close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Разработка методики расчетно-экспериментальной оценки пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
БАГИЧЕВ СЕРГЕЙ АНАТОЛЬЕВИЧ
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТНОЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ОЦЕНКИ ПАССИВНОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ КАБИН ГРУЗОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ
05.05.03 – колесные и гусеничные машины
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Нижний Новгород 2013
Работа выполнена на кафедре «Автомобили и тракторы» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева».
Научный руководитель:
Орлов Лев Николаевич, доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты:
Зузов Валерий Николаевич, доктор технических наук,
(ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана,
профессор кафедры «Колесные машины»)
Сергиевский Сергей Андреевич, кандидат технических наук,
руководитель отдела MSC Software Corporation в России и СНГ
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный индустриальный университет».
Защита диссертации состоится «18» декабря 2013 г. в 1500 часов на заседании
диссертационного совета Д 212.165.04 при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева» по адресу: 603950,
г. Н. Новгород, ул. К.Минина, д. 24, ауд. 1307.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.
Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просим направлять в адрес ученого секретаря по указанному адресу.
Автореферат разослан «15» ноября 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор
Л.Н. Орлов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Проблемы проектирования безопасных кабин и
повышения пассивной безопасности грузовых автомобилей в соответствии с
требованиями и стандартами являются актуальными в настоящее время и требуют дальнейшего изучения. Важная роль при этом отводится применению
расчетных и расчетно-экспериментальных методов оценки их пассивной безопасности. В связи с этим возникают задачи дальнейшего развития методики
оценки безопасности кабин с применением компьютерного моделирования
условий их аварийного нагружения, предусмотренных Правилами ЕЭК ООН
№29 и другими нормативными документами.
Следует отметить, что в настоящее время недостаточно изучены вопросы
работоспособности кабин, их узлов и тонкостенных элементов в области больших пластических деформаций. Поэтому дальнейшее совершенствование методов расчета несущей способности по разрушающим аварийным нагрузкам конструкций и их деформируемости является одним из важных моментов для создания безопасных кабин грузовых автомобилей.
Цель работы. Разработка методики выбора безопасных силовых схем и
оценки пассивной безопасности кабин в соответствии с требованиями правил и
стандартов по результатам компьютерного моделирования и экспериментов,
предназначенной для использования при проектировании и доводке грузовых
автомобилей.
Научная новизна
Разработана методика выбора безопасных силовых схем на основе инженерного метода расчета и оценки пассивной безопасности кабин по результатам
компьютерного моделирования условий аварийного нагружения с учетом как
статических, так и динамических воздействий, позволяющая на всех этапах
проектирования вначале прогнозировать, при завершении обеспечивать создание безопасных конструкций.
Усовершенствован алгоритм и разработана программа расчета разрушающих нагрузок, позволяющие выбирать безопасные силовые схемы кабин в автоматизированном режиме на начальных этапах их проектирования с учетом
всех возможных вариантов аварийного нагружения и разрушения. Новизной
алгоритма является возможность поиска рационального варианта схемы с определенным соотношением жесткостей элементов, отвечающего требованиям
стандартов по пассивной безопасности.
Разработаны конечно-элементные модели конструкций бескаркасной и
каркасной кабин, на примере которых показаны основные принципы их формирования и возможность применения для оценки пассивной безопасности кабин
по результатам компьютерного моделирования, в зависимости от решаемых задач.
Получены научно обоснованные результаты и выводы.
Личный вклад автора состоит в разработке методики оценки пассивной
безопасности кабин, алгоритма и программы поиска безопасной силовой схемы
конструкции, получении и сравнении результатов расчетных и экспериментальных исследований.
1
Объекты исследования. Каркасные кабины грузовых автомобилей „Русак" компании ООО „КОМ", дополнительная кабина автомобиля противопожарной службы ООО НТП „Пеленг" и бескаркасная кабина автомобиля ГАЗ-53А.
Методы исследования. При проведении теоретических исследований
использовались расчетные методы оценки пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей, основанные на методах математического моделирования в
нелинейной постановке при статическом и динамическом приложении нагрузок
с применением метода конечных элементов. Расчеты разрушающих нагрузок и
энергоемкости кабин в условиях аварийного нагружения выполнены на основе
усовершенствованных зависимостей инженерного метода с использованием методических основ расчета кабин автомобилей по предельному состоянию, разработанных на кафедре „Автомобили и тракторы" НГТУ.
Экспериментальные исследования проведены в стендовых условиях кафедры „Автомобили и тракторы" с использованием поверенной измерительной
и регистрирующей аппаратуры.
Основные положения, выносимые на защиту
Из научно-методических разработок:
– методика выбора безопасной силовой схемы кабины и компьютерного моделирования условий аварийного нагружения для оценки пассивной безопасности кабин на всех этапах проектирования.
