И.В. Ким, к.т.н., С.А. Морозов, к.т.н., ООО «Полином» / Д.Г. Коробов, инж., М.В. Лыюров, ФГУП НАМИ / С.С. Гусев, аспирант МГТУ им. Н.Э. Баумана
Анализ экспериментальных методов оценки прочности силовой структуры транспортных средств категории М3, предусмотренных Правилами ЕЭК ООН № 66 и корректная постановка задачи математического моделирования
Важное место среди имитационных задач, касающихся транспортных средств повышенной вместимости, занимает проблема корректного моделирования процесса опрокидывания автобуса для исследования прочностных свойств силовой структуры. При этом, безусловно, основным способом уменьшения сроков проведения НИОКР является внедрение системы «CAD-CAE-CAM» в процесс производства.
Появление мощных компьютеров и программного обеспечения позволило конструкторам и исследователям постепенно перейти от аналитических методов прочностного расчета, при которых элементы силовой структуры (каркаса) автобуса представлялись в виде отдельных упрощенных расчетных схем, к анализу напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции автобуса в целом за счет применения метода конечных элементов в нелинейной постановке. Развитие направления совершенствования расчетноэкспериментальных методов отражено в ряде исследований [2−6].
Правила ЕЭК ООН № 66, регламентирующие требования к прочности силовой структуры автобусов, предполагают проведение оценки прочностных свойств как экспериментальными методами, так и аналитическими методами моделирования. Так Приложение 5 Правил в качестве базового метода предусматривает проведение натурных испытаний транспортного средства на опрокидывание, после которого проводится оценка целостности остаточного пространства пассажирского салона. В качестве альтернативного метода в Приложении 6 Правил предлагается проведение натурных испытаний отдельных секций силовой структуры (кузова) автобуса в аналогичных условиях. Принципы, обязательные к принятию за основу при проведении компьютерного моделирования испытания на опрокидывание транспортного средства, излагаются в Приложении 9 Правил. Практическая целесообразность применения эквивалентных методов, предусмотренных Приложениями 6 и 9, не может не вызывать интереса как у специалистов заводов-изготовителей, так и у экспертов испытательных лабораторий. В связи с этим возникает особое направление исследований, имеющих целью изучение особенностей и совершенствование расчетноэкспериментальных методов оценки прочностных свойств силовой структуры автобуса.
Однако, для корректного проведения оценки прочностных свойств силовой структуры методами математического моделирования, прежде всего, необходима правильная формализация постановки задачи, то есть полученные экспериментальным путем различные критерии, определяющие НДС кузова в целом.
Опыт реализации компьютерного моделирования испытания на опрокидывание методом конечных элементов получил подробное изложение в работе Медведкова С. И [5]. Результаты указывают на превышение аналитических значений деформаций кузова в 2,5 раза по отношению к значениям, полученным в ходе натурных испытаний, несмотря на достаточно детальное моделирование силовой структуры и двухнедельный временной интервал, затраченный на проведение расчета. Таким образом, проведенное исследование указывает на чрезмерно большую погрешность, заложенную в самом способе моделирования, являющимся при этом одним из наиболее современных и часто встречающихся в инженерной практике. Наличие в расчете подобных погрешностей оставляет возможность лишь качественной оценки процессов деформирования без получения достоверных количественных значений деформаций.
Трудоемкость моделирования опрокидывания целостной конструкции кузова и очевидность нецелесообразности дальнейшего совершенствования этого метода вызывают обоснованное предложение перейти к моделированию отдельных секций, подвергающихся опрокидыванию в соответствии с Приложением 6 Правил, при этом в качестве репрезентативной рекомендована средняя секция кузова [5].
Специалистами Испытательной лаборатории «Полином» проведены экспериментальные исследования c целью определения особенностей процесса и результатов натурных испытаний секций кузова автобуса в соответствии с Приложением 6 Правил.
Появление мощных компьютеров и программного обеспечения позволило конструкторам и исследователям постепенно перейти от аналитических методов прочностного расчета, при которых элементы силовой структуры (каркаса) автобуса представлялись в виде отдельных упрощенных расчетных схем, к анализу напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции автобуса в целом за счет применения метода конечных элементов в нелинейной постановке. Развитие направления совершенствования расчетноэкспериментальных методов отражено в ряде исследований [2−6].
