 et phase 4. Les phases 1, 2 et 3 concernent la partie avant du véhicule et la phase 4 concerne l'habitacle. Dans chaque phase une partie de l'énergie du choc est absorbée. La phase 1 concerne l'absorption d'énergie par la zone du porte à faux avant et du pare-chocs avant 5. La phase 2 concerne la compression de la zone dans laquelle est situé l'ensemble moteur 6 et boîte de vitesses. La phase 3 concerne la compression de la zone du berceau 7 et du train avant 8. La phase 4 concerne l'habitacle en particulier la zone dans laquelle sont situés les corps creux 9, 10, 11 représentés sur la figure 2. Cette phase 4 concerne le chargement de la silhouette et l'apparition d'intrusion dans l'habitacle. L'organigramme détaillé de l'outil informatique utilisé pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est représenté sur la figure 4. Cet organigramme représente sous forme de blocs des données d'entrée, des bases de données et des opérations de calcul ou des tests de logique. En haut et au milieu de l'organigramme figure un bloc 20 concernant la masse M du futur véhicule et sa vitesse Vo. A partir de ces données d'entrée, l'outil informatique calcule (voir bloc 21) l'énergie totale à dissiper lors du choc frontal qui est égale à 1/2 MVo2. A gauche et en haut de l'organigramme figure un bloc 22 concernant les données d'entrée portant sur le choix de la définition du futur véhicule en ce qui concerne le porte à faux avant et le type de pare-chocs avant. A partir de ces données et d'une base de données sur les pare-chocs représentée par le bloc 23, l'outil informatique calcule (voir bloc 24) l'énergie absorbable lors de la phase 1 du choc frontal telle que représentée sur la figure 3. A partir du résultat de ce calcul et de la loi effort / enfoncement plateforme (voir bloc 25) l'outil informatique évalue si les données d'entrée mentionnées dans le bloc 22, permettent d'atteindre l'objectif (voir bloc 26). Dans le cas contraire, il est nécessaire de modifier ces données d'entrée. Il est à noter que la loi effort / enfoncement plateforme représentée sur la figure 3 est connue car elle a été déterminée à la suite de tests de choc frontal effectués sur des véhicules antérieurs construits sur la même plateforme que celle du futur véhicule. L'outil informatique peut ensuite calculer (voir bloc 27) l'énergie totale restant à dissiper qui est égale à '/2 MVo2 û EPh1 (Energie absorbée lors de la phase 1). L'outil informatique calcule ensuite, à partir des données d'entrée concernant le moteur et la boîte de vitesses, la position et l'encombrement de ceux-ci (voir bloc 28) et des bases de données du bloc 29 concernant les organes mécaniques (moteur, boîte de vitesses, etc...), l'énergie absorbable dans la phase 2 du choc frontal (bloc 30). A partir de ce résultat, l'outil informatique évalue (voir bloc 32) en utilisant la loi effort / enfoncement plateforme (bloc 31) si les données d'entrée du bloc 28 permettent d'atteindre l'objectif. Dans le cas contraire, ces données d'entrée doivent être modifiées. L'outil informatique peut ensuite calculer (voir bloc 33) l'énergie totale restant à dissiper qui est égale à '/2 MVo2 û EPh1 û EPh2 (Energie absorbée lors de la phase 2). Dans l'étape suivante, l'outil informatique calcule à partir des données d'entrée du bloc 34 concernant le choix du berceau avant, du train avant, leur architecture et leur type et des bases de données du bloc 35 concernant les berceaux et les trains avant, l'énergie absorbable lors de la phase 3 du choc (voir bloc 36). Ensuite, l'outil informatique évalue comme précédemment, à partir de la loi effort / enfoncement plateforme (bloc 37) si les données d'entrée 34 permettent d'atteindre l'objectif (voir bloc 38). Dans le cas contraire, ces objectifs doivent être modifiés. L'outil informatique calcule ensuite (voir bloc 39) l'énergie totale restant à dissiper qui est égale à : '/2 MVo2û EPh1 û EPh2 û EPh3 Dans une étape suivante, l'outil informatique utilise le résultat du calcul ci-dessus et les bases de données (voir bloc 40) concernant les plateformes pour calculer (voir bloc 41) l'effort maximal applicable sur la plateforme. A partir du résultat de ce calcul, de la loi effort / enfoncement de la plateforme (bloc 42), des données d'entrée (bloc 43) concernant la valeur d'intrusion cible dans l'habitacle définie précédemment, l'outil informatique évalue si l'objectif de cette valeur cible est atteint (voir bloc 44). Dans le cas contraire les données d'entrée sont à modifier. Dans l'étape suivante, l'outil informatique utilise (voir bloc 45), en tant que données d'entrée, le type de silhouette (berline, coupé-cabriolet, monospace) choisi pour le futur véhicule. A partir de ces données et des bases de données (bloc 46), l'outil informatique calcule (voir bloc 47) une répartition des efforts en % puis l'effort total maximal applicable dans la silhouette choisie (voir bloc 48). A partir du résultat de ce calcul, l'outil informatique évalue (voir bloc 49) si les données d'entrée du bloc 45 permettent d'atteindre l'objectif. Dans le cas contraire, ces données d'entrée sont à modifier. A partir du résultat du calcul de l'effort maximal applicable dans la silhouette, l'outil informatique peut calculer (voir bloc 50) l'effort maximal applicable sur chaque corps creux de la silhouette et déterminer à l'aide des bases de données du bloc 51 concernant les sections types et les masses linéiques des corps creux, la masse des corps creux (voir bloc 52). Ensuite, l'outil informatique est en mesure de faire une estimation (voir bloc 53) de la masse de la silhouette par rapport à l'objectif de tenue en choc frontal. Dans le cas d'un futur projet qui réutilise une plateforme et des organes connus (moteur, berceau, pare-chocs), l'énergie absorbable sera en théorie connue pour les trois premières phases du choc, seule