Из теоретических разработок:
– особенности разработки, математическое описание, выбор внутренних и внешних граничных связей, ударной нагрузки, имитирующих
аварийные нагружения грузовых автомобилей, результаты расчетов
подробных конечно-элементных моделей кабин при компьютерном
моделировании;
– алгоритм и программа выбора безопасных силовых схем кабин при
их проектировании на основе кинематического метода расчета конструкций по предельному состоянию.
Из научно-технических разработок:
– результаты исследований пассивной безопасности и несущей способности рассматриваемых объектов;
– разработанные конечно-элементные модели кабин;
– научно-обоснованные практические рекомендации по повышению
пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей.
Достоверность результатов расчетных исследований, правомерность
теоретических положений, адекватность разработанных моделей реальным
конструкциям, обоснованность принципов их разработки и принимаемых допущений подтверждены известными теоретическими решениями и результатами проведенных специальных экспериментов.
Практическая ценность. Разработанная методика позволяет на ранних
стадиях проектирования выбирать безопасные силовые схемы кабин грузовых
автомобилей. Далее оценивать безопасность кабин в ходе их проектирования и
доводки на основе результатов компьютерного моделирования условий аварийного нагружения при использовании современных пакетов прикладных про2
грамм на базе метода конечных элементов; проводить экспресс оценку пассивной безопасности автомобилей с внесенными в их конструкцию изменениями.
Разработанная прикладная программа расчета разрушающих нагрузок
может быть использована специалистами при проектировании и доводке кабин
грузовых автомобилей.
Материалы диссертации могут быть использованы в конструкторских отделах автомобильных предприятий, занимающимися вопросами повышения
пассивной безопасности грузовых автомобилей и в учебном процессе.
Реализация результатов работы. Разработанная методика, расчетные
модели, результаты исследований внедрены и использованы в компаниях
ООО „КОМ", ООО ТПП „Пеленг", в учебном процессе кафедры „Автомобили и
тракторы" НГТУ им. Р.Е. Алексеева в дисциплинах „Строительная механика
автомобиля", „Основы проектирования кузовов", „Прочность и безопасность
кузовных конструкций", при выполнении выпускных бакалаврских работ, дипломных проектов и магистерских диссертаций.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 62-й, 71-й и 79-й Международных научнотехнических конференциях Ассоциации автомобильных инженеров РФ „Безопасность транспортных средств в эксплуатации", посвященных 50-летию Женевского соглашения (г. Дмитров-7, ФГУП НИЦИАМТ, 2008 г.), Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 35-летию кафедры
„Строительные и дорожные машины" НГТУ (г. Н.Новгород, 2009 г.), 75-летию
каф. „Автомобили и тракторы" НГТУ и 95-летию НГТУ (г. Нижний Новгород,
НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2010 г. и 2012 гг. соответственно); Всероссийской
молодежной научно-технической конференции „Будущее технической науки"
(г. Н.Новгород, НГТУ, с 2005 по 2013 гг.);.
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 18 печатных работах, в том числе в 5 статьях журналов,
входящих в Перечень российских рецензируемых научных журналах и рекомендованных ВАК РФ. Объем принадлежащего автору диссертации опубликованного материала составляет 2,79 печ. л.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной
литературы из 229 наименований, приложения с актами внедрения результатов
работы. Диссертация содержит 218 страниц основного машинописного текста,
включая 93 рисунка, 15 таблиц, 59 формул, 7 страниц приложения.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель,
раскрыты методы исследований, отмечены новые научные результаты, полученные автором, и основные положения, которые выносятся на защиту, практическая ценность, реализация результатов и апробация работы, рассмотрены
объекты исследований.
В первой главе проведен краткий обзор ранее выполненных работ по вопросам повышения и оценки пассивной безопасности грузовых автомобилей,
3
которыми занимаются автомобильные заводы, Государственный научный
центр по автомобилестроению РФ (ФБУП НАМИ), орган по сертификации
«САТР-Фонд», научно-исследовательские институты и учебные учреждения.
Рассмотрены основные достижения инженеров и ученых в области расчетной и
экспериментальной оценки пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей. Выполнен анализ требований нормативных документов по оценке пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей, в соответствии с которыми
обозначены требования пассивной безопасности к кабинам в условиях их аварийного нагружения.
Работами в области экспериментальной оценки безопасности грузовых
автомобилей занимались А.И. Рябчинский, В.В. Фролов, Э.Н. Никульников,
М.В. Лыюров, О.И. Мельников. Расчетная оценка безопасности силовых схем
кузовных конструкций на основе теории А.А. Гвоздева, А.Р. Ржаницына,
Б.Г. Нила, П.Г. Ходжа, Дж. Фентона рассмотрена в работах В.Б. Цимбалина,
Л.Н. Орлова. В них же отмечены преимущества использования метода конечных элементов при проведении расчетной оценки, основы которого рассмотрены в работах К. Батте и Е. Вилсона, Е. Хинтона, Д. Оувена и других ученых.