Правила ЕЭК ООН № 66, регламентирующие требования к прочности силовой структуры автобусов, предполагают проведение оценки прочностных свойств как экспериментальными методами, так и аналитическими методами моделирования. Так Приложение 5 Правил в качестве базового метода предусматривает проведение натурных испытаний транспортного средства на опрокидывание, после которого проводится оценка целостности остаточного пространства пассажирского салона. В качестве альтернативного метода в Приложении 6 Правил предлагается проведение натурных испытаний отдельных секций силовой структуры (кузова) автобуса в аналогичных условиях. Принципы, обязательные к принятию за основу при проведении компьютерного моделирования испытания на опрокидывание транспортного средства, излагаются в Приложении 9 Правил. Практическая целесообразность применения эквивалентных методов, предусмотренных Приложениями 6 и 9, не может не вызывать интереса как у специалистов заводов-изготовителей, так и у экспертов испытательных лабораторий. В связи с этим возникает особое направление исследований, имеющих целью изучение особенностей и совершенствование расчетноэкспериментальных методов оценки прочностных свойств силовой структуры автобуса.
Однако, для корректного проведения оценки прочностных свойств силовой структуры методами математического моделирования, прежде всего, необходима правильная формализация постановки задачи, то есть полученные экспериментальным путем различные критерии, определяющие НДС кузова в целом.
Опыт реализации компьютерного моделирования испытания на опрокидывание методом конечных элементов получил подробное изложение в работе Медведкова С. И [5]. Результаты указывают на превышение аналитических значений деформаций кузова в 2,5 раза по отношению к значениям, полученным в ходе натурных испытаний, несмотря на достаточно детальное моделирование силовой структуры и двухнедельный временной интервал, затраченный на проведение расчета. Таким образом, проведенное исследование указывает на чрезмерно большую погрешность, заложенную в самом способе моделирования, являющимся при этом одним из наиболее современных и часто встречающихся в инженерной практике. Наличие в расчете подобных погрешностей оставляет возможность лишь качественной оценки процессов деформирования без получения достоверных количественных значений деформаций.
Трудоемкость моделирования опрокидывания целостной конструкции кузова и очевидность нецелесообразности дальнейшего совершенствования этого метода вызывают обоснованное предложение перейти к моделированию отдельных секций, подвергающихся опрокидыванию в соответствии с Приложением 6 Правил, при этом в качестве репрезентативной рекомендована средняя секция кузова [5].
Специалистами Испытательной лаборатории «Полином» проведены экспериментальные исследования c целью определения особенностей процесса и результатов натурных испытаний секций кузова автобуса в соответствии с Приложением 6 Правил.
Объектами исследований являлись передняя, средняя и задняя секции каркаса автобуса категории М3, класса III. В ходе натурных испытаний регистрировались величины деформаций стоек секций. С целью обеспечения необходимой достоверности результатов измерения проводились в каждом из трех выбранных контрольных сечений по высоте стоек, расположение которых показано на рис. 1. При этом проводилась оценка остаточного пространства, обеспечивающего безопасность пассажиров, размеры которого регламентированы требованиями Правил.
Результаты испытаний демонстрируют несоответствие средней секции требованиям Правил вследствие проникновения деформированных элементов конструкции в остаточное пространство, о чем свидетельствует превышение значений деформаций по сравнению с максимально допустимыми значениями. Одновременно следует отметить существенное превышение значений абсолютной деформации стоек средней секции над соответствующими значениями для передней и задней секций.
Результаты испытаний демонстрируют несоответствие средней секции требованиям Правил вследствие проникновения деформированных элементов конструкции в остаточное пространство, о чем свидетельствует превышение значений деформаций по сравнению с максимально допустимыми значениями. Одновременно следует отметить существенное превышение значений абсолютной деформации стоек средней секции над соответствующими значениями для передней и задней секций.
Рисунок 1. Расположение контрольных сечений стойки
Получение отрицательных результатов повлекло необходимость доводки силовой структуры секций каркаса, что было достигнуто путем установки в местах стыковки отдельных подконструкций кузова дополнительных элементов в виде раскосов и накладок, усиливающих их жесткость и прочность, применением лонжеронов коробчатого сечения, которые усилены уголком и расположены сверху и снизу оконных проемов, использованием усиливающих элементов, таких как дублирующие профили, накладки и раскосы в зонах расположения колесных арок, ступенек и других кузовных ниш и проемов для системы вентиляции и отопления. Результаты повторных испытаний дают исчерпывающее представление о соответствии доработанной конструкции требованиям Правил ЕЭК ООН № 66.
Таким образом, становится очевидным факт необходимости создания методов более детального моделирования или на начальных этапах эмпирического учета влияния элементов, роль которых не считалась первостепенной в общей силовой структуре каркаса кузова, но, как показывают опытные данные, способных существенно повысить энергоемкость конструкции.
