РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТНОЙ ОЦЕНКИ ПАССИВНОЙ
advertisement
На правах рукописи ТУМАСОВ АНТОН ВЛАДИМИРОВИЧ РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТНОЙ ОЦЕНКИ ПАССИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ КУЗОВОВ И КАБИН АВТОМОБИЛЕЙ ПРИ ОПРОКИДЫВАНИИ Специальность 05.05.03 – Колесные и гусеничные машины АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Нижний Новгород – 2008 Работа выполнена на кафедре «Автомобили и тракторы» Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Орлов Лев Николаевич Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Зузов Валерий Николаевич кандидат технических наук Сергиевский Сергей Андреевич Ведущая организация: Объединенный инженерный центр группы ГАЗ (ООО «ОИЦ» группы ГАЗ, г. Нижний Новгород) Защита диссертации состоится « 12 » декабря 2008 г. в « 12 » часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.04 в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, г. Н. Новгород, ГСП – 41, ул. К.Минина, д. 24, ауд. 1258. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. Автореферат разослан « 10 » ноября 2008 г. Отзыв на автореферат с подписью, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета. Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Л.Н. Орлов 2 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Повышение безопасности дорожного движения имеет важное народно-хозяйственное значение. В этой связи наблюдается постоянное ужесточение требований пассивной безопасности (ПБ), предъявляемых к автотранспортным средствам. Статистические данные показывают, что опрокидывание автомобиля – не самый частый вид дорожно-транспортных происшествий. Тем не менее, среди аварий с тяжелыми последствиями доля опрокидываний намного выше, чем, к примеру, боковых столкновений или наездов сзади. Поэтому задача повышения ПБ кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей в условиях опрокидывания является весьма актуальной в настоящее время. Важная роль при разработке безопасных кузовных конструкций автомобилей отводится применению расчетных методов оценки ПБ. Несмотря на достигнутые успехи в этом направлении, еще остаются недостаточно изученными вопросы поведения тонкостенных элементов и их сечений в области больших пластических деформаций. Требуют уточнения функциональные зависимости разрушающих нагрузок от значений пластических моментов сопротивления сечений, изменяющихся в процессе разрушения. Необходимо дальнейшее развитие методики оценки ПБ с применением компьютерного моделирования условий, предусмотренных Правилами ЕЭК ООН, ГОСТами, ОСТами и другими нормативными документами. Решению этих актуальных задач посвящена данная диссертационная работа. Цель работы. Разработка методики расчетной оценки пассивной безопасности кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей при опрокидывании на основе результатов компьютерного моделирования условий испытаний, расчетов по предельному состоянию конструкций с применением уточненных зависимостей и практическая реализация полученных результатов. Задачи исследования. Сформулированная цель и проведенный анализ проблем по теме диссертации позволили определить основные задачи исследования: 1. Разработка последовательности (процедуры) оценки ПБ кузовов и кабин в условиях опрокидывания автомобилей по результатам компьютерного моделирования. 2. Усовершенствование алгоритма инженерного расчета и оценки несущей способности (НС) кузовов и кабин по предельному состоянию при опрокидывании автомобилей. 3. Определение эмпирических коэффициентов, необходимых для расчета пластических моментов сопротивления сечений на основе исследования поведения тонкостенных элементов кузовных конструкций в условиях аварийного нагружения с учетом больших пластических деформаций. 4. Сравнительная оценка результатов расчетных и экспериментальных исследований с целью обоснования правомерности и практического применения разработанной методики. 5. Разработка практических рекомендаций по применению предлагаемых методики и алгоритмов, повышению ПБ кузовов и кабин в условиях опрокидывания автомобилей. 3 Объекты исследования. Кузова легковых автомобилей ВАЗ-1118 «Калина», ГАЗ-31105 «Волга». Кабины грузовых автомобилей ГАЗ, Русак. Дополнительная кабина автомобиля противопожарной службы на шасси КамАЗ. Кузов автомобиля УАЗ с внесенными в конструкцию изменениями. Предмет исследования. Методика расчетной оценки пассивной безопасности и несущей способности кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей в условиях опрокидывания. Методы исследования. Исследования ПБ кузовов и кабин основываются на применении методов математического и компьютерного моделирования. Расчеты разрушающих нагрузок и энергоемкости кузовных конструкций в условиях аварийного нагружения проведены на основе усовершенствованных зависимостей инженерного (кинематического) метода. Расчеты в нелинейной постановке при статическом и динамическом приложении нагрузок, имитирующих условия опрокидывания в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН, ГОСТ, ОСТ проведены на основе метода конечных элементов с использованием современных программных комплексов. Экспериментальные исследования