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

На правах рукописи

Буцынский Владимир Александрович

МЕТОД ОЦЕНКИ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

И КВАЗИСТАТИЧЕСКОЙ ПРОЧНОСТИ НЕСУЩИХ СИСТЕМ

ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН НА СТАДИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Специальность 01.02.06 – Динамика, прочность машин,

приборов и аппаратуры

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2009

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Защита состоится « 31 » марта 2009 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.06 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп. 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан « 27 »февраля 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Попов В.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ:

Актуальность проблемы. На настоящий момент доля перевозок пассажиров транспортом повышенной пассажировместимости в России (автобусы, троллейбусы) составляет 60 %, что предопределяет повышенные требования к надёжности несущих конструкций. С этих позиций в большинстве зарубежных тендеров на поставки новых моделей автобусов и троллейбусов жёстко обговаривают безремонтный пробег несущей системы машины. Поэтому технические решения при разработке новой модели должны приниматься по критерию более полного соответствия конструкции требованиям потребителей.

Это требует решения научных и технических задач, в частности создания методических основ разработки, прогнозирования ресурса несущей системы на стадии проектирования с применением высоких информационных технологий. Это связано с тем, что в эксплуатации к наиболее тяжёлым последствиям приводят разрушения элементов несущей системы, поэтому её проектированию необходимо уделить повышенное внимание. И в то же время в отечественном автомобилестроении с введением ГОСТ Р и, соответственно, с отменой обязательного проведения по ГОСТ экспериментальных прочностных исследований, последние чаще всего не проводят. Однако опыт эксплуатации автобусов и троллейбусов показывает, что разрушения элементов конструкций имеют место.

Поэтому разработка метода оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) и квазистатической прочности несущих систем транспортных машин, позволяющего на стадии начального проектирования выявить в конструкции места, разрушение которых в эксплуатации наиболее вероятно, является актуальной задачей.

Цель работы: 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 сокращение затрат и времени на проектирование.

Объект исследования: троллейбус «ЗиУ 682Г», троллейбус «Тролза-5275-2», троллейбус «Тролза-5275-5», автобус «Икарус».

Методы исследования: вероятностные методы анализа нагруженности и оценки ресурса; методы электротензометрии; метод конечных элементов.

Научная новизна:

1. Предложена новая методика разработки несущих систем транспортных машин на стадии проектирования.
2. Созданы конечно-элементные модели для расчёта напряжённо-деформированного состояния несущих систем и доказано их соответствие поставленным задачам исследования.
3. Предложено оценивать напряжённое состояние сечений элементов конструкций по эквивалентным напряжениям с учётом реальных значений касательных напряжений.

Практическая ценность. Разработана методика проектирования узлов и конструкций, сокращающая время создания новых, более совершенных моделей троллейбусов и автобусов. Она позволяет определить наиболее вероятные места разрушения конструкции и уже на ранней стадии проектирования уделить наибольшее внимание этим сечениям в проектируемых машинах, а также принять соответствующие конструктивные решения по обеспечению их долговечности уже на стадии проектирования.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на:

• Международной научно-практической конференции, посвящённой 70-летию Саратовского государственного технического университета, выпуск 3 (Саратов 1999);
• 5 Международной научно-технической конференции «Точность и надёжность технических и транспортных систем». (Пенза, 1999);
• VIII Международной технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков». (Пенза, 2003).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ, получен патент.

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.

Объём и структура работы. Диссертация общим объёмом 193 страницы состоит из введения, 4 глав, выводов, списка использованной литературы и 6 приложений; содержит 70 рисунков и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы научная новизна, цель, задачи исследования и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен анализ существующих методов рационального проектирования несущих конструкций, обоснована необходимость разработки методики определения мест возможных разрушений в конструкциях на стадии проектирования.

Существенный вклад в данную область техники внесли: Д.И. Беренов, В.В. Болотин, Ю.С. Борисов, В.Е. Боровских, Н.Ф. Бочаров, Р.К. Вафин, В.В. Вейбулл, Д. Генри, Э.И. Григолюк, Г. Гровер, А.С. Гусев, Р. Гэттс, С.С. Дмитриченко, В.Н. Зузов, В.П. Когаев, Дж. Коллинз, Л.В. Коновалов, И.В. Кудрявцев, Дж. Майнер, У.Х. Мюнзе, И.А. Одинг, Н.В. Олейник, Н.М. Панкратов, Г.С. Писаренко, Е.К. Почтенный, Д.Н. Решетов, О.А. Русанов, В.А. Светлицкий, А.Ф. Селихов, С.В. Серенсен, Л.А. Сосновский, В.Т. Трощенко, В.И. Труфяков, Э.Я. Филатов, Л.М. Школьник.