varie la dernière phase car celle-ci dépend : - de l'énergie cinétique incidente (c'est-à-dire de la masse du futur véhicule) - du niveau de prestation ciblée en choc frontal pour le futur véhicule (par exemple, le niveau d'intrusion à l'intérieur de l'habitacle) - du type de silhouette envisagée pour le futur véhicule (par exemple : berline 5 portes, coupé-cabriolet, monospace, pare-brise avancé, porte latérale coulissante..). C'est cette dernière phase que calcule alors l'outil informatique conformément au procédé décrit précédemment à savoir : l'estimation de l'énergie 10 restant à absorber durant la dernière phase du choc : par différences successives entre l'énergie cinétique initiale du choc et les énergies absorbées durant les trois premières phases (énergies estimées successivement à partir des bases de données couplées à l'outil) - à partir du niveau objectif d'intrusion fixé, calcul de l'effort requis durant la dernière phase pour absorber cette énergie - connaissant l'effort total de tenue de la partie plateforme, déduction de l'effort total devant être tenu par la silhouette pour respecter l'objectif d'intrusion précédent - estimation d'une répartition d'effort sur les différents corps creux constitutifs de la silhouette (longeron, frise de porte, montant de pare-brise), estimation réaliste car basée sur des projets antérieurs de même type de silhouette. La réalisation de l'outil informatique peut être effectuée sous la forme d'un classeur de calcul Excel intégrant : 25 - les différentes bases de données (formant le retour d'expérience des projets antérieurs) décrites précédemment Données servant de base à l'estimation statistique - une feuille de calcul réalisant l'organigramme décrit précédemment (programmé sous forme de macros fonctions Excel). 30 Les principaux avantages du procédé selon l'invention sont de pouvoir spécifier plus tôt la tenue au choc d'un futur véhicule (avant d'avoir une définition CAO) et un niveau de confiance satisfaisant (basé sur le retour d'expérience des projets antérieurs) et de gagner du temps de développement avec un outil 15 20 d'analyse très simple, plus rapide que les modèles de simulation numérique actuels. REVENDICATIONS1. Procédé pour estimer les exigences physiques de tenue en choc frontal d'un futur véhicule automobile au moyen d'un outil informatique dans lequel : on utilise en tant que données d'entrée : - la masse (M) du futur véhicule et la vitesse de celui-ci au moment du choc frontal, - les caractéristiques principales concernant l'objectif de la partie avant déformable lors du choc du futur véhicule, - les caractéristiques suivantes : A1) porte à faux et type de pare-chocs avant, A2) moteur et boîte de vitesses, position et encombrement de ceux-ci, A3) berceau avant, train avant, leur architecture et le type d'organe, - le type de silhouette choisi : berline, coupé-cabriolet, monospace, etc... - la loi sur l'effort appliqué sur le véhicule lors du choc frontal en fonction de l'enfoncement de la plateforme de ce véhicule, qui est connue pour des véhicules antérieurs construits sur la même plateforme, - on définit trois phases successives d'évolution de l'absorption d'énergie du choc frontal affectant trois zones successives dans lesquelles sont situées successivement les caractéristiques (Al), (A2), (A3), et, - on calcule l'énergie absorbable dans chacune des trois phases successives précitées. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel : - on utilise pour effectuer le calcul de l'énergie absorbable dans chacune des trois phases successives et des bases de données concernant : - des pare-chocs, pour la première phase, - des organes mécaniques (moteur et boîte de vitesses), pour la deuxième phase, - des berceaux avant et trains avant, pour la troisième phase. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel : - on calcule, après avoir calculé l'énergie absorbable lors de la première phase du choc, l'énergie totale restant à dissiper en déduisant cette énergie absorbable de l'énergie totale à dissiper initiale,- on calcule, après avoir calculé l'énergie absorbable lors de la deuxième phase du choc, puis lors de la troisième phase, l'énergie totale restant à dissiper. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel : - on utilise en outre en tant que données d'entrée, la valeur maximale choisie pour l'intrusion dans l'habitacle du véhicule, après le choc frontal (valeur d'intrusion cible) et des bases de données sur les plateformes, - on calcule l'effort maximal applicable sur la plateforme, en tenant compte de l'énergie totale calculée restant à dissiper après les trois phases d'évolution du choc et des bases de données sur les plateformes, - on calcule l'effort total maximal dans la silhouette à partir du résultat du calcul précédent et de la loi sur l'effort en fonction de l'enfoncement de la plateforme. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel dans une étape 15 ultérieure : - on utilise, en tant que données d'entrée, le type de silhouette du futur véhicule, à savoir, berline, coupé-cabriolet, monospace etc... et des bases de données concernant des silhouettes connues, - on calcule la répartition en pourcentage de l'effort maximal dans la 20 silhouette sur les corps creux de la silhouette. 6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel dans une étape ultérieure : - on utilise en tant que données d'entrée, des bases de données sur les sections types et les masses linéiques des corps creux composant des silhouettes de véhicules connues, et, 25 - on calcule à partir de l'effort maximal appliqué dans la silhouette calculé précédemment et des bases de données précitées, la masse des corps creux et à partir de ce calcul, - on fait une estimation de la masse concernant la silhouette par rapport à l'objectif de tenue en choc frontal du futur véhicule. 30