проведены на стендах лаборатории кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Научная новизна. Научную новизну работы составляют: алгоритм расчета несущей способности конструкций по предельному состоянию на основе уточненных зависимостей инженерного метода в условиях опрокидывания автомобилей; функциональные зависимости изменения поправочных коэффициентов и их значения для определения пластических моментов сопротивления тонкостенных сечений; процедура подготовки, особенности расчета подробных конечноэлементных моделей кузовов, кабин с учетом их ударного нагружения и возникающих больших пластических деформаций в условиях имитации опрокидывания автомобилей. Основные положения, выносимые на защиту. Из теоретических разработок: особенности разработки, математического описания и расчета подробных конечно-элементных моделей кузовов и кабин, выбора внутренних и внешних граничных связей, ударной нагрузки при компьютерном моделировании условий опрокидывания автомобилей; алгоритм расчета разрушающих нагрузок для кузовов и кабин в условиях опрокидывания автомобилей; алгоритм и программа расчета пластических характеристик сечений с учетом изменения их форм и введения поправочных коэффициентов. Из научно-методических разработок: методика расчетной оценки пассивной безопасности, несущей способности кузовов и кабин, основанная на уточненном инженерном расчете и компьютерном моделировании условий аварийного нагружения, возникающих при опрокидывании автомобилей. 4 Из научно-технических разработок: результаты исследований пассивной безопасности и несущей способности рассматриваемых объектов; разработанные конечно-элементные модели кузовов и кабин; предложения и практические рекомендации по повышению пассивной безопасности кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей. Практическая ценность. Разработанная методика позволяет на ранних стадиях проектирования выбирать безопасные силовые схемы кузовных конструкций и проводить экспресс-оценку ПБ автомобилей с внесенными в их конструкцию изменениями. Она дает возможность оценивать безопасность кузовов и кабин при доводке их конструкций, а также при сертификации автотранспортных средств на основе результатов компьютерного моделирования условий опрокидывания с применением пакетов программ на базе метода конечных элементов. Материалы диссертации могут быть использованы в конструкторских и расчетных отделах автомобильных предприятий и фирм, в органах по сертификации автотранспортных средств, в научно-исследовательских институтах и ВУЗах. Реализация результатов работы. Разработанная методика, расчетные модели, результаты исследований внедрены и использованы в расчетных и конструкторских отделах ОАО «АВТОВАЗ», ООО «Русак» группы компаний «КОМ», ООО «ПЕЛЕНГ», ООО «Чайка-НН», ЦБДДТЭ (Центр безопасности дорожного движения и технической экспертизы) НГТУ им Р.Е. Алексеева, а также в НП «ИНСАТ» (Некоммерческое партнерство «Институт сертификации автомототехники»), 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 дипломных проектов и магистерских диссертаций. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г. Н.Новгород, НГТУ, с 2004 по 2008 гг.); Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 30-летию кафедры «Строительные и дорожные машины» НГТУ (г. Н.Новгород, 2004 г.); Международной конференции, посвященной 70-летию каф. «Автомобили и тракторы» НГТУ (г. Н.Новгород, 2005 г.); XII Нижегородской сессии молодых ученых (г. Татинец, 2006 г.); Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 35-летию кафедры «Строительные и дорожные машины» НГТУ (г. Н.Новгород, 2008 г.); 62-й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров РФ, посвященной 50-летию Женевского Соглашения (г. Дмитров-7, ФГУП НИЦИАМТ, 2008 г.). Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 26 изданиях, в том числе 13 научных статьях, из которых 4 статьи опубликованы в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 учебно-методических разработках и 10 тезисах докладов (в автореферате не приведены). 5 Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы из 155 наименований, приложения. Диссертация содержит 265 страниц основного машинописного текста, включая 261 рисунок, 31 таблицу и 19 страниц приложения с таблицами результатов расчетов и актами внедрения результатов работы. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, определены его цель, положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов. В первой главе проведен краткий обзор работ, посвященных проблемам оценки пассивной безопасности кузовов и кабин автомобилей, решением которых занимались Л.Л. Афанасьев, А.Б. Дьяков, А.М. Иванов, В.Н. Иванов, И.К. Коршаков, В.А. Лялин, М.В. Лыюров, Э.Н. Никульников, А.И. Рябчинский, Р.К. Фотин, В.В. Фролов. Особое внимание уделено анализу расчетных методов оценки безопасности кузовных конструкций. В частности, рассмотрены особенности инженерного (кинематического) метода расчета кузовов и кабин на безопасность, разработанного Л.Н. Орловым и реализованного им на практике совместно с Л.В. Барахтановым и А.Л. Орловым. Показаны преимущества метода конечных элементов, теоретические основы которого приведены в работах Дж. Аргироса, К. Бате, Т. Белычко, Е. Вилсона, А.