Сопоставление деформированного состояния средней секции и перемещений, наблюдаемых в отношении передней и задней секций, указывает на то, что средняя секция подвергается деформированию в гораздо большей степени, нежели прочие испытываемые секции (см. рис. 2-5). Данное явление не наблюдается при испытаниях полнокомплектного транспортного средства. В этом случае разность остаточных деформации стоек, относящихся к различным секциям, могла достигать 20–30% деформации наиболее ослабленных элементов, но не 69%, как при испытаниях отдельных секций. Помимо этого, следует отметить, что деформации, регистрируемые при испытании средней секции, существенно (на 40-50%) превышают те, что наблюдаются при испытании полнокомплектного автобуса со сходным по конструкции каркасом кузова, при этом значения деформаций передней и задней секций, испытанных отдельно, имеют удовлетворительную сходимость по отношению к деформациям, возникающим при испытании автобуса.
Таким образом, становится очевидным факт необходимости создания методов более детального моделирования или на начальных этапах эмпирического учета влияния элементов, роль которых не считалась первостепенной в общей силовой структуре каркаса кузова, но, как показывают опытные данные, способных существенно повысить энергоемкость конструкции.
Сопоставление деформированного состояния средней секции и перемещений, наблюдаемых в отношении передней и задней секций, указывает на то, что средняя секция подвергается деформированию в гораздо большей степени, нежели прочие испытываемые секции (см. рис. 2-5). Данное явление не наблюдается при испытаниях полнокомплектного транспортного средства. В этом случае разность остаточных деформации стоек, относящихся к различным секциям, могла достигать 20–30% деформации наиболее ослабленных элементов, но не 69%, как при испытаниях отдельных секций. Помимо этого, следует отметить, что деформации, регистрируемые при испытании средней секции, существенно (на 40-50%) превышают те, что наблюдаются при испытании полнокомплектного автобуса со сходным по конструкции каркасом кузова, при этом значения деформаций передней и задней секций, испытанных отдельно, имеют удовлетворительную сходимость по отношению к деформациям, возникающим при испытании автобуса.
Рисунок 2. Деформированное состояние секций каркаса автобуса. а — передняя секция; б — средняя секция
Рисунок 3а. Деформации передней секции без усилителей
Рисунок 3б. Деформация передней секции с усилителями
Рисунок 4а. Деформация средней секции без усилителей
Рисунок 4б. Деформация средней секции с усилителями
Рисунок 5а. Деформация задней секции без усилителей
Рисунок 5б. Деформация задней секции с усилителями
Следовательно, целесообразность испытаний средних секций автобуса не представляется обоснованной, поскольку они не могут являться репрезентативными в силу отсутствия жесткостных свойств, которыми они обладают, будучи интегрированными в общую силовую структуру несущей системы. Тем более нецелесообразным представляется сравнение опытных результатов испытаний секции и результатов расчета, изначально несущего в себе большие погрешности [5].
В свою очередь, именно передняя и задняя секции создают необходимую жесткость и запас прочности всему автобусному кузову, при воздействии на него изгибающим и скручивающими моментами.
Опыт производства отдельных секций заводом-изготовителем испытываемых транспортных средств выявил значительную трудоемкость подготовки отдельных секций обусловленную тем, что применяемая технология производства каркаса предусматривает модульное изготовление. Отдельные модули состоят из двух боковых стенок, крыши, пола, задней и передней стенок, которые, в свою очередь, выполнены в виде ферменных конструкций. Сборка, монтаж и сварка отдельных модулей производится в кондукторах. Сборка всего каркаса производится на стапеле. При этом технологии сборки отдельных секций не существует, и их производство с учетом требований Правил ЕЭК ООН № 66 (соблюдение правильности расположения центра масс, величины массы, приходящейся на данную секцию, имитация фрагментов узлов и агрегатов) должно осуществляться из специально подготавливаемых заделов при отсутствии разработанного рационального алгоритма, что увеличивает срок производства трех секций до 10-15 дней при том, что изготовление целого каркаса занимает 1-2 дня. Следовательно, может быть поставлена под сомнение возможность сокращения времени и средств на испытания при выборе в качестве объекта отдельных секций.
В свою очередь, именно передняя и задняя секции создают необходимую жесткость и запас прочности всему автобусному кузову, при воздействии на него изгибающим и скручивающими моментами.
Опыт производства отдельных секций заводом-изготовителем испытываемых транспортных средств выявил значительную трудоемкость подготовки отдельных секций обусловленную тем, что применяемая технология производства каркаса предусматривает модульное изготовление. Отдельные модули состоят из двух боковых стенок, крыши, пола, задней и передней стенок, которые, в свою очередь, выполнены в виде ферменных конструкций. Сборка, монтаж и сварка отдельных модулей производится в кондукторах. Сборка всего каркаса производится на стапеле. При этом технологии сборки отдельных секций не существует, и их производство с учетом требований Правил ЕЭК ООН № 66 (соблюдение правильности расположения центра масс, величины массы, приходящейся на данную секцию, имитация фрагментов узлов и агрегатов) должно осуществляться из специально подготавливаемых заделов при отсутствии разработанного рационального алгоритма, что увеличивает срок производства трех секций до 10-15 дней при том, что изготовление целого каркаса занимает 1-2 дня. Следовательно, может быть поставлена под сомнение возможность сокращения времени и средств на испытания при выборе в качестве объекта отдельных секций.