Практическая реализация метода конечных элементов применительно к несущим системам автомобилей отражена в работах В.П. Агапова, С.С. Баулина,
Э.И. Григолюка, З.А Годжаева, В.Н. Зузова, Е.А. Когана, Е.В. Кочанова,
С.М. Кудрявцева, Н.А. Кулакова, С.А. Курдюка, А.Н. Любина, Е.А. Матвеева,
И.В. Маркина, Л.Н. Орлова, В.И. Отмахова, И.Н. Порватова, О.А. Русанова,
Ю.А. Сарычева, С.А. Сергиевского, А.В. Сидорина, Д.В. Соловьева, А.В. Тумасова, Ф.А. Фараджева, Н.М. Филькина, Р.И. Фурунжиева, Г.М. Цоя,
Б.А. Шабана.
Из зарубежных авторов, работающих в сфере пассивной безопасности автомобилей, необходимо упомянуть М.С. Высоцкого, С.С. Баулина, а также
Т. Вежбицки, В. Абрамовича, Н. Джонса, Ч. Ву, А. Бенизия, Т. Оутаса,
П.Д. Боиса, С.С. Чоу, Б.Б. Филета, В.Д. Витемана, М. Асади, П. Татерсала,
Б. Волкера, Х. Ширвани, Б. Сала, Д. Бхалсода, А. Наранане, А. Деба, С. ВинцеПапа, М. Матольси, М. Милованович. Особенно следует выделить исследователей в области оценки и повышения пассивной безопасности безопасности кабин: Ф.А. Берга, У. Брейтлинга, Дж. Гвехенбергера, Д. Гендара, З. Джуниана,
Г. Кёфалви, Д. Лёна, Б. Форсланда, Х. Эномото.
Из анализа работ следует, что расчетные методы оценки безопасности кузовных конструкций активно используются, в особенности с применением компьютерной техники. Большое значение имеет разработка практических рекомендаций по созданию конечно-элементных моделей кабин грузовых автомобилей, используемых при расчетной оценке их пассивной безопасности.
На основании проведенного анализа и для достижения поставленной цели
определены следующие основные задачи данной работы:
1. Усовершенствовать алгоритм оценки несущей способности кабин по
предельному состоянию и разработать программу для выбора безопасных силовых схем кабин грузовых автомобилей на начальных этапах проектирования.
2. Разработать структурную схему оценки пассивной безопасности кабин
при проектировании по результатам компьютерного моделирования условий
нагружения в соответствии с требованиями правил и стандартов.
3. Разработать математические конечно-элементные модели рассматриваемых кабин грузовых автомобилей и их отдельных характерных частей; выполнить исследование их напряженно-деформированного состояния в условиях
4
действия аварийных нагрузок; провести анализ механизмов разрушения кабин
и дать оценку их несущей способности по предельному состоянию.
4. Выполнить экспериментальные исследования деформированного состояния отдельных силовых элементов и узлов кабин при действии разрушающих нагрузок; провести сравнительную оценку результатов расчетных и экспериментальных исследований с целью обоснования правомерности применения
разрабатываемых моделей и основных положений методики. Провести разрушающие испытания образцов силовых элементов кузовных конструкций с целью определения характеристик материалов.
5. Разработать методику оценки пассивной безопасности кабин грузовых
автомобилей на основе результатов расчетных и экспериментальных исследований несущей способности их конструкций.
6. Разработать практические рекомендации по повышению безопасности
кабин грузовых автомобилей.
Во второй главе рассмотрена методика выбора безопасных силовых схем
и расчетной оценки пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей.
Блок-схема методики приведена на рис. 1. Она содержит пять этапов. На первом этапе выбирается безопасная силовая схема конструкции; на втором –
параллельно с проектированием выполняются работы по разработке конечноэлементных моделей отдельных участков кабины. На третьем – проводится
сравнительный анализ результатов расчетов и экспериментов на отдельных образцах узлов и участков конструкции кабины, который необходим для обоснования правомерности выбора подробных моделей. После этого разрабатывается
подробная конечно-элементная модель всей кабины. На четвертом этапе проводятся расчет подробной модели кабины грузового автомобиля и оценка на соответствие нормативным требованиям. Компьютерное моделирование условий
аварийного нагружения и деформирования кабины проводится на основе метода конечных элементов в нелинейной постановке с использованием современных программных комплексов. В случае необходимости разрабатываются рекомендации по совершенствованию конструкции кабины. На пятом (завершающем) этапе создается опытный образец кабины, проводятся его расчеты и испытания, сравнение результатов, дается оценка пассивной безопасности спроектированной кабины.
