Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния высоконагруженных рамных конструкций и оценка ресурса элементов несущей системы

В связи с постоянным ростом цен на топливо и металлопрокат в последние годы актуальным стал вопрос снижения массы автомобиля. Основной силой вредных сопротивлений, действующих на движущийся с небольшой скоростью автомобиль, является сила сопротивления качению шин, которая прямо пропорциональна нагрузке, передаваемой через вращающиеся колеса на дорогу. Сопротивление, возникающее па подъеме, так же пропорционально массе, автомобиля, как и преодолеваемая при ускорении автомобиля сила инерции.

Автомобилестроительные компании и поставщики оборудования затрачивают значительные средства на научные исследования по снижению расхода топлива двигателей. С этой целью совершенствуют конструкции карбюратора и системы впрыска, усложняют систему зажигания, а также организуют подачу воздуха в двигатель при помощи турбонагнетателя. В настоящее время усилия в этих направлениях практически не дают желаемых результатов и, кроме того, это приводит к усложнению и удорожанию оборудования и, не в меньшей мере, усложняет технологию изготовления.

Эффективной мерой по снижению расхода топлива является уменьшение массы механических частей и оборудования, что, в свою очередь, снижает инерционные силы сопротивления, возникающие при ускорении поступательного и вращательного движений, а также приводит к уменьшению сопротивлений качению и подъему. Важное значение для снижения массы имеют конфигурация и компоновка частей и элементов конструкции автомобиля. Например, если сделать ведущими передние колеса автомобиля, то можно избавиться от массы карданного вала и картера ведущего моста. Однако это справедливо только в том случае, когда переход от схемы с задним расположением ведущих колес к схеме с передним расположением ведущих колес проводится на стадии проектирования нового автомобиля. Если такое изменение провести на этапе, когда производство уже оснащено соответствующим технологическим оборудованием, то указанный переход может оказаться весьма дорогостоящим.

Известно, что с увеличением массы какой-либо части автомобиля одновременно увеличивается масса поддерживающих ее элементов, и, наоборот, уменьшением массы какой-либо части автомобиля можно значительно снизить массу других его деталей. Кроме того, установка более легких систем (например, меньшего двигателя) в одном месте может автоматически привести к изменениям (уменьшение размеров тормозных механизмов) в другом месте. Таким образом, существует своего рода цепная реакция: облегчение конструкции кузова обусловливает уменьшение размеров колес и т. д. Следовательно, этап проектирования конструкции в целом имеет важное значение [1].

Существует также тесная зависимость между массой автомобиля и размерами кузова, поэтому, чем компактней автомобиль, тем больше экономия топлива, получаемая в результате не только снижения массы, но и пропорционального уменьшения аэродинамического сопротивления, так как сокращается площадь поперечного сечения. Теперь при анализе конструкции кузова инженеров волнуют вопросы, как эффективно распределить массу, чтобы прикладываемые нагрузки воспринимались с минимальной концентрацией напряжений, как уменьшить аэродинамическое сопротивление обшивки кузова при помощи тщательного полирования поверхностей, как обеспечить защиту пассажиров при авариях.

Создание конструкций мобильных машин (тракторов, автомобилей, самоходных шасси, комбайнов, прицепов, погрузчиков, бульдозеров-рыхлителей и др.), работающих при переменных случайных нагрузках и обладающих минимальной металлоемкостью и требуемыми (нормативными) показателями долговечности — актуальная научно-техническая проблема на сегодняшний день. Трудность ее решения объясняется тем, что расчеты на усталость (основной наряду с износом вид повреждений, приводящих по мере накопления к предельным состояниям конструкций) часто не обеспечивают приемлемую точность оценок ресурса. Существуют объективные и субъективные причины медленного решения этой проблемы: в первую очередь, неполнота научных знаний о существе явления усталости, значительная стоимость и трудоемкость испытаний сложных натурных изделий для получения достоверных характеристик сопротивления усталости и оценок ресурса, кризис в современном отечественном машиностроении. В итоге постановка на производство новых конструкций без оценки ресурса стала причиной недостаточной прочности и снижения уровня качества мобильных машин, несмотря на многообразие конструкторско-технологических методов, разработанных в период расцвета отечественной науки о надежности в 1970 — 1990 гг.

Применяемые в настоящее время методы: назначение высоких величин коэффициентов запаса статической прочности (в диапазоне 3.12) при расчетах на квазистатическую прочность, оценка характеристик сопротивления усталости деталей по результатам испытаний стандартных образцов материалов с типичными концентраторами напряжений (надрезами, отверстиями и галтелями) или уменьшенных моделей деталей для сложных конструкций (особенно сварных) приводят к значительным погрешностям при прогнозе ресурса (из-за влияния большого числа факторов на точность оценок), к излишней металлоемкости и преждевременным отказам.

