Crash of pick up suspension : incorporating suspension failure in a vehicle finite element model to improve simulations of roadside hardware impacts

The safety performance of roadside hardware is evaluated through full-scale crash tests. During these tests, it is often observed that the vehicle suspension components fail, this is especially more common with the MASH 2270P (2270 kg pick-up truck) test vehicle. Most vehicle Finite Element (FE) computer models that are used to simulate these impacts do not include failure of the suspension system. This could lead to difference between the simulation and test results. This paper describes an analysis that was conducted to incorporate failure of the front suspension system of a 2270P test vehicle model. The model is based on NCAC 2007 Chevrolet Silverado pickup truck. The first parts of the study consisted of conducting components tests on the 2007 Chevrolet Silverado suspension system to characterize the failure behavior, that were performed at the FHWA’s Federal Outdoor Impact Laboratory (FOIL). Quasi static as well as dynamic tests were conducted to investigate the strain rate effects on the failure loads. Different components of the suspension system were tests (lower arm, upper arm, and tie rod joints) under different loading condition (shear and tension). For quasi-static tests, the force was applied using a hydraulic piston and maximum loads required to induce failure was measured by means of a load-cell. Specially designed support frames were developed to mount the suspension components. Different support frames are designed for each suspension component and loading scenario. Similar setups were developed for the dynamic tests. The load in the dynamics tests was applied using a pendulum and the limit loads are found using accelerometers mounted on the pendulum. All tests are also recorded by using high-speed cameras and the initial velocity of the pendulum was verified by utilizing motion analysis. A total of 10 quasi-static and 10 dynamic tests were conducted. In the second part of the study, computer models with similar setup to the component tests were developed. Simulations, with varied failure loads, were then preformed and compared to the test results and used to calibrate the failure of the suspension system. An iterative process was conducted until the simulation results matched all the tests. Based on the simulations results, one suspension model that captures the failure of all tests was produced. The suspension model was then incorporated in the full Chevrolet Silverado vehicle model. The impact performance of the upgraded model was compared to the original model using in a full scale crash simulation setup. The results from the two models were compared to the data from an actual full-scale crash test.

Le prestazioni delle barriere stradali sono valutate attraverso crash tests di veicoli in commercio contro le barriere medesime. Durante lo svolgimento di questi tests si puo spesso osservare che i componenti della sospensone, in particolare di quella anteriore cedono, questo è vero soprattutto quando si parla di veicoli rispondenti alla normativa MASH della classe 2270P ( cioè pickup del peso minimo di 2270 kg ) caratterizzati da massa elevata e centro di gravita' alto. La maggior parte dei modelli ad elementi finiti (FEM) , che sono utilizzati per simulare i suddetti impatti non contemplano la capacita' di prevedere il cedimento del sistema sospensorio e cio' conduce ad ottenere risultati diversi da quanto misurato nei tests sperimentali. Questo lavoro descrive l'analisi condotta per incorporare il cedimento della sospensione anteriore di un modello FEM di pickup corrispondente alla normativa MASH 2270P. Il modello ad elementi finiti utilizzato per l'analisi è basato sul pickup Chevrolet Silverado del'anno 2007. La prima parte dello studio consiste in test sperimentali sulle sottocomponenti della sospensione anteriore del veicolo finalizzati a caratterizzare il cedimento, che si sono svolti presso la FHWA’s Federal Outdoor Impact Laboratory (FOIL). Sono stati effettuati sia tests quasi statici che dinamici per investigare la dipendenza dagli effetti dinamici sui carichi di cedimento. Si sono testati diverse componenti della sospensione anteriore (giunti del triangolo superiore, del triangolo inferiore e del braccetto dello sterzo) sotto diverse condizioni di carico (taglio e tensione). Per cio' che riguarda i tests quasi statici il carico stato introdotto mediante l'utilizzo di un pistone idraulico e misurato mediante una cella di carico. Sono stati realzzati diversi telai e speciali supporti per vincolare e mantenere in posizione ciascun componente della sospensione in ogni diversa condizione di carico. Simili setup sono stati sviluppati per i tests dinamici dove il carico è stato applicato mediante un apposito pendolo e i carichi misurati a pertire dagli accelerometri posizionati sul pendolo stesso. Tutti i test sono stati ripresi con telecamere ad alta frequenza di acquisizione al fine di raffrontare i dati provenienti dall'analisi dei filmati con le velocita' di impatto nominali del pendolo. Sono stati condtti in tutto 10 tests quasi statici e 10 dinamici su 3 sottocomponenti della sospensione. La seconda parte dello studio riguarda la modellazione ad elementi finiti dei tests utilizzando un setup dei componenti simile a quello dei tests. Le simulazioni numeriche , con valori di cedimento modificati, sono state lanciate e si e' effettuata comparazione dei risultati con quelli dei test sperimentali, attraverso una procedura iterativa, protratta fino alla corrispondenza dei risultati numerici con quelli di tutti i tests sperimentali, che ha portato alla validazione dei modelli. Il modello aggiornato della sospensione e' stato quindi inglobato nel modello completo del veicolo e testato mediante una simulazione di crash test completo. I risultati dei test condotti sul modello aggiornato e non aggiornato sono stati quindi comparati con i dati provenienti dal crash tests sperimentale.