Поиск безопасной силовой схемы проектируемой кабины может быть
осуществлен на основе метода расчета кузовных конструкций на безопасность,
разработанного Л.Н. Орловым, который усовершенствован автором данной работы для выполнения автоматизированных расчетов. Расчеты возможных вариантов механизмов разрушения схемы для каждого вида нагружения проводятся
с использованием специально разработанной автором на языке Visual Basic
программы расчета разрушающих нагрузок. Отличительной особенностью разработанного автором алгоритма расчета разрушающих нагрузок (рис. 2) от известного является возможность поиска основных характеристик силовой схемы
с использованием численного метода так, чтобы конструкция выдерживала регламентированные требованиями безопасности нагрузки. Здесь задаются допустимые значения регламентированных нагрузок ( , , ,
), физические и
геометрические параметры отдельных элементов силовой схемы: пластические
моменты сопротивлений начала
н , конца
элементов, их длины ,
предел текучести материалов , угол наклона стойки лобового окна относительно вертикальной плоскости; координаты узлов схемы
,
. Определяется минимальная разрушающая нагрузка
р.
5
6
р
ре
Нахождение
соответсвтующего механиза
разрушения по
условию
Расчеты
подробной
модели и оценка
ее несущей
способности по
разрушающим
нагрузкам
Разработка
подробной
конечноэлементной
модели кабины
Этап №4
нет
аб
р
ре
ре
о
Безопасная
кабина
да
нет
Корректировка
расчетной
модели кабины
Разработка
рекомендаций
по совершенствованию конструкции
кабины
Оценка
пассивной безопасности
кабины
да
Верификация
Испытания
кабины.
Этап №5
Рис. 1. Блок-схема методики расчетно-экспериментальной оценки безопасности кабин
Сравнительная
оценка
результатов
расчета и
эксперимента
Расчет моделей
отдельных
участков кабины
Испытания
образцов
отдельных
участков
кабины
силовых
элементов и
образцов
материалов
Разработка
конечноэлементных
моделей
отдельных
участков
кабины
Выбор
безопасной
силовой схемы
кабины
Подбор
характеристик
силовых
элементов
Этап №3
Этап №2
Этап №1
Возможные варианты разрушения;
требования Правил ( , , , );
данные по схеме: н ,
, , ,
Б о №1
Задание исходных данных
по кабине
Формирование координат узлов
механизма разрушения н , н
-го механизма разрушения в
исходном положении
Нахождение координат узлов
механизма разрушения
,
;
-го механизма разрушения в
конечном положении
р
Б о №2
Определение действительного механизма разрушения схемы
Б о №3
Сравнение разрушающих
нагрузок с регламентированными значениями
Рис. 2. Блок-схема программы расчета разрушающих нагрузок
7
Найденные минимальные разрушающие нагрузки для различных видов
нагружения р , р , р , р сравниваются с регламентируемыми значениями ре
, ре
, ре
, ре
.
Возможные аварийные режимы нагружения пространственной силовой
схемы кабины грузового автомобиля, в соответствие с действующими и принятыми на рассмотрение, но не введенными нормами безопасности, показаны
схематично на рис. 3. При определении разрушающих нагрузок и поиске безопасной силовой схемы кабины рассматриваются все возможные варианты ее
разрушения (пластические механизмы). Например, на рис. 3 показан механизм
разрушения при действии сил 1 или
( ). Темными точками обозначены
места возникновения пластических шарниров.
13
F14 12
F12
11
2
3
3
F11
F15
F13
14
е
2
1
4
4
Рис. 4.Схема определения
координат третьего узла
в конечном положении
механизма
1
Рис. 3. Возможные виды нагружения силовой
схемы кабины и механизм ее разрушения
при действии сил 1 или
( )
Для того чтобы кинематически рассчитать соотношение углов, на которые повернутся элементы конструкции в пластических шарнирах, необходимо
задать элементу в первом пластическом шарнире (рис. 4) некий единичный
угол
,
) в конечном положении, сое . Координаты третьего узла (
гласно рис. 4, определяются путем нахождения координат точки пересечения
дуг окружностей, проведенных из второго и четвертого узлов с радиусами, равными длинам элементов
и
:
,
,
,
,
√
,
(1)
√
.
Тангенсы углов поворота элементов в шарнирах в начальном и конечном
положениях определяются через координаты смежных узлов по формуле
⁄
⁄
⁄
;
. (2)
8
,
Сами углы поворота в шарнирах определяются путем вычитания начального угла ( ) из конечного ( ). Далее находится зависимость для определения разрушающей нагрузки из уравнения равенства работ внешних и внутренних усилий
(3)
,
∫
∫
где – внешние силы; – вектор проекций единичной временной нагрузки; –
вектор проекции внешней нагрузки; – вектор, касательный к траектории ;
– положительная мера (дифференциал) длины траектории ; – матрица
обобщенных внутренних усилий; – матрица кинематических связей. Так, выражение для определения, например, разрушающей нагрузки
имеет вид
р
(4)
⁄
где р – разрушающая нагрузка;
– пластический момент инерции в -м
пластическом шарнире;
–текущий угол поворота в -м пластическом шарнире; – порядковый номер шарнира. Аналогичным образом выводятся выражения для других нагрузок. После проведения всех необходимых расчетов на первом этапе методики получены параметры безопасной силовой схемы конструкции.
