Метод определения прочностных свойств кузова автобуса, выполненного с использованием слоистых композиций

В данной работе исследуется возможность усовершенствования автобусных кузовов путем использования в их несущих системах трехслойных конструктивных элементов вместо традиционных каркасно-листовых [61]. Следует сразу отметить, что совершенствование конструкций автобусов можно проводить по многим направлениям. В частности, в настоящее время, как показывает анализ литературы по данному вопросу [13], в мировой практике появляются все новые компоновочные схемы, среди которых доминирующей является вагонная компоновка автобуса с наиболее предпочтительным расположением двигателя в задней части кузова. В свою очередь, среди них все более широко используются несущие кузова, конструкция которых позволяет исключить раму или несущее основание, что позволяет уменьшить общую массу автобуса при одновременном увеличении жесткостных параметров его кузова и как следствие — повышение его прочностной надежности [5,29].

Следует отметить недостаточную конкурентоспособность продукции отечественного автобусостроения на внешнем рынке, сохраняющуюся за счет отставания по таким важным позициям как инновационное проектирование, низкая механическая прочность силовых систем, слабая коррозионная стойкость и т. д. Слабая нормативная база, отсутствие надлежащих, научно обоснованных критериев оценки прочностных, технологических, экономических качеств конструкций автобусных кузовов неизбежно приводит к пере-тяжелению отечественных конструкций по сравнению с зарубежными образцами этой техники. Поэтому своевременные предложения по разработке прогрессивных конструктивных схем с учетом технологической и экономической целесообразности крайне важны.

Актуальность предложенной темы и выполненной диссертационной работы состоит в концептуальной разработке методов усовершенствования и проектирования перспективных конструкций кузовов автобусов, сформированных из слоистых композиций в виде панелей, оболочек и трехмерных объектов, в которых широко используется тонколистовой прокат из новейших высокопрочных легированных сталей. Эти конструктивные элементы предназначены для одновременного выполнения суммы функций, а именно несущих фрагментов конструкции, тепло-, виброи шумоизолирующих деталей.

Использование слоистых конструкций особенно эффективно в рамках современных тенденций к созданию несущих кузовов типа «монокок», где все силовые элементы в равной степени интегрированы в несущую схему. Указанная концепция позволяет выработать конструктивные подходы к созданию кузовов с существенно меньшей массой, со значительно большей жесткостью, прочностью и долговечностью по сравнению с традиционными каркасно-листовыми силовыми схемами. Так же не маловажно отметить технологические и технико-экономические преимущества такого вида кузовных конструкций, которые непосредственно обусловлены свойствами повышенной прочностной надежности. Вместе с тем, предложенное направление не отменяет и традиционных каркасно-листовых силовых схем кузовов при выполнении тех же технологических и конструктивных условий.

Цель представленной работы — в научном и практическом плане решить важную техническую задачу по совершенствованию упомянутых конструкций путем создания их теоретических моделей, анализа и предсказания улучшенных прочностных, жесткостных и эксплуатационных свойств, имея в виду современные тенденции в мировом автобусостроении. Акцент в работе делается на численные эксперименты, проводимые на основе разработанных математических моделей. В частности широко используются программные комплексы на базе метода конечных элементов, применяемые в части расчетов на прочность, устойчивость и колебании. В связи с основной целью работы ставились и решались задачи по определению важнейших механических свойств слоистых (в основном трехслойных) композиций. При этом особое внимание уделялось возможности образования исходных технологических дефектов и эксплуатационных повреждений в трехслойных несущих элементах. Целенаправленно исследовалось влияние этих неправильностей на снижение эксплуатационных свойств слоистых композиций. Эти решения достигались теоретическими методами, и путем сравнения с результатами специальных экспериментов устанавливалась их достоверность. Важно отметить, что достижение поставленных целей наиболее наглядно и плодотворно осуществлялось путем непрерывного аналитического сравнения несущей способности моделей кузова, выполненных по традиционной каркасно-листовой силовой схеме и с использованием трехслойных композиций в соответствии с разрабатываемой концепцией. Помимо целей, состоящих в повышении прочностной надежности перспективных кузовных конструкций, в работе ставилась и решалась задача пассивной безопасности как традиционной, так и перспективной расчетной схемы кузовов.

Объектом исследования в данной работе является возможность создания перспективных конструктивных схем автобусных кузовов в рамках концепции широкого использования в них слоистых композиций, таких как трехслойные панели, оболочки, балки и объемные тела, а также высокопрочных легированных сплавов и тонколистового проката для их каркасирования.

Предметом исследования является напряженно-деформированное состояние кузова автобуса туристического класса, выполненного по принципу несущего кузова типа «монокок» по традиционной каркасно-листовой схеме. Путем численных экспериментов на разработанных нами математических моделях, позволяющих выявить расчетные случаи и наиболее слабые звенья конструкции кузова, найдены и предложены пути усиления корпуса. Так же обнаружено, что эти усиления неизбежно приводят к утяжелению конструкции. Расчетным путем доказано, что выходом из этой противоречивой ситуации является создание принципиально иной каркасно-панельной конструкции кузова, в которой используются трехслойные конструктивные элементы, тип которых указан выше.

Использованные в данной работе методологические приемы и способы исследования, основанные на широком численном эксперименте с использованием современных вычислительных средств и программного обеспечения, являются наиболее эффективным современным средством достижения поставленных выше целей и повсеместно применяются в отечественной и зарубежной практике научного исследования [1,34,72].

Научная новизна данной работы состоит в следующем.

1. Разработана математическая конечно-элементная модель в рамках программных комплексов ДИАНА и NASTRAN несущего кузова автобуса типа «монокок», позволяющая с минимальными, командно-автоматическими изменениями проводить численные эксперименты по исследованию несущей способности различных вариантов моделей кузова.

2. Установлено, что автобусные кузова, сформированные на основе трехслойных конструктивных элементов, имеют существенный выигрыш в весе при равной жесткости и прочности по сравнению с кузовами традиционного каркасно-листового строения.

3. Теоретически установлен эффект искривления сотового слоя заполнителя в направлении, перпендикулярном действию внешнего изгибающего момента, что вызывает дополнительные нормальные напряжения в несущих слоях трехслойных панелей при их поперечном изгибе. Также установлено расчетно-опытным путем влияние высоты сотового заполнителя на проявление данного эффекта. Учет этого обстоятельства необходим при корректном определении запасов прочности панелей.

4. На основе разработанной методики установлены жесткостные параметры трехслойных композиций, соответствующие действующим нагрузкам в экстремальных расчетных случаях.

5. Экспериментально — теоретически установлено влияние технологических дефектов типа непроклея на границах несущих слоев с заполнителем. Обнаружено явление локальной потери устойчивости несущих слоев в области пятна непроклея.

6. Разработана упрощенная модель распространения трещины, распространяющийся по клеевому слою от границ пятна непроклея. Установлена зависимость между формой и площади пятна непроклея и критическим значением длинны трещины.

7. Разработана конструкция бампера автобуса в виде трехслойной композиции, обладающая высокими энергопоглащающими свойствами.

8. Установлено, что слоистые композиции как несущие элементы автобусного кузова имеют более высокую энергопоглащающую способность по сравнению с каркасно-листовой моделью при одинаковых весовых показателях.

Практическая значимость данной диссертационной работы заключается в следующем. Предлагаются научно обоснованные варианты конструкций автобусных кузовов перспективного, сформированного из трехслойных элементов и узлов, и традиционного каркасно-листового типа, которые обладают повышенной прочностной надежностью при меньшем весе по сравнению с устаревшими рамными и т. п. конструкциями. Применение таких конструкций безусловно технологически, а следовательно, и экономически более прогрессивно. Это обусловлено не только высокой прочностью, но и повышенной комфортабельностью, благодаря тепло-, вибро-, шумоизоляционным свойствам слоистых композиций.

Апробация работы состоялась на следующих конференциях в виде докладов и обсуждений.

1. «АВИАКОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ» «АКТ-2006», Воронеж, 2006.

2. 5-я Международная конференция «Авиация и космонавтика-2006г» Москва, 2006.

3. 4-я Всероссийская научно-практическая конференция «Применение ИЛИ — технологий в производстве» Москва, 2006.

4. 7-я Международная интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС 2006) Москва, 2006.

5. 4-я Всероссийская конференция «Необратимые процессы в природе и технике» Москва, 2007.

6. 62-я международная научно-техническая конференция на тему «Перспективы развития отечественного автомобилестроения. Конструктивная безопасность автотранспортных средств». Дмитров, 2008.

7. 13-й научный межвузовский семинар «Геометрия и расчет тонких оболочек неканонической формы», (РУДН) Москва, 2011.

Публикации по работе:

1. Бычков A.B. «АВИАКОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ» «АКТ-2006», Воронеж, 2006.

2. Бычков A.B. 5-я Международная конференция «Авиация и кос-монавтика-2006г» Москва, 2006.

3. Бычков A.B. 4-я Всероссийская научно-практическая конференция «Применение ИЛИ — технологий в производстве» Москва, 2006.

4. Бычков A.B. 7-я Международная интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС 2006) Москва, 2006.

5. Бычков A.B. 4-я Всероссийская конференция «Необратимые процессы в природе и технике» Москва, 2007.

6. Агапов В. П., Бычков A.B. Моделирование дефектов в конструкциях из композитных материалов // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений — М., 2006. — № 1.

7. Агапов В. П., Бычков A.B. Расчет конструкции воздушного тормоза на статическую прочность методом конечных элементов с учетом эффекта аэроупругости // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений — М., 2006. — № 2.

8. Бычков A.B. Алгоритм решения геометрически нелинейных задач теории упругости методом конечных элементов для расчетов на прочность узлов и агрегатов автомобилей // Журнал автомобильных инженеров — М., 2007.-№ 1(42).

9. Л Ким И. В., Бычков A.B., Кручинин В. К., Лыюров М. В. «Оценка прочности силовой структуры кузовов автобусов методами математического моделирования» 62-ю международную научно-техническую конференцию на тему «Перспективы развития отечественного автомобилестроения. Конструктивная безопасность автотранспортных средств». Дмитров, 2008.

На защиту выносятся:

1. математическая модель, созданная на основе метода конечных элементов и позволяющая с высокой точностью имитировать процессы статической и динамической деформации конструкции кузова автобуса, формируемой при проектировании как по традиционной каркасно-листовой, так и по предложенной концептуальной схеме с использованием слоистых композиций.

2. способ и результаты исследования механических свойств сотового заполнителя и слоистых конструкций на его основе.

3. математическая модель разрушения трехслойных панелей с начальными неправильностями в виде технологических повреждений в контексте влияния их на несущую способность кузовной конструкции.

4. разработка переднего бампера автобуса в виде слоистой композиции с высокой степенью энергопоглощения.

5. обоснование преимуществ слоистых конструкций на основе сотовых заполнителей в части шумои виброизоляции салона автобуса.

Диссертационная работа изложена на 210. страницах машинописного текста и состоит из введения, 7-ми глав основного текста, заключения, списка литературы из 114 наименований.

Результаты исследования общих линейно-упругих деформаций показали, что перемещения в каркасно-листовом кузове автобуса локализуются в конструктивных элементах только в передней части корпуса, где максимальные значения их составили 265 мм (рис. 5.32). При этом передняя панель и балки искривляются, совершенно искажая свою форму. Изгибаясь, они проникают внутрь корпуса, достигая торца переднего кессона, сдвигая его назад и создавая опасность для жизни водителя. Очевидно, что эти элементы будут испытывать пластические деформации. Переднее остекление при таких смещениях разрушается.

Остальная часть кузова испытывает малые деформации сжатия и совершенно незначительные изгибные деформации, вполне приемлемые по нормам пассивной безопасности. Таким образом, эта предварительная картина деформации кузова демонстрирует, что основная доля энергии удара воспринимается именно передней частью конструкции, которая, видимо, будет нуждаться в некотором усилении за счет демпфирующих устройств, так как передние балки не обладают в достаточной мере этими свойствами.

Анализ напряжений (рис. 5.33) показал, что в несущих дугообразных балках передней торцевой рамы, в которые направлен удар, упругие напряжения выше предела прочности для стали Ст 3. Это еще раз подтверждает пластический характер деформации передней части кузова и необходимость применения дополнительного демпфера.

Рис. 5.32 Максимальные перемещения.

Рис. 5.33 Напряжения в балочных элементах.

5.1.1.4.2 Расчет на лобовой удар широким бойком.

Общий характер линейно-упругой деформации при лобовом ударе о широкое препятствие совершенно иной (рис. 5.34). Численные эксперименты показали, что передние балки и панель, изгибаясь, достигают торца переднего кессона, затем огибают его и на значительную глубину проникают внутрь корпуса. При этом в процесс деформации активно включается передняя рама, вертикальные стойки которой распираются торцами изогнутых передних балок, максимальные перемещения которых составили 187 мм.

Как и в предыдущем случае, деформация основной части незначительна.

Анализ напряжений показал, что в несущих дугообразных балках передней торцевой рамы, в которые направлен удар, напряжения превышают предел прочности стали Ст 3, то есть следует ожидать возникновения в этих элементах значительных пластических деформаций (рис. 5.35).

Рис. 5.35 Напряжения в балочных элементах.

5.1.1.5 Исследование ударо-прочностных свойств передней части кузова с демпфирующим элементом.

Для усовершенствования окончательной каркасно-листовой модели кузова автобуса было принято решение об усилении передней части кузова путем установки здесь силового и демпфирующего элемента в виде бампера. Силовая схема конструкции бампера представляет собой трехслойный пакет с обшивками из стального листа 0,5 мм и сотового заполнителя. Бампер по всей задней стенки плотно прикреплен к передним криволинейным балкам, на которые опирается как на сплошное упругое основание. В главе 4 данной работы показано что, меняя направления осей анизотропии заполнителя, можно варьировать жесткостными параметрами трехслойной конструкции в целом. Было выбрано два варианта расположения сотового заполнителя в конструкции бампера:

1. Соты расположены вертикально. При таком расположении сотового заполнителя направление максимальной жесткости заполнителя не совпадает с направлением удара. Это уменьшает жесткость трехслойной конструкции и одновременно увеличивает деформатив-ность, тем самым увеличивается энергопоглощение конструкции (бампер работает как подушка);

2. Соты расположены горизонтально. При таком расположении сотового заполнителя направление максимальной жесткости заполнителя совпадает с направлением удара. Это увеличивает жесткость трехслойной конструкции и одновременно уменьшает деформатив-ность, тем самым увеличивает жесткость конструкции и конструкции в которую интегрирован трехслойный бампер.

Данные расчеты призваны определить плюсы и минусы таких решений путем сравнения и анализа НДС конструкции при лобовом ударе. Финишная каркасно-листовая модель показана на рис. 5.36.

Рис. 5.36 Финишная каркасно-листовая модель.

5.1.1.5.1 Расчет на удар финишной модели кузова автобуса широким бойком. Соты в бампере расположены вертикально.

Результаты расчета лобового удара о широкое препятствие показали, что максимальные перемещения в кузове автобуса составили 120 мм (рис. 5.37). Анализ напряжений показал, что в несущих балках передней торцевой рамы, напряжения снизились в два раза. Это говорит, о том что конструкция бампера увеличила жесткость кузова автобуса и перераспределила напряжения, (рис. 5.38, 5.39). Картина деформации бампера показывает сильное его смятие, что объясняется вертикальным расположением сотовых ячеек. Анимация показывает почти полное смятие конструкции бампера, что объясняется поглощением значительной части энергии удара за счет смятия сот в бампере. На рис. 5.37 отчетливо видно, что волна деформации при наличии бампера проходит значительно дальше вдоль корпуса автобуса. При значения деформации в передней раме значительно снижаются, а деформации в удаленной части кузова, хотя и увеличиваются, тем не менее остаются не большими. Они по-прежнему имеют, в основном, характер сжатия. Такая картина деформации свидетельствует о более мягком восприятии ударного импульса корпусом автобуса вследствие перераспределения жесткостей несущих элементов в передней части кузова за счет установки бампера. Важно отметить, что при достигнутых перемещениях переднее остекление не подвергается опасности спонтанного разрушения, так как даже максимальные напряжения в стекле в районе заделки в корпус оказываются ниже предела прочности стекла, поэтому возможно лишь выворачивание стекла с массовым образованием трещин.

Рис. 5.38 Напряжения в балочных Рис< 539 эквивалентные напряжения элементах.

5.1.1.5.2 Расчет на удар финишной модели кузова автобуса широким бойком. Соты в бампере расположены горизонтально.

Результаты линейно-упругого расчета лобового удара о широкое препятствие показали, что максимальные перемещения в кузове автобуса соста.

137 вили 136 мм (рис. 5.40). Анализ напряженного состояния показал, что в несущих балках передней торцевой рамы напряжения незначительно увеличились (рис. 5.41, 5.42). Это говорит о том, что конструкция бампера с измененным направлением сот в заполнителе снизила свою податливость. Картина деформации бампера обнаруживает не смятие его, а наоборот, демонстрирует более высокую жесткость, вследствие чего его дугообразная форма под нагрузкой уменьшает кривизну и тем самым распирает раму. В результате перераспределения деформация в передней части кузова автобуса происходит иначе по сравнению с предыдущим случаем, то есть, некоторое смягчение восприятия ударного импульса происходит не столько за счет поглощения энергии бампером, сколько за счет деформации весьма жестких конструктивных элементов передней рамы. При этом деформация от передней части кузова проникает вдоль него несколько дальше и с большими значениями, чем при податливом бампере.

Тем не менее и конструкция бампера с таким расположением сот значительно разгружает конструкцию передней части корпуса автобуса по сравнению с фактически безбамперной конструкцией, в которой ударный импульс воспринимается передней балкой.

Рис. 5.40 Максимальные перемещения.

Рис. 5.42 Напряжения в балочных Рис. 5.41 Эквивалентные напряжения элементах.

Таким образом, анализ результатов расчетов кузова с бампером предложенной нами конструкции в различных вариантах показывает: — конструкция трехслойного бампера, интегрированная в общую силовую схему кузова, значительно повышает общую жесткость передней части кузова, тем самым уменьшает его деформативность, перераспределяя потоки деформаций и напряжений между несущими элементами кузова;

— управление свойствами заполнителя в конструкции позволяет придавать ей необходимые жесткостные и деформативные свойства;

— расчеты показывают, что минимальные значения перемещений в кузове автобуса обнаруживаются при вертикальном расположении сот в заполнителе бампера.

Сравнение результатов упругих расчетов на лобовой удар показан в табл. 5.3.

Заключение

.

На основании проделанной работы можно подвести следующие итоги и сделать выводы.

1. Решены задачи по разработке конечно-элементных моделей различных вариантов конструкции несущего кузова автобуса с использованием программных комплексов ДИАНА и МА8Т11А1Ч. Разработаны управляющие программы, позволяющие с минимальными командно-автоматическими изменениями проводить численные эксперименты по исследованию несущей способностью различных вариантов конструкций.

2. Установлено, что автобусные кузова, сформированные на основе трехслойных конструктивных элементов, имеют существенный выигрыш в весе при равной жесткости, прочности и долговечности по сравнению с кузовами традиционного каркасно-листового строения.

3. Дано обоснование рациональности использования в конструкциях автобусных кузовов высокопрочных коррозионностойких легированных сталей при производстве тонколистовых несущих панелей и элементов каркаса.

4. Теоретически установлен эффект искривления сотового слоя заполнителя в направлении, перпендикулярном действию внешнего изгибающего момента, что вызывает дополнительные нормальные напряжения в несущих слоях трехслойных панелей при их поперечном изгибе. Также установлено расчетно-экспериментальном путем влияние высоты сотового заполнителя на проявление данного эффекта. Учет этого обстоятельства необходим при корректном определении запасов прочности панелей.

5. На основе разработанной методики определенны жесткостные параметры трехслойных композиций, отвечающие действующим нагрузкам в экстремальных расчетных случаях. Установлено влияние этих параметров на несущую способность кузова в целом.

6. Экспериментально — теоретически установлено влияние технологических дефектов типа непроклея по границам несущих слоев с заполнителем на критические напряжения локальной потери устойчивости несущих слоев в области пятна непроклея. Обоснованы рекомендации по максимально допустимым размерам таких дефектов.

7. Предложена упрощенная модель распространения трещины в клеевом слое. Установлена зависимость критических значений коэффициентов интенсивности напряжений от формы и площади пятна непроклея и критическим значением длинны трещины.

8. Разработана конструкция бампера автобуса в виде трехслойной композиции, обладающая высокими энергопоглащающими свойствами. Установлены рациональные геометрические и жесткостные параметры заполнителя как основного элемента в системе поглощения энергии.

9. Установлено, что слоистые композиции как несущие элементы автобусного кузова имеют более высокую энергопоглащающую способность по сравнению с каркасно-листовой моделью при одинаковых весовых показателях.