С. Городецкого, О. Зенкевича, Ж.-Л. Кулона, Д. Норри, Дж. Одена, Ж-К. Сабоннадьера, Л. Сегерлинда, Ж. де Фриза, Г. Шпура. Практическая реализация метода применительно к кузовам и кабинам автомобилей рассмотрена в работах В.П. Агапова, Э.И. Григолюка, В.А. Гугля, В.Н. Зузова, Е.О. Иванова, Е.А. Когана, Е.В. Кочанова, С.М. Кудрявцева, Н.А. Кулакова, С.А. Курдюка, И.В. Маркина, В.И. Отмахова, В.И. Пескова, И.Н. Порватова, С.А. Сергиевского, Д.В. Соловьева, Н.Б. Софонова, А.В. Сидорина, Г.М. Цоя, Н.М. Филькина, Р.И. Фурунжиева, Е.Н. Шмелева. Из анализа рассмотренных работ и публикаций следует, что в настоящее время сформировалось весьма полное представление о требованиях пассивной безопасности, предъявляемых к автомобилям. Однако случаи опрокидывания легковых и грузовых автомобилей рассматривались относительно редко, поэтому возникла необходимость в дальнейшем развитии и совершенствовании существующих расчетных методик оценки пассивной безопасности кузовов и кабин в условиях опрокидывания автомобилей. В соответствии с указанными направлениями возможного развития проблемы повышения пассивной безопасности автотранспортных средств были сформулированы цель и задачи исследования. Во второй главе изложена методика расчетной оценки ПБ и НС кузовов и кабин в условиях опрокидывания автомобилей (рис. 1). Как видно из рис. 1, методика включает в себя два основных блока: 1) последовательность и алгоритм инженерных расчетов конструкций по предельному состоянию с использованием уточненных зависимостей разрушающих нагрузок от геометрических параметров (рис. 2); 2) процедура компьютерного моделирования динамических процессов, происходящих при опрокидывании автомобилей (рис. 5). 6 Методика расчетной оценки пассивной безопасности кузовов и кабин при опрокидывании автомобилей Проектирование БЛОК 1 на основе результатов и уточненных зависимостей инженерного метода Доводка Внесение изменений БЛОК 2 на основе результатов компьютерного моделирования условий опрокидывания Сертификация Рис. 1. Структурная схема методики расчетной оценки пассивной безопасности На стадиях проектирования кузовов и кабин, когда отсутствует подробная информация о панелях и сечениях несущей конструкции автомобиля и приходится иметь дело с упрощенными расчетными схемами, оценку ПБ предлагается проводить на основе результатов расчетов с использованием уточненных зависимостей (4) инженерного метода (рис. 2). Инженерный расчет также может использоваться на стадиях доводки и при экспресс-оценке ПБ автомобилей, в конструкцию которых были внесены изменения. Отличительной особенностью предлагаемого алгоритма от существующего является введение разработанных уточненных формул для определения пластических моментов сопротивления Wпл сечений силовых элементов m Wпл = kфо·kф · Fi yi , (1) i 1 где kфо – коэффициент, учитывающий особенности формы сечения (для закрытого сечения kфо = 1); kф – коэффициент, учитывающий характер изменения формы сечения в процессе нагружения; Fi – площадь элементарной площадки (стенки) сечения; yi – расстояние от центра масс i-й площадки до нейтральной оси сечения; – смещение линии равных площадей сечения относительно нейтральной оси; m – общее количество элементарных площадок. Коэффициенты kфо и kФ, входящие в уравнение (1), представляют собой соответствующие функциональные зависимости, разработанные автором настоящей работы и определенные для разных форм поперечных сечений kфо f1( x ) A1 x 2 B1 x C1 ; kф f 2 ( x ) A2 x 2 B2 x C2 , (2) где x – параметр геометрической формы сечения (для тонкостенного прямоугольного сечения x = H/B, где Н – высота, В – ширина); Ai, Bi, Ci – коэффициенты функций. На рис. 3. показаны значения и функции изменения поправочных коэффициентов, выведенных для тонкостенного открытого прямоугольного сечения с отбортовками по результатам компьютерного моделирования условий изгибного нагружения силового элемента: f1(x) = 0,0483x2 – 0,1196x + 0,8360; f2 (x) = – 0,0187x2 + 0,1056x + 0,5899; (3) 2 f3 (x) = – 0,0477x + 0,1862x + 0,4156. При этом коэффициент k ф50 = f2(x) учитывает такое изменение формы сечения, при котором снижение разрушающей нагрузки Рр, действующей на элемент, не 7 100 превышает 50% от максимального значения Ррmax; коэффициент k ф = f3(x) учитывает существенное изменение формы сечения, при котором снижение Рр составляет более 50%. Силовой анализ кузовной конструкции. Выбор расчетной схемы Определение разрушающей нагрузки для каждого механизма разрушения Рр1 Анализ геометрических и физических особенностей конструкции Рр2 Рр … Ррn Определение пластических характеристик сечений силовых элементов с учетом их реальной или упрощенной формы Нахождение наиболее вероятного механизма разрушения по условию Pp = min(Рр1, Рр2, …, Ррn) ) Выбор поправочных коэффициентов, учитывающих изменение формы сечений Определение верхней границы разрушающей нагрузки Ррmax, эквивалентной разрушающей нагрузки Ррэкв, энергоемкости конструкции Екуз Выбор мест закрепления и нагружения расчетной схемы Анализ результатов расчета. Оценка несущей способности по критериям Ррmax > Ppрегл, Eкуз > Ерегл Составление возможных механизмов разрушения конструкции Принятие решения о доводке конструкции №1 №2 №… №n Оценка пассивной безопасности и несущей способности по условиям требований нормативных документов. Выбор безопасной силовой схемы Вывод зависимостей разрушающих нагрузок от параметров конструкции Рис. 2. Структурная схема первого блока методики – расчетной оценки ПБ кузовов и кабин на основе уточненных зависимостей инженерного метода На этапе вывода зависимостей разрушающих нагрузок от параметров конструкции в уравнении равенства работ, совершаемых внешней разрушающей нагрузкой Рр и внутренними усилиями в пластических шарнирах учитывается действие не только изгибающих, но и скручивающих усилий m n k изг изг 0 изг i PPy S y Ti kфо i ·k фi ·Wплi кр кр 0 кр Tj kфо j ·k фj ·Wплj j , y 1 j 1 i 1 (4) где SY – деформация конструкции по направлению действия внешней разрушающей силы PPy; m – количество внешних разрушающих усилий; Тi – предел текучести материала при изгибе в i-ом шарнире; i – угол относительного поворота силовых элементов при изгибе в i-ом пластическом шарнире; n – количество шарниров, 0 изг образованных от действия изгибающих усилий; Wплi – пластический момент сопротивления при изгибе недеформированного сечения i-ого шарнира;Тj – предел текучести материала при кручении в j-ом шарнире при кручении; j – угол относительного поворота силовых элементов в j-ом пластическом шарнире; 8 k – количество шарниров, образованных от действия скручивающих усилий; 0 кр Wплj – пластический момент сопротивления при кручении недеформированного сечения j-ого шарнира. Разработанный алгоритм инженерного расчета кузовных конструкций позволяет достоверно определять усредненное (эквивалентное) значение разрушающей нагрузки РРэкв (рис. 4) и энергоемкость S ДОП Eкуз Pp ( S )dS PР экв S доп , (5) 0 где Pp(S) – функция изменения разрушающей нагрузки Рр в зависимости от деформаций S конструкции (рис. 4). График Pp(S) получен при конечно-элементном анализе поведения кузова легкового автомобиля в условиях опрокидывания. В этом случае Екуз – площадь под графиком; Sдоп – регламентированная требованиями ПБ допускаемая деформация переднего угла крыши кузова. Рис. 3. Графики изменения поправочных коэффициентов Рис. 4. График изменения разрушающей нагрузки Рр в зависимости от перемещений S Усовершенствованная методика инженерного расчета повышает достоверность получаемых результатов по энергоемкости (снижает погрешность вычислений до 10…23%) при больших пластических деформациях в сравнении с используемыми ранее методиками. Определение геометрических характеристик тонкостенных сечений элементов является достаточно важным и трудоемким этапом теоретических исследований. С целью автоматизации расчета и повышения его точности автором работы на языке программирования Visual Basic разработана специальная программа. Второй блок разработанной методики включает расчетную оценку ПБ на основе результатов компьютерного моделирования условий опрокидывания с использованием конечно-элементных моделей кузовных конструкций и современного программного обеспечения (рис. 5). Компьютерное моделирование условий нагружения кузовов и кабин при опрокидывании автомобилей предполагает использование подробных конечноэлементных моделей (КЭМ), поэтому в диссертации даны основные теоретические положения метода конечных элементов. Для динамической задачи уравнение равновесия метода записывается следующим образом 9 MU CU KU RB RS RO RC , где M ( m) H ( m )T H ( m) dV ( m) ; С B ( m )T m V (m) K ( m) H ( m)T H ( m ) dV ( m) ; (7) m V (m) D ( m) B ( m) dV ( m) ; m V (m) RB k (6) H V ( m )T f В (m) (8) ( m) H ( m)U k ( m ) H ( m )U dV (m) ; (9) ; RC F , (10) m V (m) RS H S ( m )T f S ( m) dS ( m ) ; RO m S (m) B ( m)T ( m) O dV ( m) m V (m) где U, U , U – матрица-вектор перемещений, скоростей и ускорений узловых точек модели; М – матрица масс; С – матрица демпфирования; K – матрица жесткости; RB, RS, RО, RС – матрица-вектор объемных, поверхностных, начальных и сосредоточенных сил; m – число элементов; k(m) – коэффициент демпфирования m-ого элемента; H(m) – матрица формы элемента, зависящая от его типа и (m ) формулировки; B(m) – матрица градиентов; O – начальные напряжения; (m) B(m) S(m) D – матрица упругости; f ,f – поверхностные и объемные силы. Выбор подробной КЭМ Анализ поведения КЭМ при статическом нагружении в упругой фазе деформирования Определение напряженнодеформированного состояния модели, оценка жесткости отдельных участков конструкции в направлении действия аварийной нагрузки Сравнительный анализ результатов расчетов с данными экспериментов Результаты натурных исследований прочности и жесткости конструкции Корректировка расчетной модели Подготовка модели к проведению нелинейного расчета. Задание условий закрепления и нагружения снормативными документами Нелинейный анализ модели в условиях статического и динамического нагружений Определение упруго-пластического деформированного состояния модели, характера изменения разрушающей нагрузки, энергоемкости кузова (кабины) Сравнительный анализ результатов расчетов с данными экспериментов Результаты натурных исследований НС и ПБ Корректировка расчетной модели Проверка соответствия конструкции требованиям нормативных документов Оценка ПБ по условиям требований Правил ЕЭК