После этого начинается разработка чертежей отдельных узлов и всей конструкции кабины.
Затем в процессе проектирования кабины разрабатываются геометрические и конечно-элементные модели ее отдельных узлов и всей конструкции в
соответствии с используемыми принципами формирования стержневых и подробных моделей. Они касаются выбора характеристик материалов моделей,
задания сеток конечных элементов, выбора численных алгоритмов, проверки
численной устойчивости и точности решения, установления адекватности полученного решения. В основе конечно-элементного моделирования лежит
принцип возможных перемещений:
T
VT B
ST S
iT i
  dV   U f dV   U f dS  U F ,
V
V
S
(5)
i
где интегрирование распространяется на весь объем и поверхность , а суммирование на все точки приложения сосредоточенных сил и , и перемещений (деформаций и напряжений ).
Напряжения в i -м конечном элементе определяются его деформациями и
начальными напряжениями в виде:
(6)
 ( m)  D( m) ( m)   0( m) ,
где
– начальные напряжения в i -го элемента;
– матрица упругости.
Полученные результаты расчетов конечно-элементной модели кабины
оцениваются на соответствие нормативным требованиям. В случае необходимости разрабатываются рекомендации по совершенствованию конструкции кабины. На завершающем этапе создается опытный образец кабины, проводятся
его расчеты и испытания, сравнение результатов. В заключение дается окончательная оценка пассивной безопасности спроектированной кабины.
9
В третьей главе рассмотрена апробация и реализация разработанной методики при решении конкретных практических задач, связанных с проектированием и оценкой пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей. Обосновывается правомерность разработанной методики на примере анализа результатов расчетов и испытаний кабины грузового автомобиля ГАЗ-53А. Отмечается, что расхождение результатов расчетов несущей способности кабины по
разрушающей нагрузке инженерным методом, в сравнении с данными эксперимента, находится в пределах 20%, что при принимаемых допущениях инженерного метода можно считать удовлетворительным. Поэтому применение инженерного расчета на начальном этапе проектирования, а конечно-элементного
анализа – при доводке конструкции на завершающем этапе проектирования
можно считать правомерным.
С целью обоснования принципов формирования конечно-элементных моделей и подтверждения достоверности результатов расчетов проведены расчетно-экспериментальные исследования несущей способности отдельных участков
кабины: узла связи левой стойки проема лобового окна с петельной стойкой и
правой половины конструкции кабины. Результаты получены в условиях действия горизонтальных статических нагрузок в передний угол крыши кабины
(рис. 5, а и б).
1
2
3
1
2
1
1
1
мм
1
1
а)
б)
Рис. 5. Графики изменения нагрузки в процессе деформирования :
переднего узла (а): 1, 2 – результаты эксперимента, 3 – расчета; правой
половины кабины (б): 1 – результат эксперимента, 2– расчета
мм
Сравнение результатов расчетов и испытаний (рис. 5) показало их удовлетворительную сходимость (расхождения находятся в пределах 14%). Это дает основание судить об адекватности конечно-элементной модели реальной
конструкции. Поэтому применяемые принципы (основы) построения модели
можно распространить на всю конструкцию кабины.
Кроме того, в работе получены результаты исследований жесткостных
характеристик кабины в упругой фазе деформирования. Расхождения их расчетных значений по отдельным участкам в сравнении с данными ранее проведенных на кафедре "Автомобили и тракторы" экспериментов составляют менее
14%, что является удовлетворительным и еще раз подтверждает адекватность
разработанной подробной модели реальной конструкции кабины. В работе так10
же представлены результаты расчетной оценки несущей способности кабины в
условиях ее вертикального нагружения (рис. 6) в сравнении с данными ранее
проведенных испытаний под руководством Л.Н. Орлова. На рис. 6, а показаны
результаты расчета напряженно-деформированного состояния модели, а на
рис. 6, б – соответственно кривая 1 изменения нагрузки в зависимости от деформации и данные 2, полученные при эксперименте.
2
1
1
1
а)
б)
Рис. 6. Деформированное состояние модели кабины (а) и зависимости
изменения нагрузки от деформации кабины (б):
1 – расчетная кривая, 2 – экспериментальные значения
мм
Деформированный вид модели кабины соответствует картине, полученной при испытании. Расчетная величина разрушающей нагрузки получилась
равной 42,9 кН. При эксперименте нагрузка составляла 47÷48 кН. Расхождение
результатов компьютерного моделирования с данными испытаний кабины с закрытыми дверями (с учетом 7% погрешности эксперимента) находится в пределах 15,7%, что указывает на их хорошую сходимость. Для кабины с открытыми дверями результаты аналогичных исследований различаются не более
чем на 12,4%. Следовательно, выбранная конечно-элементная модель кабины
грузового автомобиля позволяет с достаточной степенью точности описывать
поведение реальной конструкции в условиях действия аварийных нагрузок. Полученные на примере кабины ГАЗ-53А результаты свидетельствуют о правомерности используемых при компьютерном моделировании принципов и подходов. Поэтому они обоснованно могут распространяться и на другие конструкции для получения достоверных результатов.
