Elementtimenetelmään perustuvan rakenneoptimoinnin vaikutus ajoneuvon törmäysturvallisuuteen

Abstract

Ajoneuvojen suunnittelutyössä pyritään toimimaan mahdollisimman tehokkaasti, ja energiatehokkuus onkin enenevissä määrin yksi tärkeimpiä suunnittelutavoitteita uusille ajoneuvoille. Rajattujen resurssien käyttö säästeliäästi hyödyntää sekä ajoneuvojen käyttäjiä kuin niiden valmistajiakin. Yksi tapa säästää resursseja on valmistaa kevyempiä ajoneuvoja, jolloin valmistamiseen kuluu vähemmän raaka-aineita ja päästöt pienenevät. Nykypäivänä ajoneuvoilla on kuitenkin paljon turvallisuustavoitteita muun muassa törmäystilanteiden kannalta. Rakenteiden keventäminen voi mahdollisesti johtaa heikompiin rakenteisiin, mikä heikentää törmäysturvallisuutta. Tässä työssä tarkastellaan voidaanko rakenneoptimoinnin keinoin ratkaista tätä ristiriitaa.

Työ toteutetaan kirjallisuuskatsauksena. Lähteinä työssä käytetään oppikirjoja taustoittamaan menetelmiä ja tieteellisiä artikkeleita sekä konferenssijulkaisuja, joista selvitetään minkälaisia ratkaisuja rakenneoptimointia varten on kokeiltu. Lähteet työtä varten on löydetty pääosin tietokannoista kuten Scopus, Springer Nature Link, ScienceDirect ja Knovel.

Kirjallisuuskatsauksessa todettiin, että henkilöautosta tehdyn elementtimenetelmämallin avulla on mahdollista löytää vaihtoehtoisia rakenneratkaisuja, jotka keventävät rakennetta merkityksellisesti ja täyttävät samalla turvallisuusvaatimukset. Optimointi alkaa jo olemassa olevan rakenteen mallintamisesta elementtimenetelmän keinoin, minkä jälkeen luodaan matemaattinen optimointitehtävä rajoitteiden ja tavoitteiden perusteella. Tehtävän luonteesta johtuen optimointi toteutuu monitavoiteoptimointina, jolloin sekä muuttujia että tavoitteita on arvotettava. Tuloksena on joukko ratkaisuja, joista paras mahdollinen karsitaan suunnitelutavoitteiden perustella. Törmäysturvallisuus pystytään siis takaamaan oikeanlaisella tavoitefunktion arvottamisella ja ratkaisunvalinnalla. Rakenteen eri iterointien törmäyskäyttäytymistä testataan simuloimalla niitä tietokoneohjelmalla.

Tutkimuksen perusteella käytetyillä laskenta-algoritmeilla on suuri vaikutus lopputuloksiin, mutta ajoneuvosuunnittelun kannalta ei ole selkeästi yhtä parasta ratkaisua tähän tehtävään. Tekoälyllä ja esimerkiksi neuraverkkoihin perustuvilla menetelmillä voisi tulevaisuudessa olla mahdollista nopeuttaa sekä erilaisten rakenneratkaisujen löytämistä että niiden törmäyskäyttäytymisen simulointia. Toinen lisätutkimuksen kohde voisi olla, miten eri algoritmit vertautuvat toisiinsa ja etenkin miten niiden lopputulokset eroavat toisistaan.