На современном этапе металлоемкость машин снижают путем совершенствования конструкций (повышение точности расчетных методов оценки нагрузок и прочности, применение современных методов ускоренных испытаний, создание конструкций новых принципов действия и др.), внедрения прогрессивных малоотходных и упрочняющих технологий, замены материалов деталей. Правильный выбор материалов — задача оптимизации по большому числу критериев, решаемая методами многокритериальной оптимизации. При замене традиционных материалов прогрессивными должно выполняться уеловие: величина коэффициента замены материала (отношение норм расхода заменяемого и заменяющего материалов) должна быть больше 1. Ориентация на применение наиболее дешевых материалов препятствует не только снижению материалоемкости, но и повышению ресурса машин. Себестоимость продукции, вопреки распространенному мнению, не может рассматриваться как единственный показатель эффективности производства. Имеется немало примеров сочетания низкой себестоимости машин с чрезмерными затратами на избыточную массу и поддержание их в работоспособном состоянии и наоборот. Вследствие этого эффективность машин необходимо оценивать системно — с учетом всех затрат на создание, производство и обеспечение работоспособности за срок службы, отнесенных к единице выполняемой работы. Подобный подход предусмотрен ГОСТ 27 782–88.

Избыточная масса машин отрицательно влияет на их технические характеристики. Так, при транспортных работах она увеличивает расход топлива, при обработке почвы и других видах работ обусловливает чрезмерное уплотнение почвы и как следствие — снижение урожайности. С другой стороны, стремление снизить массу вызывает необходимость в дорогостоящих материалах и технологиях, дополнительных капиталовложениях. Поэтому можно утверждать, что существует оптимальная масса машин. Уменьшение массы снижает себестоимость производства за счет экономии материалов, но увеличивает ее из-за применения более дорогих материалов и технологий [2]. На поддержание работоспособности некоторых машии расходуется больше металла, чем на их производство. Одна из основных причин — недостаточный уровень равнопрочности в вероятностном смысле.

В последние годы большое внимание уделяется вопросам разработки конструкций несущих систем и узлов автомобилей с позиции минимальной металлоемкости и рационального использования прочностных свойств материала элементов рамы и узлов автомобиля [3].

Чтобы обеспечить достаточный ресурс металлоконструкции несущей системы автомобиля, в частности рамы, максимально снизив ее металлоемкость без ущерба для прочности, конструкторы используют расчетные схемы и методы, которые обладают высокой степенью детализации и отражают основные особенности эксплуатации несущих конструкций. Как показал опыт, комплекс программ, реализующих метод конечных элементов (МКЭ), уже на стадии проектирования несущей системы автомобиля позволяет получать сравнительную (относительно прототипа) оценку как статической, так и динамической нагруженности элементов несущей конструкции, а следовательно, принять меры по снижению ее металлоемкости [4,5].

Применение метода конечных элементов, основанного на использовании ЭВМ, при расчетах конструкций кузова может привести почти к 15%-ному уменьшению массы по сравнению с массой, получаемой при применении эквивалентных расчетных моделей, в которых не используется метод конечных элементов [1].

Развитие автомобилестроения в наши дни в значительной степени связано с численными методами оценки прочности и долговечности элементов конструкции на стадии проектирования. В силу того, что большое число конструкций выполнено посредством сварки, особую роль при проектировании несущей системы играют исследовательские работы в области усталости сварных конструкций. Наиболее значимым и систематизированным трудом в этой области является работа [6]. В данной работе собран обширный материал по параметрам кривых усталости сварных конструкций, показано влияние различных факторов на эти параметры, даны значения пределов выносливости различных конструктивных исполнений. В меньшей степени отображены результаты испытаний конструкций, выполненных из низколегированных сталей, которые широко применяются в конструкциях мобильных машин.

Тема прочности и расчетов долговечности сварных конструкций широко представлена в работе [7], в ней рассмотрены вопросы современной оценки долговечности элементов конструкции на стадии проектирования и оценки долговечности по данным эксперимента. Представлены уникальные данные по параметрам кривой усталости в сварных соединениях для разных конструктивных исполнений.

В последнее время в. практике соединений элементов конструкций широкое применение получили болтопрессовые соединения и соединения на высокопрочных болтах. Эти соединения обеспечивают долговечность несущих систем, в 5−6 раз большую, чем сварные соединения. Решения многих вопросов по высокопрочным болтам даны в работе [8].

Таким образом, вопросы проектирования сварных элементов несущих систем достаточно подробно рассмотрены в перечисленных работах, но практически отсутствуют исследования, в которых рассматриваются вопросы проектирования несущих систем машин в целом.

Из всего вышеизложенного следует, что одним из важнейших требований к созданию конструкций несущих систем является обеспечение их ресурса по различным предельным состояниям. Для конструкций, работающих в эксплуатации при переменном нагружении, особое значение имеет сопротивление усталости при длительной эксплуатации [9,10].

К настоящему времени выполнено значительное число исследований по изучению усталостных характеристик материалов под действием рабочих нагрузок, однако их физическая сущность далеко не ясна.

Известно, что многие величины в теории сопротивления материалов являются величинами условными, к ним относятся: предел прочности, предел текучести и предел пропорциональности — все они на действительной диаграмме растяжения не имеют места. Таким же условным понятием является предел усталости — напряжение, которое в состоянии выдержать без разрушения материал при 107 циклах нагружения [11].

Кривая усталости, показывающая зависимость числа циклов нагружений от величины напряжения, представляет собой гиперболическую кривую высшего порядка. В области рабочих напряжений, обычно принимаемых для деталей машин, она незначительно наклонена к оси числа циклов нагружений, следовательно, даже небольшое уменьшение действующего напряжения должно приводить к значительному увеличению числа циклов нагружения. Небольшой наклон кривой усталости позволил ученым в середине 9 века принять за базу числа циклов нагружений К/-=107 и полагать, что для любого числа циклов выше принятого предел выносливости не уменьшается.

В наши дни проблема обеспечения сопротивления деталей машин переменным нагрузкам для своего решения требует более глубокого изучения процессов усталости. До сих пор для определения средней долговечности деталей машин приходится испытывать серию образцов детали в натуральную величину на нагрузки, фиксируемые в эксплуатации [12].

Поэтому в последние годы стал преобладать принцип обеспечения необходимого ресурса деталей с установленной вероятностью неразрушения, т. е. обеспечение необходимой и экономически целесообразной надежности периодически нагружаемых деталей.

Рассматривая усталость с точки зрения закона сохранения энергии и движения как результат потерь на гистерезис при нагружении и разгрузке, доказано, что реальные материалы имеют потери на гистерезис даже при малых нагружениях в области ниже предела пропорциональности. При большом числе циклов нагружений следует ожидать, что разрушение наступит, когда сумма площадей всех петель гистерезиса достигнет площади действительной диаграммы разрушения.

Принимая, что предел выносливости постоянен и не зависит от числа циклов нагрузки, как это делает современная теория, получим, что правая часть у кривой Вёлера при п>10 параллельна оси абсцисс, то есть при напряжении, равном пределу выносливости, деталь может выдержать бесконечно большое число циклов нагружений, и следовательно разрушение не произойдет. и.

Из этого можно сделать вывод, что при числе циклов более 10 определение долговечности становится невозможным [13, 14].

Однако троллейбус, к примеру, за 15 лет эксплуатации нарабатывает о более 9×10 циклов, т. е. исходя из диаграммы Вёлера, рассчитать долговечность какого-либо его узла теоретически невозможно.

Разрушения элементов конструкций несущих систем автобусов, троллейбусов и полуприцепов, зафиксированные в эксплуатации при больших сроках службы, показали, что в процессе проектирования их несущей конструкции оценка их долговечности была выполнена недостаточно корректно. Это привело к тому, что действительная эксплуатационная долговечность оказалась ниже расчетной.

Попытки разработать методику оценки долговечности элементов несущих систем, выполненные многими учеными (C.B. Серенсен, В. П. Когаев, Д.И. Беренов), подверженных в эксплуатации действию большого числа циклов переменных нагружений, показали их недостаточную точность.

Таким образом, особенности циклической прочности конструкционных сталей в области длительных долговечностей целесообразно учитывать при назначении нормативных запасов циклической прочности деталей машин, предназначенных для длительной эксплуатации, т. е. с целью повышения точности оценки долговечности предполагается разработать методику оценки долговечности элементов конструкции с учетом снижения предела выносливости (а1Д) от числа циклов нагружений.

В свою очередь, разработка методики оценки долговечности элементов конструкций при числе циклов нагружения, превышающих базу испытания (N"N/-), позволит значительно снизить материалоёмкость конструкции и затраты на ремонт, а также более рационально использовать материалы [15].

Целыо настоящей работы является экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния высоконагруженных рамных конструкций и оценка ресурса элементов несущей системы.