Практическая реализация методики проведена на примере кабины грузового автомобиля „Русак" при её проектировании. С использованием разработанной программы расчета разрушающих нагрузок были определены основные
размеры сечений элементов силовой схемы. После чего были разработаны
стержневая и подробная конечно-элементные модели, с помощью которых проведены дальнейшие исследования, направленные на повышение безопасности
кабины. При этом решалась возможность использования кабины на грузовом
автомобиле с полной массой 12 т и на тягаче автопоезда с полной массой до
44 т. В ходе анализа были рассмотрены несколько возможных вариантов каркаса кабины: исходный (вар.1), с усиленным основанием и задней стенкой (вар.2
и вар.3), с введенными дополнительными усилителями (вар.4) и конструкция с
меньшей, по сравнению с вар.4, металлоемкостью (вар.5).
11
Оценка их безопасности проводилась по деформируемости моделей, сохранению
остаточного пространства для манекена водителя (рис. 7, а), значениям ударной и поглощаемой энергий (рис. 7, б), графикам изменения аварийной нагрузки (рис. 7, в).
1
1
а)
с
б)
Рис. 7.Деформированный вид конечноэлементной модели кабины с рулевым колесом
и усилителем двери при ударе маятником
спереди (а) и графики изменения фронтальной
энергии (б), вертикальной нагрузки (в) для
стержневых моделей трех вариантов: 1 – вар. 1,
2 – вар. 2, 3 – вар. 3, 4 и 5 – регламентированные значения аварийных нагрузок для
автомобилей с полными массами 12 и 44 т
1
1
4
1
3
1
мм
1
в)
Анализ результатов компьютерного моделирования позволил определить
наиболее рациональный безопасный вариант кабины.
1
Сравнительный анализ резуль- 1
татов расчетов подробной и стержневой конечно-элементных моделей в
одинаковых условиях нагружения
(рис. 8) показал, что стержневая модель является более жесткой на (11÷30)
%, но в достаточной мере повторяет
характер поведения подробной модели
мм
при разных видах аварийного нагружения. Поэтому стержневую модель
Рис. 8.Графики изменения нагрузок
целесообразно использовать для пропри вертикальном поступательном
ведения сравнительных расчетных
движении плиты при нагружении 1 –
оценок пассивной безопасности варистержневой и 2 – подробной конечноантов изменения кабины с учетом укаэлементных моделей
занного расхождения результатов.
В работе проведены исследования влияния дверей кабин на их несущую
способность в условиях действия аварийных нагрузок. Установлено, что двери
12
повышают несущую способность по разрушающим нагрузкам бескаркасной кабины „ГАЗ" при фронтальном нагружении на 7% (29%), вертикальном – на 32%
(15%); при нагружении сзади – на 39% (33%); при нагружении в угол крыши
кабины – на 32% (17%). Подобные исследования проведены и для каркасной
кабины „Русак". Наличие дверей повышает ее несущую способность по разрушающим нагрузкам (энергоемкости): при фронтальном нагружении на 35%
(18%), вертикальном – на 17% (15%); нагружении сзади – на 27% (24%);
нагружении в угол крыши кабины – на 10% (17%). Различия значений для этих
кабин связаны с отличающимися условиями фиксации дверей в проемах. Использование полученных результатов расчетов позволяет конструктору уже на
начальных этапах проектирования учитывать влияние отдельных конструктивных элементов кабины на ее пассивную безопасность.
В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований в сравнении с данными проведенных расчетов. Даются их анализ и оценка.
С целью уточнения предела текучести материала (стали) используемого в
расчетах проведены расчетно-экспериментальные исследования образцов тонкостенных силовых элементов кабины прямоугольного профиля под действием
разрушающей изгибной нагрузки (рис. 9, а). По результатам экспериментов получены усредненные графики изменения нагрузки в зависимости от деформации (кривая 1 на рис. 9, в). На этом же рисунке показаны кривые 2, 3 и 4,
полученные по результатам конечно-элементных расчетов соответствующих
подробных моделей. Расчетные кривые соответствуют моделям с разным шагом сетки. Расхождение значений разрушающей нагрузки при расчете и эксперименте составляет: 14,2% – для статического расчета модели с шагом сетки
1 мм (кривая 2); 13,8% – для статического расчета модели с шагом сетки 8 мм
(кривая 4); 15,1% – для динамического расчета модели с шагом сетки 8 мм
(кривая 3), что является вполне приемлемым.