Подводя итоги проведенных исследований, можно сделать вывод о необходимости изменения подхода расчетного метода, предлагаемого Правилами № 66. Выявлено отсутствие необходимости проведения испытаний средних секций каркаса, поскольку, находясь вне замкнутой структуры несущей системы автобуса, они не обладают достаточной жесткостью и не в состоянии противостоять прикладываемым нагрузкам в той мере, которая наблюдается при опрокидывании автобуса. Проведенные исследования выявили необходимость создания расчетно-экспериментального метода, имеющего структуру (см. рис. 6), предполагающую переход от анализа НДС целостной структуры каркаса автобуса к исследованию НДС отдельных подконструкций несущей системы, определяющих ее прочностные свойства.
Рисунок 6.
Разработка данного метода имеет целью снижение трудоемкости процесса моделирования за счет ухода от создания моделей, отличающихся высокой степенью детализации и повышение точности полученных результатов вследствие подробного рассмотрения элементов подконструкций.
Одновременно четко обозначается дальнейшая задача рационализации экспериментальной составляющей метода оценки прочностных свойств силовой структуры, и приведение ее в соответствие общей схеме предлагаемой методики. При этом практическая реализация опытных работ не должна вызывать производственные сложности и должна базироваться на применяемой предприятием-изготовителем технологии производства кузовов автобусов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила ЕЭК ООН № 66 «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения крупно габаритных пассажирских транспортных средств в отношении прочности верхней части их конструкции» // Европейская Экономическая Комиссия, Женева, 1986.
2. Зузов В.Н., Карамышев Ю.Ю., Ким И.В. Анализ влияния конструкции автобуса на пассивную безопасность при опрокидывании на основе метода конечных элементов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. — 2008. — С. 145-149.
3. Ким И.В., Зузов В.Н. Оценка прочности силовой структуры кузовов автобусов методами математического моделирования (часть 1) // Журнал ААИ. — 2008. — № 5. — С. 30-31.
4. Ким И.В., Зузов В.Н. Оценка прочности силовой структуры кузовов автобусов методами математического моделирования (часть 2) // Журнал ААИ. — 2008. — № 6. — С. 40-41.
5. Медведков С.И. Методика компьютерного моделирования испытания автобуса на опрокидывание в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН № 66 // Сборник трудов четвертой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBH. — 2004. — С. 187-194.
6. Орлов Л.Н. Оценка пассивной безопасности, прочности, кузовных конструкций автомобилей и автобусов. — Н. Новгород.: Нижегород. гос. техн. ун-т, 2005. — 130 с.
Одновременно четко обозначается дальнейшая задача рационализации экспериментальной составляющей метода оценки прочностных свойств силовой структуры, и приведение ее в соответствие общей схеме предлагаемой методики. При этом практическая реализация опытных работ не должна вызывать производственные сложности и должна базироваться на применяемой предприятием-изготовителем технологии производства кузовов автобусов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила ЕЭК ООН № 66 «Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения крупно габаритных пассажирских транспортных средств в отношении прочности верхней части их конструкции» // Европейская Экономическая Комиссия, Женева, 1986.
2. Зузов В.Н., Карамышев Ю.Ю., Ким И.В. Анализ влияния конструкции автобуса на пассивную безопасность при опрокидывании на основе метода конечных элементов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. — 2008. — С. 145-149.
3. Ким И.В., Зузов В.Н. Оценка прочности силовой структуры кузовов автобусов методами математического моделирования (часть 1) // Журнал ААИ. — 2008. — № 5. — С. 30-31.
4. Ким И.В., Зузов В.Н. Оценка прочности силовой структуры кузовов автобусов методами математического моделирования (часть 2) // Журнал ААИ. — 2008. — № 6. — С. 40-41.
5. Медведков С.И. Методика компьютерного моделирования испытания автобуса на опрокидывание в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН № 66 // Сборник трудов четвертой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GMBH. — 2004. — С. 187-194.
6. Орлов Л.Н. Оценка пассивной безопасности, прочности, кузовных конструкций автомобилей и автобусов. — Н. Новгород.: Нижегород. гос. техн. ун-т, 2005. — 130 с.