Analiza numeryczna efektów uderzenia pociskiem stalowym oraz lodowym na podstawie założeń normy PN-EN ISO 9806

Norma PN-EN ISO 9806 wyróżnia dwie podstawowe metody badania kolektorów słonecznych na uderzenie gradem: uderzenie kulą lodową z dużą prędkością oraz zrzut kuli stalowej z wysokości do 2 m. W artykule przedstawiono wstępnie badania porównujące efekty uderzenia kulą stalową oraz lodową w blachę stalową, które przedstawiają podstawowe różnice w badanym zjawisku. Analizę porównawczą przeprowadzono za pomocą symulacji numerycznej, stosując Metodę Elementów Skończonych oraz metodę bezsiatkową Smoothed-particle hydrodynamics, a także wykorzystując metodę explicit w oprogramowaniu Ansys LS-Dyna. W wyniku przedstawionych analiz wykazano silną konserwatywność uproszczonej metody badawczej (zrzut kuli stalowej) w stosunku do metody podstawowej (uderzenie kulą lodową z dużą prędkością). Maksymalne ugięcia blachy stalowej uderzonej kulą stalową charakteryzowały się wartościami zawyżonymi o 49% w stosunku do uderzenia pociskiem lodowym. Rozkłady naprężeń oraz odkształceń również w sposób znaczący wskazywały na silną konserwatywność uderzenia kulą stalową. Na podstawie zachowania się pocisków w czasie trwania zderzenia wywnioskowano, że główną przyczyną różnic w uzyskanych wynikach jest odmienna charakterystyka zastosowanych materiałów w zakresie rozproszenia energii kinetycznej. Pocisk lodowy wykazał silne zniszczenie w całej objętości, rozpraszając energię w procesie pękania oraz rozpadu pocisku. Pocisk stalowy wykazał wyłącznie lokalne uplastycznienie, znacząco słabiej rozpraszając energię uderzenia. Badanie odporności kolektorów słonecznych przez upuszczanie kuli stalowej jest podejściem atrakcyjnym pod kątem kosztów badań z uwagi na brak konieczności stosowania drogiej aparatury badawczej. Symulacja numeryczna wskazała jednak na znaczną konserwatywność tego podejścia, co może skutkować zaniżoną ekonomicznością projektowanych kolektorów słonecznych.

---

The PN-EN ISO 9806 standard distinguishes two methods for testing solar collectors for hail impact: high-velocity ice ball impact and the drop of a steel ball from a height of up to 2 meters. The article presents initial studies of a comparison of the effects of steel and ice ball impacts on a steel sheet, highlighting the fundamental differences in the investigated phenomenon. The comparative analysis was conducted using numerical simulations with the Finite Element Method and the meshless Smoothed-Particle Hydrodynamics (SPH) method, employing the explicit approach in Ansys LS-Dyna software. The analyses demonstrated the strong conservatism of the simplified testing method (steel ball drop) compared to the primary method (high-velocity ice ball impact). The maximum deflections of the steel sheet caused by the steel ball impact were overestimated by 49% compared to the ice projectile impact. The stress and strain distributions also significantly indicated the strong conservatism of the steel ball impact. Based on the behavior of the projectiles during the collision, it was concluded that the main cause of the differences in the obtained results is the distinct energy dissipation characteristics of the materials used. The ice projectile demonstrated significant damage throughout its entire volume, dissipating energy through cracking and fragmentation. The steel projectile, on the other hand, showed only local plastic deformation, dissipating the impact energy much less effectively. Testing the resistance of solar collectors by dropping a steel ball is a cost-effective approach due to the absence of the need for expensive testing equipment. However, the numerical simulation indicated a significant conservatism of this approach, which may result in a reduced economic of the designed solar collectors.