ООН, ГОСТов, ОСТов Рис. 5. Структурная схема второго блока методики – расчетной оценки ПБ кузовов и кабин на основе результатов компьютерного моделирования условий опрокидывания Приведено описание алгоритмов численного решения нелинейных задач. Рассмотрен алгоритм явной схемы интегрирования, используемой для решения задач, связанных с расчетной оценкой ПБ кузовных конструкций в условиях их 10 ударного нагружения, а также алгоритм неявной схемы интегрирования, используемой для расчетной оценки НС кузовных конструкций в условиях статического нагружения. Рассмотрены особенности математического описания кузовов и кабин. Моделирование панелей кузовных конструкций осуществляется с помощью оболочечных элементов типа Белычко–Лина–Тсая, для которых зависимость между возникающими напряжениями , внутренними усилиями f и моментами m записывается в виде уравнений t/2 f t / 2 t/2 n dz wi ( zi ) ; i 1 m n z dz wi zi ( zi ) , t / 2 (11) i 1 где n – число точек интегрирования элемента; t – толщина оболочечного элемента; wi и zi – коэффициенты интегрирования; – ограниченный диапазон индексов, принимающих значения x, y или z. Особое внимание в работе уделено определению параметров нелинейного конечно-элементного расчета, в частности, определению величины шага интегрирования t по времени, который для явного алгоритма решения определяется по условию Куранта–Фридрикса–Леви. Для модели, состоящей из оболочечных элементов справедливо следующее l E A t С ; c ; l max ; min( L ... L ) (12) C 1 i , c max( L ... L ) (1 2 ) 1 i где lC – характерный линейный размер элемента, с – скорость распространения звуковой волны в элементе, Е – модуль Юнга материала элемента, – плотность, – коэффициент Пуассона, А – площадь элемента, Li – линейный размер элемента (i = 3 для 3-х узлового элемента, i = 4 для 4-х узлового элемента). Рассматриваются также основные понятия контактного взаимодействия элементов расчетной модели и особенности численного решения контактных задач, основанные на методике Дж. Холквиста, в которой проникновение узлов устраняется введением контактной пружины с жесткостью k A k s·K , (13) max( D1 , D2 ) где s – штрафной коэффициент; K – модуль объемной упругости; А – площадь элемента; D1 и D2 – длины диагоналей оболочечного элемента. Рассматривается решение задачи вычисления напряжений в элементе на основе алгоритма радиального возврата, широко используемого в программах конечно-элементного анализа с явными схемами интегрирования. Приводятся теоретические основы математического моделирования упругих и упругопластических характеристик материалов, которые могут быть заданы в табличной форме, либо описаны с помощью соответствующих функциональных зависимостей. Например, при билинейном способе задания характеристик материала, напряжения p, превышающие предел текучести Т, равны E ·E t Ep p E p P T ; , (14) E Et где Ep – пластический модуль материала; E – модуль Юнга; Et – касательный модуль; p – относительные пластические деформации. 11 Особое внимание уделяется вопросам компьютерного моделирования условий опрокидывания автомобилей. В соответствии с действующими нормативными документами опрокидывание легковых и грузовых автомобилей имитируется эквивалентным ударным нагружением соответствующих кузовов и кабин в стендовых условиях. Динамическое нагружение кузовов легковых автомобилей по ОСТ 37.001.439–86 и ОСТ 37.001.444–86 осуществляется с помощью плоской ударной плиты. Статическое вертикальное нагружение кабин грузовых автомобилей по ГОСТ Р 41.29–99 осуществляется с помощью жесткой плиты. В соответствии со шведскими требованиями, предъявляемых к кабинам карьерных самосвалов, ударное нагружение осуществляется с помощью цилиндрического маятника. На рис. 6 показаны схемы нагружения моделей. Рис. 6. Схемы нагружения моделей кузова и кабин В третьей главе рассмотрена реализация разработанной методики при решении конкретных практических задач, связанных с расчетной оценкой пассивной безопасности и несущей способности кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей при опрокидывании. Представлены результаты анализа несущей способности тонкостенных элементов. Рассмотрен характер изменения геометрической формы сечений. Исследования показали, что в процессе пластического деформирования сечений величина разрушающей нагрузки Рр, действующей на силовые элементы, снижается на 20…60% в зависимости от формы сечений. Поэтому введение поправочных коэффициентов kфо и kф Рис. 7. Механизм разрушения силовой позволяет учесть изменение формы сечений схемы салона кузова легкового и получить уточненные результаты автомобиля разрушающих нагрузок и энергоемкостей кузовных конструкций. Проведена оценка несущей способности кузовов легковых автомобилей ВАЗ-1118 «Калина» и ГАЗ-3110 «Волга». Получены выражения зависимостей разрушающих нагрузок Рр от параметров конструкций. Для схемы, показанной на рис. 7, имеем 12 А В С Т · , Рр L1 2 ·cos 45·cos 5 L где A · 2Wпл1 2Wпл 2 1 1 2 ; LC 2 L L L L B ·Wпл 4 Wпл3 2 3 4 2 C 11 Wпл12 3 4 C 11 ; LC 3 L1112 LC 3 L1112 L C 2·Wпл5 Wпл6 Wпл7 Wпл8 1 7 6 . LC 6 (15) (16) (17) Значения пластических моментов сопротивлений сечений Wпл в выражениях (15 – 17) определяются по формуле (1). В соответствии с оценкой ПБ на основе результатов компьютерного моделирования для каждой из рассмотренных подробных КЭМ кузовов получены графики изменения разрушающей нагрузки Рр в зависимости от перемещения нагружающего элемента S (рис. 8), графики изменения скорости движения V ударного элемента по времени t (рис. 9); определены картины напряженно-деформированных состояний (рис. 10); выявлены зоны пластических деформаций; определен характер пластического деформирования сечений силовых элементов. Рис. 8. График изменения ударной разрушающей нагрузки Рр Рис. 9. График изменения скорости V плоской ударной плиты Сравнительный анализ результатов инженерных расчетов и компьютерного моделирования показал, что разработанный алгоритм инженерного расчета кузовных конструкций в условиях опрокидывания (рис. 2) с учетом полученных эмпирических поправочных коэффициентов kфо и kф, вводимых в выражения пластических моментов сопротивлений Wпл сечений, позволяет более точно оценивать значение разрушающих нагрузок и энергоемкости конструкций (с ошибкой в пределах 10…23%). Проведено также расчетное исследование влияния дверей на НС кузова при опрокидывании легкового автомобиля. Установлено, что двери легкового автомобиля повышают НС конструкции в пределах 20%. Надежное соединение лобового и заднего стекол с кузовом дополнительно увеличивает его НС в пределах 30% (рис. 11). На примере расчетной модели модифицированного силового каркаса салона автомобиля УАЗ рассмотрена реализация разработанной методики применительно к экспресс-оценке ПБ автотранспортных средств с внесенными в их конструкцию изменениями. Оценка НС конструкции по результатам расчетов с использованием уточненных зависимостей инженерного метода позволила определить наиболее вероятный механизм разрушения; величину максимальной разрушающей нагрузки с 13 погрешностью 30% (в сравнении с данными метода конечных элементов); энергоемкость конструкции с погрешностью 20%; возможные деформации переднего угла крыши с погрешностью в пределах 10% (рис. 12). Рис. 11. Графики изменения ударных разрушающих нагрузок для разных вариантов Рис. 10. Напряженно-деформированное конструкции автомобиля: 1 – кузов; 2 – кузов состояние подробной модели кузова с дверями; 3 – кузов с дверями и стеклами На примере кабины ГАЗ рассмотрена расчетная оценка ее НС в условиях опрокидывания автомобиля через передний левый угол крыши, в соответствии с требованиями Шведских норм ПБ. На основе уточненных выражений инженерного метода определены зависимости разрушающих нагрузок для возможных схем Рис. 12. График перемещения переднего левого разрушения кабины. Для наиболее угла крыши автомобиля (данные МКЭ) вероятного механизма разрушения получены значения разрушающей нагрузки и энергоемкости. Сравнение результатов инженерного расчета и конечно-элементного анализа показали, что расхождение результатов по разрушающей нагрузке и энергоемкости находятся в пределах 10…15%. Разработанная методика реализована при выполнении проектных работ по созданию безопасных кузовных конструкций: кабины грузового автомобиля Русак-5354 и дополнительной кабины автомобиля противопожарной службы на шасси КамАЗ-43118. В процессе проектирования по результатам компьютерного моделирования выполнен анализ поведения кабины «Русак» при опрокидывании грузового автомобиля через передний угол крыши (рис. 13, 14). Рассмотрено влияние закрытых дверей на ПБ кабины. Установлено, что двери кабины увеличивают ее несущую способность в условиях вертикального аварийного нагружения на 12…18% (рис. 15). При этом важное значение имеет расположение порогов кабины относительно нижних силовых элементов дверей. Исследовано влияние отдельных конструктивных элементов кабин грузовых автомобилей на их несущую способность в условиях аварийного нагружения. На 14 примере КЭМ кабины «Русак» установлено, что замена нижних горизонтальных силовых элементов задней стенки кабины раскосами повышает НС конструкции в среднем на 30% в условиях восприятия вертикальной нагрузки (рис. 16). Рис. 13. Деформированный вид кабины Рис. 14. График изменения энергии маятника На примере модели дополнительной кабины автомобиля противопожарной службы установлено (рис. 17), что смещение раскосов, расположенных в продольной плоскости, из боковин в среднюю часть кабины увеличивает ее несущую способность по разрушающей нагрузке в условиях вертикального нагружения в среднем на 10…15%. Рис. 15. Графики изменения разрушающих нагрузок для кабины с дверями (1) и без них (2) Рис. 16. Графики изменения разрушающих нагрузок для разных вариантов конструкции кабины: 1 – с раскосами; 2 – без раскосов Рис. 17. Графики изменения разрушающих нагрузок для кабин с разным расположением раскосов: 1 – раскосы сбоку; 2 – раскосы в средней части В четвертой главе приведено экспериментальное обоснование правомерности использования полученных значений поправочных коэффициентов kфо и kФ, а также практического применения разработанных подробных КЭМ кузовов и кабин. Представлены результаты экспериментальных исследований НС тонкостенных силовых элементов. При испытаниях (рис. 18) исследуемые образцы (поз. 4), установленные на стенде (поз. 1) нагружались изгибной нагрузкой с 15 помощью силового гидроцилиндра (поз. 2). Сила Рр на штоке цилиндра зависела от давления, создаваемого в цилиндре, и определялась по манометру (поз. 5). Перемещения штока S фиксировалось индикатором (поз. 3). Параллельно с этим выполнялись аналогичные исследования подробных конечно-элементных моделей образцов. Расхождение результатов расчетов с экспериментальными данными по разрушающей нагрузке не превышает 15% (рис. 19). Полученные результаты показывают, что подробные конечно-элементные модели образцов адекватно отражают характер поведения реальных тонкостенных силовых элементов. С целью обоснования правомерности выбора подробных КЭМ выполнен сравнительный анализ жесткостных характеристик кузовных конструкций в направлениях действия рассматриваемой аварийной нагрузки. Рис. 18. Стенд для испытания образцов Рис. 19. Графики изменения разрушающих нагрузок: 1 – расчет МКЭ; 2 - эксперимент а) б) Рис. 20. Нагружение салона легкового автомобиля силой, действующей в угол крыши а) эксперимент; б) результаты компьютерного моделирования На примере исследования жесткости отдельных участков кузова и кабины автомобилей (рис. 20) установлено, что расхождение результатов компьютерного моделирования статического нагружения конструкций в пределах упругих деформаций с применением подробных конечно-элементных моделей в сравнении с данными экспериментов не превышает 15…17%. На примере исследования несущей способности отдельных силовых контуров кузовов, состоящих из тонкостенных профилей, установлено, что расхождение результатов компьютерного моделирования условий нагружения конструкций с учетом больших пластических деформаций с применением подробных КЭМ в сравнении с данными экспериментов не превышает 10…15%. 16 Проведенные экспериментальные исследования и полученные результаты подтвердили правомерность и обоснованность практического использования разработанных подробных конечно-элементных моделей кузовов и кабин, основных теоретических положений, принимаемых гипотез и допущений разработанной методики. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ Разработана методика расчетной оценки пассивной безопасности и несущей способности кузовов и кабин автомобилей в условиях опрокидывания по результатам компьютерного моделирования и расчетов конструкций по предельному состоянию при проектировании, доводке, сертификации, проведении экспресс-оценки автотранспортных средств с внесенными в их конструкцию изменениями. Разработана процедура оценки пассивной безопасности кузовов и кабин, включающая особенности математического описания и расчета их подробных конечно-элементных моделей с учетом ударного нагружения и возникающих больших пластических деформаций при имитации условий опрокидывания автомобилей. Усовершенствован алгоритм инженерного расчета и оценки несущей способности кузовов, кабин при опрокидывании автомобилей путем введения функциональных зависимостей поправочных коэффициентов, учитывающих изменение формы сечений при пластическом разрушении элементов, что обеспечивает более точное (с погрешностью в пределах 10…23%) определение значений разрушающей нагрузки и энергоемкости при выборе безопасных силовых схем конструкций на начальных этапах проектирования. Разработана специальная программа расчета геометрических характеристик тонкостенных сечений, повышающая эффективность практического использования алгоритма инженерной оценки пассивной безопасности конструкций. Выведены аналитические зависимости разрушающих нагрузок и энергоемкости от геометрических и физических характеристик кузовов и кабин в условиях опрокидывания автомобилей. Получены новые результаты исследований несущей способности кузовов и кабин по разрушающим нагрузкам, деформируемости, энергоемкости, оценке их пассивной безопасности и влияния конструктивных решений на ее повышение. Установлено, что в условиях опрокидывания легкового автомобиля передним силовым контуром салона поглощается около 25…35% общей энергии удара, центральным контуром – 30…50%, задним контуром – 30…37%. Пассивная безопасность салона существенно повышается при применении в его конструкции развитых силовых элементов крыши и задних стоек с закрытыми сечениями. Установлено, что двери легкового автомобиля повышают пассивную безопасность его конструкции в условиях опрокидывания в пределах 20%. Надежное, например клеевое, соединение стекол ветрового и заднего окон с кузовом дополнительно увеличивает его несущую способность в пределах 30%. 17 8. Двери кабины грузового автомобиля способствуют повышению ее пассивной безопасности на 12…18% в условиях вертикального нагружения. Установка раскосов в заднюю стенку кабины повышает ее безопасность на 10…30%. 9. Выполненная сравнительная оценка результатов расчетных и экспериментальных исследований с целью обоснования достоверности, правомерности практического применения разработанной методики, принятых теоретических положений и допущений показывает, что расхождение результатов по жесткостным характеристикам кузовных конструкций не превышает 15…17%; по разрушающим нагрузкам отдельных силовых контуров – 10…15%. 10. Разработаны практические рекомендации по применению предлагаемых методики, алгоритмов, программы; повышению безопасности кузовов и кабин в условиях опрокидывания автомобилей. Результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены в расчетных и конструкторских отделах ОАО «АВТОВАЗ», ООО «Русак» группы компаний «КОМ», ООО «ПЕЛЕНГ», ООО «Чайка-НН», ЦБДДТЭ, НП «ИНСАТ», в учебном процессе кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Разработанная методика и полученные результаты рекомендуются для дальнейшего практического использования на автомобильных предприятиях, фирмах, в органах по сертификации автотранспортных средств. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Тумасов, А.В. Расчетно-экспериментальная оценка несущей способности кабины грузового автомобиля в условиях опрокидывания / А.В. Тумасов, С.А. Багичев, Л.Н. Орлов // Известия вузов. Машиностроение. МГТУ им. Н.Э. Баумана, М., 2008 – № 4, – С. 41–44. 2. Тумасов, А.В. Экспертная оценка и обеспечение пассивной безопасности кузовов и кабин автотранспортных средств с внесенными в их конструкцию изменениями / А.В. Тумасов, Л.Н. Орлов, А.М. Грошев // Отраслевой научно-производственный журнал для работников автотранспорта «Автотранспортное предприятие», М., июль, 2008. – С. 42–45. 3. Тумасов, А.В. Применение систем конечно-элементного анализа в учебном процессе/ А.В. Тумасов, В.В. Князьков // Научно-технический и производственный журнал «Вестник компьютерных и информационных технологий». – М., 2005. – С. 38–41. 4. Тумасов, А.В. Оценка прочности и пассивной безопасности измененной конструкции кабины грузового автомобиля / А.В. Тумасов, Л.Н. Орлов, А.М. Грошев // Труды КГТУ: научно-технический журнал Красноярского государственного технического университета. — Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – № 4. – С. 17–23. 5. Тумасов, А.В. Особенности поведения силовых элементов кузова автобуса в условиях аварийного нагружения / А.В. Тумасов, Л.Н. Орлов // Известия Академии инженерных наук РФ им. акад. А.М. Прохорова. Транспортно-технологические машины и комплексы. Т.21; Философия науки, техники и технологии. Т.22 / под. ред. Ю.В. Гуляева. – М. – Н.Новгород: НГТУ, 2008. – С. 123–131. 6. Тумасов, А.В. Анализ жесткости кузова легкового автомобиля при кручении / А.В. Тумасов // Материалы 49-ой международной научно-технической конференции ААИ «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» / МАМИ, М., 2005. – С. 27–32. 7. Тумасов, А.В. Анализ несущей способности силовой схемы салона легкового автомобиля в условиях опрокидывания / А.В. Тумасов, Л. Н. Орлов // Материалы международного научного симпозиума, посвященного 175-летию МГТУ им. Н. Э. Баумана «Проектирование колесных машин». – М., 2005. – С. 236–240. 18 8. Тумасов, А.В. Расчетная оценка деформируемости кузова легкового автомобиля в условиях опрокидывания / А.В. Тумасов, С.А. Курдюк, Л.Н. Орлов // Материалы 4-ой Всероссийской научно-технической конференции (2-ая с международным участием) «Современные тенденции развития автомобилестроения в России» / Тольятти: ТГУ, 2005. – С. 75–77. 9. Тумасов, А.В. Особенности разработки конечно-элементной модели кузова и оценки пассивной безопасности легкового автомобиля / А.В. Тумасов, Е.В. Кочанов, С.А. Курдюк, Л.Н. Орлов // Материалы международной конференции, посвященной 75-летию ВолгГТУ «Прогресс транспортных средств и систем»/ ВолгГТУ. – Волгоград, 2005. – С. 136–137. 10. Тумасов, А.В. Сравнительная оценка жесткости и прочности удлиненного кузова легкового автомобиля с базовым вариантом / А.В. Тумасов, А.М. Грошев, Л.Н. Орлов и др. // Материалы международной конференции, посвященной 70-летию каф. «АиТ» НГТУ «Проектирование, испытания и эксплуатация транспортных машин и транспортно-технологических комплексов» / НГТУ. – Н.Новгород, 2005. – С. 82–85. 11. Тумасов, А.В. Расчетная оценка прочности и пассивной безопасности измененной конструкции кабины грузового автомобиля ЗИЛ-43100 / А.В. Тумасов, Е.А. Наумов, Л.Н. Орлов, А.М. Грошев // Сборник докладов V Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и достижения автотранспортного комплекса»/ УГТУ (УПИ). Екатеринбург, 2007.– С. 165–167. 12. Тумасов, А.В. Оценка влияния отдельных конструктивных решений на повышение пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей / А.В. Тумасов, С.А. Багичев, Е.А. Наумов, Л.Н. Орлов // Материалы сборника трудов «Проблемы транспортных и технологических комплексов», посвященного 35-летию каф. СДМ. / НГТУ. Н.Новгород, 2008. – С. 217–220. 13. Тумасов, А.В. Расчетная оценка прочности измененной конструкции кузова автобуса/ А.В. Тумасов, Л.Н. Орлов, В.А. Колтунов, А.М. Грошев // Материалы V-ой Всероссийской научно-технической конференции «Политранспортные системы». Сиб. федер. ун-т; Политехн. ин-т, 2007. – С. 295–299. 14. Конечно-элементное моделирование и расчет сварных соединений: метод. разработка/ НГТУ; сост.: В.В. Князьков, А.В. Тумасов. – Н.Новгород, 2006 – 21 с. 15. Измерение механических величин с помощью резистивных преобразователей: метод. разработка / НГТУ; сост.: С.М. Огороднов, С.М. Кудрявцев, А.В. Тумасов. – Н.Новгород, 2007 – 18 с. 16. Основы расчета кузовных конструкций с применением программного комплекса MSC.NASTRAN: метод. разработка / НГТУ; сост.: Л.Н. Орлов, Е.В. Кочанов, А.В. Тумасов, Е.А. Наумов. – Н.Новгород, 2008 – 16 с. 19