В настоящее время в мировом транспортном машиностроении доминирует принцип обеспечения ограниченного ресурса несущих систем машин с установленной вероятностью разрушения, то есть обеспечение необходимой, экономически целесообразной долговечности деталей, работающих в условиях периодического нагружения. В этой связи существенно повышаются так же требования к точности оценки напряжённо-деформированного состояния несущих конструкций. Ошибка в оценке напряжённо-деформированного состояния приводит либо к неоправданному повышению металлоёмкости конструкции, либо к раннему возникновению отказов. Решение задачи обеспечения требуемой прочности несущих конструкций возможно лишь при введении научно обоснованных методов расчётно-экспериментальной оценки НДС несущих систем на раннем этапе опытно-конструкторских работ.

С этой целью в работе решались следующие задачи:

• систематизация и обработка данных по типичным разрушениям несущих систем автобусов и троллейбусов в эксплуатации;
• оценка статистических закономерностей параметров распределения эксплуатационного ресурса различных типов разрушений и установление общих закономерностей их разрушений;
• обоснование расчётных моделей несущих систем автобусов и троллейбусов;
• оценка напряжённо-деформированного состояния несущих систем автобусов и троллейбусов, выполненная МКЭ для различных вариантов загрузки машины при изгибе и кручении;
• сравнительный анализ напряжённо-деформированного состояния элементов несущих систем пассажирских транспортных средств, полученных расчётным путём и экспериментально;

• разработка методики проектирования несущих систем на ранней стадии эскизного проекта.

Во второй главе представлены результаты исследования эксплуатационной долговечности несущих систем троллейбусов и автобусов.

Многолетние наблюдения за поломками несущих систем автобусов и троллейбусов, выполненные в СГТУ, позволили установить типичные места разрушений элементов конструкций. Так, по результатам наблюдений за поломками рам троллейбусов ЗиУ-5 в эксплуатации получены выборки пробегов троллейбусов до определённой поломки, характер разрушения и его место (рис. 1).

Рис. 1. Места типичных разрушений в раме троллейбуса ЗиУ-5 и ЗиУ-9.

1 – места типичных повреждений; I, II – оси переднего и заднего мостов; НД – направление движения.

Статистическая обработка выборок распределений пробегов машин до поломки позволила установить законы их распределений. Типичный вид распределения пробегов троллейбусов и автобусов до поломки представлен на рис. 2.

При решении вопроса о типе распределения выборочных значений ресурсов использованы рекомендации НАТИ. Для всех имеющихся выборок проведены графические оценки соответствия эмпирических распределений трём теоретическим законам распределений, так как эмпирические распределения чаше описываются данными законами (нормальный - N, логнормальный - L, Вейбулла - W).

Рис.2. Аппроксимация распределения эксплуатационного ресурса фермы №3 различными законами:

N – нормальный, L – логнормальный, W – Вейбулла

N(x) – нормальное распределение с плотностью

L(x) – логнормальное распределение с плотностью

W(x) – распределение Вейбулла с плотностью

Таким образом, установлены типичные места и характер разрушения элементов конструкции машин. Отмечено, что наиболее часто разрушению подвергаются районы передних и задних мостов и район крепления двигателя. Распределения пробегов до поломок аппроксимируются теоретическим законом Вейбулла с параметрами распределения Lg=5.1…5.5 и b=1.66…2.

В третьей главе представлены новые расчётные схемы несущих систем троллейбусов и автобусов, описана методика и упрощения при составлении моделей, результаты расчётов.

Расчётные схемы несущих систем троллейбуса «ЗиУ-682Г» и автобуса «Икарус» составлены для исследования напряжений от действия статической нагрузки при изгибе и кручении. На рис. 3 приведена расчётная схема троллейбуса «ЗиУ-682Г», которая состоит из 450 узлов, 872 элементов, 155 пластин и 48 типов сечений.

Нагрузка прилагалась в узлах рамы соответственно площадям, распределённым для стоящих и сидящих пассажиров. Для стоящих пассажиров нагрузка принималась из расчёта 5 чел/м2 и 8 чел/м2. При распределении нагрузки в узлах учитывался вес различного оборудования, размещённого на раме. Рас­чётная и экспериментальная схемы нагружения идентичны.

Для трёх случаев нагружения (изгиб, кручение на левый и правый борт) получены максимальные значения нормальных и касательных напряжений в элементах расчётной модели.

По результатам расчётов построены эпюры нормальных и касательных напряжений по лонжеронам, фрагменты эпюр представлены на рис. 4.

Рис. 3. Расчётная схема троллейбуса «ЗиУ-682Г»

В четвёртой главе проведён сравнительный анализ расчётных данных с экспериментальными, а также предложена методика оценки напряженно-деформированного состояния и квазистатической прочности несущих систем транспортных машин на стадии проектирования.

Для оценки точности результатов выполнен сравнительный анализ величин нормальных напряжений, полученных МКЭ и экспериментально в местах, подверженных разрушениям в эксплуатации.

Величины нормальных напряжений при изгибе, полученные экспе­риментом, приняты по ранее проведённым научно-исследовательским работам при определении прочностных характеристик троллейбуса ЗиУ-9 (682Г), а расчётные их значения получены автором.

Нормальные напряжения получены экспериментально тензометрированием при изгибе и кручении кузова троллейбуса ЗиУ-9 (номинальная нагрузка 5 чел/м2). Тензорезисторы в эксперименте наклеивались вдоль продольной оси несущего элемента, то есть фиксировали только нормальные напряжения, действующие в плоскости элемента. Касательные напряжения в элементах конструкции эксперименталь­но не определялись.

Рис. 4. Эпюры нормальных напряжений по верхнему и нижнему поясам в районе переднего моста левого лонжерона:

а) нормальные напряжения; в) касательные напряжения

В связи с тем, что по рекомендациям НАМИ для удовлетворительной работы конструкции в эксплуатации нормальные напряжения не должны превышать 50 МПа, была сделана выборка напряжений в сечениях элемен­тов, которые в эксплуатации разрушались.

На рис. 5 представлено сравнение величин нормальных напря­жений, полученных экспериментально и расчётом.

Качественное и количественное совпадение результатов расчёта и эксперимента позволяет утверждать о достоверности принятой расчётной модели.

Нормальные напряжения (район заднего и переднего мостов) в сечениях, подверженных разрушению, свидетельствуют, что их реальные величины не превышают рекомендуемое значение в 50 МПа, так же как и напряжения, полученные расчётным методом. Однако разрушения в этих сечениях наблюдаются.

Следовательно, уровень нормальных напряжений от действия стати­ческой нагрузки, равной 50 МПа, не является гарантом проектирования дол­говечной конструкции.

Во всех предыдущих исследовательских работах, связанных с оцен­кой НДС несущих систем автобусов и троллейбусов, не учитыва­лись касательные напряжения, действующие в элементах конструкции. Поэтому при теоретическом исследовании НДС были определены расчётные значения максимальных касательных напряжений в сечениях элементов, находящихся в районах поломок, и их значения приведены в таблице.

Рис.5. Сравнение величин напряжений, полученных экспериментально и МКЭ в районе переднего моста левого лонжерона

На верхней полке - эксперимен­тальные напряжения, на нижней - расчётные, а) изгиб; б) кручение на левый борт; в) кручение на правый борт

Отмечено, что в случае максимального приближения расчётной модели к реальной конструкции величины расчётных напряжений близки к значениям, полученным в эксперименте. Чем выше уровень напряжённого состояния элемента, тем точнее оценка величины расчётного напряжения. Максимальное расхождение – 12%, в малонагруженных элементах расхождение величин напряжений достигает 52%.

Анализ величин касательных и нормальных напряжений в сечениях, подверженных разрушениям, показал, что значения их сопоставимы. Последнее обстоятельство вызывает резкое увеличение эквивалентных напряжений в этих сечениях.

На основе результатов исследований эксплуатационного ресурса, расчётных величин напряжений в элементах конструкции предложена новая методика, позволяющая с использованием высоких информационных технологий выявлять наиболее нагруженные места в конструкции на стадии проектирования.

Максимальные касательные напряжения

Предлагаемая методика:

1. На первом этапе разрабатывается эскизный проект конструкции машины. Наиболее часто при эскизном проектировании используются аналоги с соблюдением всех ограничений, предусмотренных ГОСТ (габариты, вес, радиус поворота и так далее).
2. Для эскизного проекта несущей системы машины разрабатывается расчётная модель конструкции по рекомендациям, предложенным в третьей главе. Задаются сечения элементов и их материал, нагружение модели и её закрепление, то есть граничные условия.
3. Проводится расчёт напряжённо-деформированного состояния элементов конструкции с помощью программных комплексов, использующих метод конечных элементов.
4. Анализируется напряжённо-деформированное состояние элементов конструкции и особенно тех сечений, которые подвергались разрушениям в аналогичных конструкциях.
5. По всем элементам конструкции выявляются сечения, суммарные касательные напряжения . В этих сечениях на следующем этапе меняется поперечное сечение, обеспечивающее неравенство . При выполнении этого условия прочности возможен переход к следующему этапу.
6. По окончательно принятой расчётной модели разрабатывается конструкторская документация.

Применение данной методики позволит максимально избежать мест в конструкции, подверженных разрушениям в эксплуатации, вносить необходимые коррективы в конструкцию несущей системы и соответственно в исходные данные расчётной модели с целью обеспечения требуемой прочности. Такая доработка конструкции на ранней стадии проектирования даёт возможность снизить время проектирования и разработать рациональную конструкцию.

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 =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.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Буцынский В.А. Опыт оценки ресурса несущих систем транспортных машин / В.Е. Боровских, У.В. Боровских, В.А. Буцынский //Вестник Саратовского государственного технического университета, 2006. - №3(14). Вып. 1. – С. 55 - 60.

Публикации в других изданиях

2. Буцынский В.А. Специальный автомобиль для перевозки инвалидов в колясках /В.Е. Боровских, В.А. Буцынский. С.А. Черкасова // Актуальные проблемы транспорта Поволжья и пути их решения: межвуз. науч. сб. – Саратов: Саратовский государственный технический университет, 2006. – С. 65-70.
3. Буцынский В.А. Оценка напряжённого деформированного состояния элементов несущих систем конструкций при различном их исполнении / В.Е. Боровских, В.А. Буцынский, С.А. Руженков // Управляющие и вычислительные комплексы в машино- и приборостроении: межвуз. сб. – Саратов: Саратовский государственный технический университет, 1999. - С. 7-10
4. Буцынский В.А.Учёт требований прочностной надёжности к несущей системе конструкции троллейбуса на стадии проектирования / В.Е. Боровских, У.В. Боровских, В.А. Буцынский. //Точность и надёжность технических и транспортных систем. Материалы 5 Междунар. науч.-техн. конф. Пенза: Приволжский дом знаний, 25.06.1999. – Пенза, 1999. - С. 123-125
5. Буцынский В.А. Некоторые вопросы надёжности несущих систем транспортных машин: учеб. пособие для студентов спец. 120700, 170200 по курсу «Теория и расчёт долговечности автомобилей» / В.Е. Боровских, В.А. Буцынский – Саратов: Саратовский государственный технический университет, 2000. - 90 с.
6. Буцынский В.А. Анализ напряжённо-деформированного состояния несущей системы транспортного средства с позиции долговечности конструкции /В.Е. Боровских, В.А. Буцынский. //Актуальные проблемы транспорта Поволжья и пути их решения: межвуз. науч. сб. – Саратов: Саратовский государственный технический университет, 2001. - С. 198-204.
7. Буцынский В.А. К вопросу о выборе прочностного критерия при проектировании и доводке несущих систем /В.Е. Боровских, В.А. Буцынский //Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков: сб. статей VIII Междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. – Пенза: Приволжский дом знаний, – 2003. – С. 40-45.
8. Пат. РФ №56088 Автомобиль для перевозки инвалидов /А.В. Башмаков, В.Е. Боровских, С.А. Черкасова, В.А. Буцынский, У.В. Боровских; заявка №2003502302; заявл. 10.10.2003; опубл. 16.01.2005.
9. Разработка, изготовление опытного образца и сертификация полуприцепа большой грузоподъёмности соответствующего правилам ЕЭК ООН: отчёт о НИР (заключительный) /руководитель В.Е. Боровских; исп. В.А. Буцынский. – Энгельс, 2006. – 150 с. - № ГР 01200310929
10. Разработка опытного производства спецавтомобиля для перевозки инвалидов-колясочников (на базе автомобиля ГАЗ-33027): отчёт о НИР (заключительный) /руководитель В.Е. Боровских; исп. В.А. Буцынский. – Саратов. 2006. – 120 с. - № ГР 01200316579.
11. Буцынский В.А. Оценка прочностных характеристик несущей системы при проектировании низкопольного микроавтобуса /С.А. Черкасова, В.Е. Боровских, В.А. Буцынский //Современные технологии в машиностроении: сб. статей 8 Всерос. науч.-практ. конф. – Пенза: Приволжский дом знаний, 2004. – С. 69-72.
12. Буцынский В.А. Основные направления разработки несущих элементов конструкции троллейбуса /В.Е. Боровских, У.В. Боровских, В.А. Буцынский. //Актуальные проблемы транспорта России: тр. Междунар. науч.-практ. конф. – Саратов: Саратовский государственный технический университет, 1999. - С. 20-22
13. Буцынский В.А. Влияние остекления кузова на его несущую способность / С.А. Черкасова, У.В. Боровских, В.А. Буцынский // Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности (МНПК «ЛЭРЭП-2007»): тр. Междунар. науч.-практ. конф. – Саратов: Саратовский государственный технический университет, 12-15 сентября 2007. - С. 328-330.