На защшу выносятся: разработка моделей несущих систем существующего и проектируемого полуприцепов и оценка их напряженно-деформированного состоянияпроектирование несущей системы полуприцепа, обеспечивающей снижение уровня действующих напряжений в конструкцииобоснование методики экспериментального исследования величин нормальных и касательных напряжений в элементах несущей системы полуприцепаоценка уровня касательных напряжений в элементах конструкции от действия статической и переменной нагрузокоценка долговечности элементов конструкции при совместном действии нормальных и касательных переменных напряжений, зафиксированных в эксперименте.

В исследовании использованы: метод конечно-элементного анализа НДС несущих системэлектротензометрический метод исследования напряженного состояния элементов конструкции, как от статической, так и от переменной нагрузокметоды математической статистики по обработке случайных процессов изменения величин переменных напряжений и оценке долговечности элементов конструкции.

Диссертационная работа состоит из 5 глав: в первой главе дан обзор исследований по рассматриваемой проблеме, сформулированы цель и задачи диссертацииво второй главе обоснована принятая расчетная модель полуприцепав третьей главе представлены результаты исследований НДС элементов несущих систем различных вариантов рам полуприцепов методом МКЭв четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования НДС готовой конструкции полуприцепа от действия статической нагрузкив пятой главе выполнена оценка долговечности элементов конструкции при действии на последнюю переменных нормальных и касательных напряжений.

Научная новизна решений данной диссертации заключается в следующих аспектах: разработана новая конструкция несущей системы полуприцепа, обеспечивающая по сравнению с аналогами снижение уровня напряжений в опасных сеченияхпредложена методика проведения эксперимента, по определению иапряженно-деформированного состояния элементов несущей системы полуприцепа, в основу которой положены результаты численного эксперимента (розетки с тензорезисторами наклеивались в сечениях с максимальными расчетными напряжениями исследуемого района рамы) — выполнена оценка ресурса элементов конструкции по записям величин переменных нормальных и касательных напряжений в эксперименте, которая показала целесообразность учета касательных напряжений при оценке ресурса элементов несущей системы.

Результаты исследований использованы при проектировании несущей системы полуприцепа на ООО «ТЕРРА-ПЛЮС» и специального низкопольного автомобиля для перевозки инвалидов-колясочников на ООО «Саратовтрансремонт», а также могут быть применены при испытаниях и доработке несущих систем новых колесных машин.

Положения диссертации легли в основу выступлений автора на: III Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении». — Пенза, 2003; Всероссийском конкурсе среди молодежи высших учебных заведений Российской Федерации на лучшие научные работы по естественным наукам. — Саратов, 2004; VII Международной научно-технической конференции «Динамика технологических систем (ДТС-2004)». -Саратов, 2004; Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (МНТЖ «ЛЭРЭП-2−2007»), — Саратов, 2007; научном семинаре кафедры ТММ / СГТУ. — Саратов, 2009.

выводы.

Разработаны 12 вариантов расчетных моделей несущих систем полуприцепа и выполнена оценка напряженно-деформированного состояния элементов конструкции от действия статической нагрузки.

Г1о результатам расчетов НДС установлено, что в элементах конструкции несущей системы существующего полуприцепа в наиболее нагруженных участках рамы наблюдается высокий уровень как нормальных, так и касательных напряжений: в районе шкворня напряжения составляют 37,83 и 40,2 МПа, в районе гуся 120,5 и 17,9 МПа, а в районе крепления 3-й оси 69,22 и 17,87 МПа соответственно. Эксплуатация таких полуприцепов показала, что именно в сечениях этих участков развиваются повреждения, влекущие за собой отказы и разрушения металлоконструкции несущей системы полуприцепа до расчетного ресурса.

Разработана и внедрена в производство новая конструкция рамы полуприцепа, защищенная патентом РФ. Предложенная конструкция обеспечивает снижение уровня нормальных напряжений в опасных сечениях до 30%, что является существенным резервом увеличения ресурса рамы в эксплуатации.

Качественное совпадение характера изменения напряжений в расчетах и эксперименте подтверждает достоверность принятой расчетной модели и методики экспериментального исследования. Экспериментальными исследованиями величин переменных напряжений в элементах конструкции выявлено, что уровень амплитудных касательных напряжений находится в пределах одного порядка с нормальными напряжениями: так, при движении по хорошему асфальту сга=(2+3) МПа, та=(1^-1,5) МПа, при движении по разбитому асфальту сга-8 МПа, га=(10-^-35) МПа. Установлено, что ресурс элемента конструкции, рассчитанный по записям нормальных и касательных напряжений, на два порядка меньше оценки ресурса, выполненного только по нормальным напряжениям. • На основании полученных результатов исследований НДС рамных конструкций (на примере полуприцепа большой грузоподъемности) можно заключить о целесообразности учета касательных напряжений при оценке ресурса элементов несущих систем.