14
12
10
2
8
6
4
2
б)
0
1
0
5
10
3
4
мм
а)
в)
Рис. 9. Нагружающий стенд (а); деформированное состояние образца
при испытании (б); графики изменения нагрузки в зависимости от деформации (в)
В результате были получены уточненные характеристики стали (рис. 10),
которые вводились в качестве исходных данных при расчетах моделей кабины.
13
Как было указано ранее, для обоснования правомерности выбора подробной
конечно-элементной модели кабины в соответствии со вторым этапом методики,
были выбраны два участка кабины: передний левый узел кабины (связь стойки ветрового окна с передней частью) и правая
половина кабины с дверью. Как видно из
сравнения деформированных видов выРис. 10. Характеристика стали
бранных узлов кабины на рис. 11 и рис. 12
(по результатам расчета и эксперимента),
характер их деформирования совпадает. При этом для связи стойки ветрового
окна с передней частью сминание сечения в месте перехода (рис. 11, а) полностью идентично изменению сечения реальной конструкции (рис. 11, б). Результаты деформирования половинной части кабины по результатам расчета
(рис. 12, а) дают совпадение по форме и величине перемещений с результатами
соответствующего эксперимента (рис. 12, б).
,
МПа
а)
б)
Рис. 11. Деформированный вид переднего узла кабины:
расчет (а), эксперимент (б)
а)
б)
Рис. 12. Деформированный вид правой половины кабины:
расчет (а), эксперимент (б)
Проведенные экспериментальные исследования и полученные результаты
подтвердили правомерность и обоснованность практического использования
разработанных подробных конечно-элементных моделей кабин; основных теоретических положений, гипотез и допущений разработанной методики, которую можно применять при проектировании и доводке кабин, а также при оценке влияния конструктивных изменений на их пассивную безопасность.
14
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Разработана методика расчетно-экспериментальной оценки пассивной
безопасности кабин, позволяющая проводить обоснованный выбор их силовых схем, оценивать конструкции на соответствие требованиям правил
и стандартов в процессе проектирования грузовых автомобилей; структурная схема процедуры расчетной оценки.
2. Усовершенствован алгоритм оценки несущей способности кабин по предельному состоянию. Разработана программа расчета, новизной которой
является возможность поиска рациональной силовой схемы с определенным соотношением жесткостей элементов, отвечающей требованиям пассивной безопасности. Установлено, что инженерный метод оценки дает
верхние границы значений разрушающих нагрузок, с погрешностью до
20% в сравнении с конечно-элементным анализом.
3. Систематизированы принципы выбора расчетных и математических моделей в конечно-элементной постановке рассматриваемых кабин грузовых автомобилей и их отдельных характерных частей, правомерность и
обоснованность которых подтверждена результатами экспериментальных
исследований. Проведенная сравнительная оценка результатов расчетных
и экспериментальных исследований с отдельными участками и силовыми
элементами кабины при действии разрушающих нагрузок показала, что
расхождение их значений не превышает 14%.
4. Установлено, что стержневые конечно-элементные модели кабин дают
завышенные на 30% значения в сравнении с подробными конечноэлементными моделями. Поэтому их целесообразно использовать при
многовариантных исследованиях, направленных на повышение пассивной безопасности кабин. Моделирование с применением подробных моделей оправдано на завершающих этапах проектирования и при проведении сертификации конструкций.
5. Полученные результаты расчетов подробной конечно-элементной модели
бескаркасной кабины имеют удовлетворительную сходимость с данными
эксперимента (расхождение в пределах до 15,7%).
6. Установлено, что раскосы и усилители основания кабины повышают ее
пассивную безопасность в пределах до 60% в условиях горизонтальных
нагружений; раскосы задней стенки – на 33% при вертикальном нагружении.
Двери рассматриваемых кабин повышают несущую способность по разрушающим нагрузкам в зависимости от способов их фиксации и условий
нагружения в пределах до 39%.
7. Результаты работы и разработанные обоснованные практические рекомендации по повышению безопасности каркасных кабин грузовых автомобилей внедрены в ООО „КОМ", ООО НТП „Пеленг". Теоретические
разработки и методика используются в учебном процессе на кафедре
"Автомобили и тракторы" НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
15
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В изданиях, рекомендуемых Перечнем ВАК РФ:
1. Багичев, С.А. Расчетно-экспериментальная оценка несущей способности
кабины грузового автомобиля в условиях опрокидывания / А.В. Тумасов,
Л.Н. Орлов, С.А. Багичев // Известия ВУЗов. Машиностроение / МГТУ
им. Н.Э. Баумана. – Москва, 2008. –№4. – С. 41–44.
