Метод оценки напряженно-деформированного состояния и квазистатической прочности несущих систем транспортных машин на стадии проектирования

Одной из главных проблем машиностроения является снижение металлоемкости конструкций при обеспечении достаточного уровня их надёжности [1]. В решении этой проблемы наряду с разработкой и применением новых, более прочных материалов и созданием прогрессивных типов конструкций наибольшее значение имеет модернизация методов расчёта на прочность. Традиционный силовой метод расчёта на прочность по допускаемым напряжениям, идея которого была высказана Навье более 170 лет назад, уже подвергался усовершенствованиям с целью более эффективного использования конструкционных материалов. Усовершенствования были произведены в связи с использованием в строительстве и машиностроении пластичных сталей и сплавов, обеспечивающих более высокие уровни надёжности конструкций, чем высокопрочные, но малопластичные материалы. В результате были разработаны метод расчёта по разрушающим нагрузкам (идею метода предложил А. Ф. Лолейт в 1904 г.) и метод расчёта строительных конструкций по предельным состояниям (разработан под руководством Н. С. Стрелецкого в 1953 г.).

В последние годы достигнуты значительные успехи в изучении свойств материалов при циклическом нагружении в различных условиях. Несмотря на это в конструкторской практике преимущественно используются консервативные методики расчёта на прочность, носящие не проектировочный, а проверочный характер. С широким применением вычислительной техники появилась возможность использования методик оптимального проектирования, для которых характерна многовариантность расчётов, что расширяет выбор конструктора при принятии решения.

Одним из таких методов является метод конечных элементов (в дальнейшем МКЭ) [2−8]. МКЭ, реализованный в многочисленных коммерческих вычислительных системах. При современном уровне развития средств вычислительной техники МКЭ позволяет проводить численные исследования напряжённо-деформированного состояния (НДС) достаточно сложных объектов при разнообразных видах воздействия. Весьма эффективным было бы использование этого метода при разработке несущих систем автобусов и троллейбусов. Однако в практике отечественного машиностроения численное моделирование применяется очень ограничено. Одной из причин этого является существующее недоверие разработчиков к численным оценкам НДС конструкций, получаемых МКЭ. Хотя уже во второй половине девяностых годов работами [9−13] было доказано, что их недоверие неоправданно, и на примерах показано, что расхождение между экспериментальным НДС конструкции и НДС полученным расчётным методом не превышает 4%.

В настоящее время в мировом транспортном машиностроении доминирует принцип обеспечения ограниченного ресурса несущих машин с установленной вероятностью разрушения, т. е. обеспечение необходимой экономически целесообразной долговечности деталей, работающих в условиях периодического нагружения. В этой связи существенно повышаются требования к точности оценки долговечности рамных конструкций. Ошибка в оценке долговечности приводит либо к неоправданному повышению металлоёмкости рамы, либо к раннему возникновению отказов. Решение задачи повышения долговечности рам и снижения их металлоёмкости связано с разработкой новых конструкций, применением материалов с улучшенными свойствами, внедрением прогрессивных технологий. Эффективность таких разработок возможна лишь при введении научно обоснованных методов расчётно-экспериментальной оценки НДС рам на этапе опытно-конструкторских работ.

Анализ вопроса показывает, что методы комплексной оценки НДС сложных несущих систем нуждаются в дальнейшем усовершенствовании.

Целью настоящей работы является разработка метода оценки НДС и квазистатической прочности, позволяющего с использованием современных программных комплексов выявить наиболее нагруженные места в конструкции на начальной стадии проектирования, внести необходимые коррективы, обеспечивающие снижение затрат и время на проектирование.

На защиту выносятся:

— результаты систематизации и обработки данных по типичным разрушениям несущих систем автобусов и троллейбусов в эксплуатации;

— статистические закономерности параметров распределения эксплуатационного ресурса различных типов разрушений и установление их сечений в конструкции;

— новые расчётные модели несущих систем автобусов и троллейбусов;

— оценка напряжённо-деформированного состояния несущих систем автобусов и троллейбусов, выполненная МКЭ для различных вариантов загрузки машины;

— результаты сравнительного анализа напряжённо-деформированного состояния элементов несущих систем пассажирских транспортных средств, полученных расчётным путём и экспериментально;

— методика проектирования несущих систем машин на ранней стадии разработки конструкции.

Общие выводы:

1. Предложена новая методика разработки несущих систем машин на ранней стадии проектирования, в основу которой положена оценка уровня касательных напряжений в сечениях элементов при кручении конструкции, определяющих вероятность её разрушения. Установлено, что уровень касательных напряжений в 10МПА обеспечивает неразрушение конструкции в эксплуатации.

2. Анализ результатов расчёта и эксперимента величин нормальных напряжений показал их качественное и количественное совпадение, что свидетельствует о достоверности принятой расчётной модели.

3. Исследование напряжённо-деформированного состояния несущих систем транспортных машин, выполненное методом конечных элементов для различных вариантов загрузки машины при изгибе и кручении, позволило выявить характер распределения касательных и нормальных напряжений по элементам конструкции и оценить напряжённое состояние в местах разрушения элементов конструкции.

4. Проанализирован обширный материал по поломкам элементов несущих систем автобусов и троллейбусов в эксплуатации, имеющих разную конструкцию несущей системы. Установлено, что наиболее частыми разрушениями конструкции 49% являются разрушения элементов в районе заднего моста и крепления двигателя. Эксплуатационные распределения ресурсов при коэффициенте вариации последнего v=0.5.0.8 хорошо аппроксимируются законом Вейбулла.

5. Анализ величин средних ресурсов несущих систем машин до поломки показал, что большинство конструкций имеют ресурс меньше требуемого. Внедрение предлагаемой методики позволит снизить вероятность разрушений конструкции в эксплуатации и тем самым обеспечить нормативный срок службы машины.