2. Багичев, С.А. Оценка пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей по результатам компьютерного моделирования / Л.Н. Орлов [и др.] //
Журнал автомобильных инженеров / Издательский Дом ААИ. – М.,
2009. – №6 (59). – С. 26–28.
3. Багичев, С.А. Оценка безопасности кабин по результатам компьютерного
моделирования / С. А. Багичев [и др.] // Вестник Ижевского государственного технического университета 2011. –№4 (52). – С. 25–27.
4. Багичев, С.А. Теоретические остовы выбора безопасной силовой схемы
кабины / С.А. Багичев, Л.Н. Орлов, К.С. Ившин // Вестник Ижевского
государственного технического университета 2011. – №4 (52). – С. 27–31.
5. Багичев, С.А. Расчетный анализ прочности и деформируемости кузова
автобуса / Л.Н. Орлов [и др.] // Современные проблемы науки и образования 2013. – №4.
в других сборниках статей и учебно-методической литературе:
6. Багичев, С.А. Выбор расчетной модели для оценки пассивной безопасности кабины грузового автомобиля / Л.Н. Орлов [и др.] // Автомобильный
транспорт в XXI веке : сб. науч. статей / НГТУ. – Н. Новгород, 2008. – С. 83–85.
7. Багичев, С.А. Основы разработки конечно-элементных моделей кузовных
конструкций автотранспортных средств. Расчеты на безопасность и
прочность: учеб. пособие / Л.Н. Орлов [и др.] ; под ред. Л.Н. Орлова. –
Н. Новгород. : НГТУ, 2009. – 153 с.
8. Багичев, С.А. Основы расчета кузовных конструкций с применением программного комплекса Abaqus: мет.ук. к лаб. работам / А.В. Тумасов [и др.] ;
науч. ред. Л.Н. Орлов. – Н. Новгород. : НГТУ, 2009. – 24 с.
9. Bagichev, S Calculative estimation of passive safety of the truck’s cab /
A. Tumasov [&oth] // FISITA 2010 : book of abstracts / World Automotive
Congress. – Budapest, Hungary, 2010. – P. 306.
10.Bagichev, S Road accident analysis in the Nizhniy Novgorod region (Russia)
and estimation of safety improving facilities, 2010, Budapest, Hungary, World
Automotive Congress, Book of abstracts, P. 307.
в сборниках конференций:
11. Багичев, С.А. Выбор аварийных режимов для оценки пассивной безопас-
ности кабин грузовых автомобилей / С.А. Багичев, Л.Н. Орлов // Авто-НН :
сб. тезисов докладов / НГТУ. – Н. Новгород, 2009. – С. 55–57.
16
12.Багичев, С.А. К вопросу создания безопасной кабины грузового автомобиля на основе применения интеллектуальных систем / А.В. Тумасов [и др.] //
Авто-НН : сб. тезисов докладов / НГТУ. – Н. Новгород, 2009. – С. 303–305.
13.Багичев, С.А. Оценка влияния отдельных конструктивных решений на
повышение пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей /
С.А. Багичев [и др.] // Проблемы транспортных и технологических комплексов : материалы междунар. науч. - тех. конф. / НГТУ. – Н. Новгород,
2008. – С. 217–220.
14.Багичев, С.А. Оценка влияния усилителей задней части кабины на ее пассивную безопасность в условиях опрокидывания / С.А. Багичев,
Л.Н. Орлов // Будущее технической науки - VII : сб. тезисов докладов /
НГТУ. – Н. Новгород, 2008. – С. 217–220.
15.Багичев, С.А. Оценка несущей способности тонкостенных силовых элементов кузовных конструкций / А.В. Тумасов [и др.] // Будущее технической науки - VI : сб. тезисов докладов / НГТУ. – Н. Новгород, 2007. –
С. 125–126.
16.Багичев, С.А. Оценка прочности и несущей способности кабины грузового автомобиля в условиях аварийного нагружения / М.А. Егоров [и др.] // Будущее технической науки - V : сб. тезисов докладов / НГТУ. – Н. Новгород,
2006. – С. 119–120.
17.Багичев, С.А. Расчетная оценка пассивной безопасности кабины грузового автомобиля в условиях столкновения с препятствием / А.В. Герасин [и др.] //
Будущее технической науки - IX : сб. тезисов докладов / НГТУ. –
Н. Новгород, 2010. – С. 107–108.
18.Багичев, С.А. Расчеты кабин грузовых автомобилей на пассивную безопасность в условиях фронтальных столкновений / С.А. Багичев,
А.В. Герасин, Л.Н. Орлов // Безопасность транспортных средств в эксплуатации : сб. тр. конф. / НГТУ. – Н. Новгород, 2010. – С. 217–220.
Подписано в печать 13.11.2013. Формат 60х84
. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 80 экз. Заказ __.
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева.
Типография НГТУ.
Адрес университета и полиграфического предприятия:
603950, г. Нижний Новгород, ул. К. Минина, 24.
17
18
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа