авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
-- [ Страница 1 ] --

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.

Алексеева»

(НГТУ)

На правах рукописи

УДК 629.341

ВОРОНКОВ ОЛЕГ ВИКТОРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВЕСОВЫХ, ЖЕСТКОСТНЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОБУСНЫХ КУЗОВОВ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИЙ ТИПА «МОНОКОК»

Специальность 05.05.03 – «Колесные и гусеничные машины»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Автомобили и тракторы»

НГТУ им. Р.Е. Алексеева Вячеслав Иванович Песков Нижний Новгород – СОДЕРЖАНИЕ Введение … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 1. Анализ состояния проблемы и задачи исследования … … … 1.1. Механика автобусных кузовов … … … … … … … … … … 1.2. Пути снижения собственной массы автобусного кузова при удовлетворении требований по прочности и жесткости … … 1.3. Трехслойные панели и оболочки, разновидности конструк ций, механика прочностной работы … … … … … … … … … 1.4. Эффективность применяемых материалов … … … … … … 1.5. Анализ существующих методик выбора оптимальных пара метров трехслойной панели … … … … … … … … … … … 1.6. Постановка цели и задач исследования … … … … … … … 2. Автобусный кузов типа «монокок» … … … … … … … … … … 2.1. Элементы механики современного автобусного кузова … … 2.2. Расчетно-экспериментальное исследование механических свойств ЭКП … … … … … … … … … … … … … … … … 2.3. Расчетно-экспериментальное исследование прочностных и жесткостных свойств автобусного кузова типа «монокок» … 2.4. Методика совершенствования весовых, жесткостных и проч ностных характеристик автобусных кузовов … … … … … … 2.5. Примеры практической апробации предложенных принципов и методики … … … … … … … … … … … … … … … … … 3. Оценка эффективности конструкционных материалов … … 3.1. Условия сравнения: допущения и гипотезы … … … … … … 3.2. Характеристические коэффициенты материалов … … … … 3.3. Коэффициенты эффективности материалов … … … … … … 3.4.

Методика выбора эффективного сочетания материалов … … 4. Механика трехслойной панели … … … … … … … … … … … 4.1. Тип трехслойных панелей, рациональный для применения в автобусных кузовных конструкциях … … … … … … … … 4.2. Виды и величины действующих нагрузок … … … … … … … -2 4.3. Величины применяемых коэффициентов запаса … … … … … 4.4. Напряженное состояние трехслойной панели … … … … … … 4.5. Устойчивость конструктивных элементов панели … … … … 4.6. Деформированное состояние трехслойной панели … … … … 4.7. Методика выбора рациональных геометрических параметров трехслойной панели … … … … … … … … … … … … … … Результаты, выводы и практические рекомендации … … … … Библиографический список … … … … … … … … … … … … … Приложение А … … … … … … … … … … … … … … … … … … Приложение Б … … … … … … … … … … … … … … … … … … Приложение В … … … … … … … … … … … … … … … … … … Приложение Г … … … … … … … … … … … … … … … … … … Приложение Д … … … … … … … … … … … … … … … … … … Приложение Е … … … … … … … … … … … … … … … … … … Приложение Ж … … … … … … … … … … … … … … … … … … Приложение И … … … … … … … … … … … … … … … … … … Приложение К … … … … … … … … … … … … … … … … … … Приложение Л … … … … … … … … … … … … … … … … … … -3 ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы. Минимально возможная собственная масса несущих частей при обеспечении необходимой прочности и жесткости является одним из важных требований, предъявляемых к современному автобусному кузову. Доми нирующая на данный момент в отношении конструкции автобусных кузовов кар касная концепция находится уже практически на пределе возможностей по даль нейшей весовой оптимизации таких конструкций, т.к. не позволяет эффективно использовать существующие высокопрочные материалы и материалы низкой плотности. Следовательно, дальнейшее совершенствование автобусного кузова должно быть связано с разработкой новой концепции прочностной работы его не сущей системы. Одной из таких новых концепций является разработанная авто ром концепция автобусного кузова типа «монокок» как развитие идеи Я. Павлов ского о «закрытом» в механическом смысле кузове автобуса [53]. Данная концеп ция подразумевает эффективное использование в конструкции кузова автобуса различных материалов и несущих трехслойных панелей, высокая весовая эффек тивность которых доказана в ходе длительного опыта их производства и эксплуа тации в различных отраслях техники. Эффективным способам внедрения трех слойных панелей в конструкцию автобусных кузовов к настоящему моменту по священо относительно небольшое количество научных работ.

В сложившейся ситуации существует реальная потребность в подробном ис следовании вопросов механики автобусного кузова типа «монокок» и поиске пу тей эффективного внедрения трехслойных панелей в конструкцию несущей сис темы такого автобусного кузова с целью снижения ее собственной массы.

Цель работы: теоретически и экспериментально исследовать возможности повышения прочности и жесткости автобусных кузовов и снижения их массы за счет использования свойств конструкций типа «монокок».

-4 Задачи исследования. Для достижения сформулированной цели необходимо решить следующие задачи:

разработать новое определение понятия автобусного кузова типа «монокок»

1) на базе понятия «закрытого» кузова по Я. Павловскому [53], исследовать ме ханику его прочностной работы, сравнить кузов этого типа с кузовами тради ционной каркасной конструкции, выявить его преимущества, особенности и возможности повышения прочности и жесткости по сравнению с кузовом каркасной конструкции, разработать методику получения автобусного кузова типа «монокок» сниженной собственной массы при обеспечении эксплуата ционной прочности и жесткости;

разработать новое определение понятия «ЭКП», уточняющее соответствую 2) щий термин Я. Павловского [53], в качестве неотъемлемой части кузова типа «монокок», разработать критерий ЭКП, обосновать наибольшую эффектив ность трехслойной панели в качестве ЭКП, обосновать тип трехслойных па нелей, рациональный для применения в несущей системе кузова автобуса;

разработать методику выбора эффективного сочетания материалов для трех 3) слойных панелей основания или крыши автобусного кузова типа «монокок»;

исследовать механику прочностной работы выбранного типа трехслойных 4) панелей в нагрузочных ситуациях, присущих основанию и крыше автобусно го кузова, разработать методику поиска рациональных размеров таких пане лей, реализовать ее в виде компьютерной программы, оценить возможности снижения массы автобусного кузова типа «монокок» за счет оптимизации па раметров входящих в его состав трехслойных панелей;

провести необходимые экспериментальные исследования и оценить сходи 5) мость теоретических результатов с экспериментальными данными.

Объект исследования. Несущие конструкции двух специально разработан ных автором прототипов кузовов автобусов I класса [63], [64], несущие конструк ции кузовов автобусов САМОТЛОР-3241, САМОТЛОР-3242 и САМО ТЛОР-3283.

-5 Предмет исследования. Прочностные, жесткостные и весовые характери стики несущих систем автобусных кузовов.

Методы исследования. При проведении теоретических исследований ис пользовались расчетные методы оценки прочности и жесткости кузовов автобусов и их отдельных силовых элементов: а) метод ЭКП Я. Павловского [53] для укруп ненного прочностного анализа конструкции кузова в целом и его основных струк турных единиц;

б) метод конечных элементов (МКЭ) для подробного рассмотре ния и анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции ав тобусного кузова в целом и его отдельных деталей;

в) методы сопротивления ма териалов и методы теории пластин для теоретического рассмотрения и анализа НДС отдельных силовых элементов и трехслойных панелей кузова.

Для выбора рациональных параметров трехслойных панелей основания и крыши автобусного кузова использовались численные методы оптимизации.

Научная новизна. При выполнении данной диссертационной работы полу чены следующие новые результаты:

• дано новое определение автобусного кузова типа «монокок» на базе понятия «закрытого» кузова по Я. Павловскому [53], позволяющее определять соот ветствие кузова любого автобуса этому типу, на основании данного опреде ления сконструированы оригинальные прототипы такого кузова повышенной прочности и жесткости или сниженной собственной массы, указанные свой ства которых подтверждены расчетно-экспериментальным сравнением с ку зовами традиционных каркасных конструкций;

• разработана методика совершенствования весовых, жесткостных, и прочно стных показателей автобусных кузовов, применяемая на этапе проектирова ния, основанная на использовании свойств кузова типа «монокок» и на вне дрении в его конструкцию трехслойных панелей, оптимизированных по ма териалам и размерам;

• дано новое определение ЭКП как неотъемлемой части кузова типа «моно кок», уточняющее соответствующее понятие Я. Павловского [53], для кото рого расчетно-экспериментальным путем выведен критерий, позволяющий -6 установить принадлежность любой структурной единицы кузова ЭКП на ос нове ее удельной сдвиговой жесткости, показано, что трехслойная панель яв ляется самой эффективной ЭКП;

• разработана методика, позволяющая выбирать рациональное сочетание мате риалов для трехслойных панелей основания или крыши автобусного кузова на основе выведенного набора сравнительных коэффициентов эффективно сти материалов в различных нагрузочных ситуациях;

• выведен новый коэффициент, названный автором «индекс жесткости», яв ляющийся характеристикой материала, позволяющей на этапе проектирова ния определять эффективность совместного использования различных мате риалов в конструкции трехслойной панели;

• разработана методика, реализованная в виде компьютерной программы, по зволяющая находить рациональные размеры «ребристых» трехслойных пане лей, тип которых обоснован как эффективный для применения в автобусном кузове;

указанная методика основывается на выведенных автором инженер ных зависимостях для определения прочностных и жесткостных характери стик данных панелей;

• выведен новый коэффициент, названный автором «коэффициент разгрузки», характеризующий нагруженное состояние трехслойной панели основания или крыши в составе автобусного кузова, позволяющий на этапе проектиро вания рассматривать прочность и жесткость указанных панелей отдельно от остальных частей кузова;

• получены научно обоснованные результаты и выводы.

Основные положения, выносимые на защиту.

Из теоретических разработок.

• Новое определение ЭКП и автобусного кузова типа «монокок», критерий соответствия структурной единицы кузова ЭКП.

• Набор сравнительных коэффициентов эффективности различных материа лов по массе тонколистовой детали и стоимости материала детали, новая характеристика материала: «индекс жесткости».

-7 • Инженерные расчетные зависимости для оценки прочностных и жесткост ных характеристик трехслойной панели основания или крыши автобусно го кузова на этапе проектирования, «коэффициент разгрузки», характери зующий нагруженное состояние трехслойной панели основания или кры ши в составе автобусного кузова.

Из научно-методических разработок.

• Методика совершенствования весовых и прочностных характеристик ав тобусных кузовов путем использования свойств конструкций типа «моно кок» на этапе проектирования.

• Методика выбора эффективного сочетания материалов и проведения срав нительной оценки принятого варианта для конструктивных элементов «ребристой» трехслойной панели основания или крыши автобусного кузо ва на этапе проектирования.

• Методика поиска рациональных геометрических параметров трехслойной панели с ребристым средним слоем, являющейся основанием или крышей автобусного кузова, на этапе проектирования.

Из научно-технических разработок.

• Оригинальный прототип кузова автобуса типа «монокок», выявленные в ходе исследования его особенности, преимущества и недостатки.

• Подробные конечно-элементные (КЭ) модели, результаты КЭ-расчетов и экспериментальных испытаний масштабных макетов для отдельных ЭКП на режиме сдвига и автобусных кузовов в целом на режимах кручения и изгиба.

• Компьютерная программа поиска рациональных геометрических парамет ров «ребристой» трехслойной панели основания или крыши автобусного кузова.

Достоверность результатов. Достоверность результатов расчетных исследо ваний, правомерность допущений и теоретических положений, адекватность раз работанных моделей и расчетных схем реальным конструкциям подтверждены сравнением полученных результатов с результатами специально проведенных -8 экспериментов и результатами сторонних экспериментов, доступных в литера турных источниках.

Практическая ценность. Разработанные методики позволяют на стадии проектирования несущей системы кузова автобуса I класса [63], [64] получать конструкцию сниженной собственной массы по сравнению с традиционной кар касной конструкцией при обеспечении необходимой эксплуатационной прочно сти и жесткости.

Разработанная компьютерная программа позволяет численно определять ра циональные геометрические параметры «ребристой» сэндвич-панели основания или крыши кузова автобуса I класса [63], [64] и может быть использована при проектировании автобусных кузовов типа «монокок».

Материалы диссертации могут быть использованы в конструкторских отде лах автобусных предприятий и в учебном процессе.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и эксперимен тальных исследований, разработанные методики и компьютерная программа вне дрены в ООО «Промтех», ОАО «Павловский автобус», а также в учебном процес се кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ им. Р.Е. Алексеева.

Копии (сканы) актов о внедрении результатов научно-исследовательской (опытно-конструкторской) работы приложены к диссертации (см. прил. А).

Личный вклад соискателя. Автором диссертации самостоятельно выполне но следующее: сформулированы новые определения ЭКП и автобусного кузова типа «монокок», разработан критерий ЭКП, трехслойная панель обоснована как наиболее эффективная ЭКП, обоснован тип трехслойных панелей, рациональный для внедрения в конструкцию кузова автобуса;

разработан прототип кузова типа «монокок» для автобуса I класса [63], [64];

разработаны подробные КЭ-модели исследуемых конструкций, произведен анализ их НДС на различных режимах на гружения;

разработан набор сравнительных коэффициентов эффективности мате риалов, разработана новая характеристика материала, названная автором «индекс жесткости»;

разработаны инженерные расчетные зависимости для определения прочностных и жесткостных параметров «ребристой» трехслойной панели осно -9 вания или крыши автобуса, разработан «коэффициент разгрузки», характеризую щий нагруженное состояние трехслойной панели основания или крыши в составе кузова автобуса;

разработана методика совершенствования весовых и прочност ных характеристик автобусных кузовов путем использования свойств конструк ций типа «монокок» на этапе проектирования;

разработана методика выбора ра ционального сочетания материалов и проведения сравнительной оценки принято го варианта для конструктивных элементов «ребристой» трехслойной панели ос нования или крыши автобусного кузова на этапе проектирования;

разработана ме тодика поиска рациональных геометрических параметров трехслойной панели с ребристым средним слоем на этапе проектирования, разработана и отлажена ком пьютерная программа для реализации предложенного алгоритма поиска;

сформу лированы научно обоснованные выводы и рекомендации по совершенствованию конструкций кузовов исследованных автобусов, внедренные на предприятиях ав томобильной промышленности.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследова ний докладывались и обсуждались на Международной научно-технической кон ференции «Авто НН 03. Автомобильный транспорт в XXI веке», посвященной 40 летию кафедры «Автомобильный транспорт» НГТУ (г. Н. Новгород, НГТУ им.

Р.Е. Алексеева, 2003 г.);

на Международной научно-технической конференции «Проектирование, испытания, эксплуатация транспортных машин и транспортно технологических комплексов», посвященной 70-летию кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ (г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2005 г.);

на Между народной научно-технической конференции «Авто НН 08. Автомобильный транспорт в XXI веке», посвященной 45-летию кафедры «Автомобильный транс порт» НГТУ (г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2008 г.);

на Международ ной научно-технической конференции «Безопасность транспортных средств в эксплуатации», посвященной 75-летию кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ (г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2010 г.);

на Всероссийской молодеж ной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г. Н. Нов город, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, с 2004 по 2009 гг., в 2011 г.).

- 10 Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 15 пе чатных работах: 4 статьи опубликованы в журналах, входящих в Перечень рос сийских рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК РФ;

2 статьи в журналах, не входящих в данный перечень;

8 тезисов научных докладов и 1 мо нография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, рекомендаций, списка использованных источ ников и приложений. Диссертация содержит 304 страницы основного машино писного текста, 142 рисунка, 77 таблиц, список использованных источников из наименований и 10 приложений на 117 страницах.

- 11 ГЛАВА АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Механика автобусных кузовов Современный автобусный кузов представляет собой сложную пространст венную тонкостенную конструкцию. Ввиду того, что одним из основных требова ний к несущей системе автобуса является ее минимальная собственная масса, то очень важное место при проектировании автобусного кузова занимают связанные между собой вопросы прочности и жесткости.

Указанные вопросы на данный момент являются достаточно хорошо изучен ными для автобусных кузовов уже ставшей традиционной каркасной конструк ции. Исследованию вопросов прочности таких автобусных кузовов посвящены работы Д.В. Гельфгата [24], Ю.А. Долматовского [29], Н.И. Воронцовой, Д. Фен тона [77], Е. Тессера [71] и др. В данных работах приведена классификация авто бусных кузовов, определены виды и величины нагрузок, действующих на кузов в процессе эксплуатации, а также предложены инженерные методики расчета авто бусных кузовов на прочность. Особо следует отметить работу Я. Павловского [53] и его инженерный метод расчета автобусных кузовов путем схематизации набо ром элементарных конструктивных плоскостей. Данный метод позволяет проек тировщику ясно представлять нагруженное состояние каждого структурного эле мента кузова.

Вопросам расчетной оценки прочности и жесткости автобусных кузовов с применением метода конечных элементов посвящены работы З.А. Годжаева, Ф.А. Фараджева [25], [26], В.Н. Зузова [31], [32], И.В. Кима [35], [36], [37] и др.

Новейшие тенденции в развитии мирового автобусного кузовостроения, свя занные с применением новых высокопрочных и сверхлегких материалов, а также внедрением сэндвич-панельных технологий, отражены в работах Б.Д. Эммонса [85], [86], Д. Крокера [83], [84], А.А. Фернандеса [87], М. Вилпаса [95] и др. Из отечественных авторов можно отметить работы А.Г. Пирякина [62], В.А. Мацака [45] и др.

- 12 Существенный вклад в накопление практического опыта по эффективному использованию различных нетрадиционных для данной отрасли материалов при создании новых конструкций автобусных кузовов внесли исследовательские про екты, осуществленные по заказу и при финансировании правительств ряда госу дарств: ATTB, NABI Compobus, Ultra Light Stainless Steel Urban Bus Concept (США);

Intercity Bus Weight Reduction Program (Канада);

Litebus (ЕС).

Большой опыт в области проектирования, расчета и доводки кузовных конст рукций накоплен на кафедре «Автомобили и тракторы» Нижегородского государ ственного технического университета (НГТУ) им. Р.Е. Алексеева. К этому на правлению можно отнести работы В.Б. Цимбалина, С.М. Кудрявцева [42], [43], В.А. Колтунова [40], Д.В. Соловьева [70], А.В. Тумасова [76] и др. Особо следует отметить работы Л.Н. Орлова [49], [50], посвященные систематизации и обобще нию знаний, связанных с разработкой методик по оценке прочностных и жестко стных качеств кузова. Значительное влияние на данную диссертационную работу оказали труды В.И. Пескова [56], [58], [60], в которых содержатся предпосылки для создания автобусных кузовов типа «монокок», которые являются развитием понятия «закрытого» автобусного кузова в терминологии Я. Павловского.

Основной особенностью всех указанных работ является то, что они посвяще ны рассмотрению вопросов механики «традиционного» каркасного автобусного кузова. Автобусный кузов типа «монокок»: механика его прочностной работы, особенности, преимущества и возможные недостатки, являются на данный мо мент мало изученными, требующими научного рассмотрения.

1.2. Пути снижения собственной массы автобусного кузова при удовлетворении требований по прочности и жесткости Снижение собственной массы автобусного кузова – относительно новое на правление, получившее мощный толчок в своем развитии с появлением достаточ но точных методов расчета сложных механических систем с применением ЭВМ, таких как метод конечных элементов (МКЭ).

- 13 Ранние работы в этой области, связанные с параметрической оптимизацией, такие как работы Л.Н. Орлова [49], [50] и С.М. Кудрявцева [42], [43] в основном сводились к рассмотрению напряженно-деформированного состояния кузова ав тобуса под нагрузкой или комбинацией нагрузок, выявлению нагруженных и не нагруженных зон и дальнейшей модификации конструкции с целью усиления на груженных зон и облегчения малонагруженных элементов. Методы структурной оптимизации сводились к расчету ряда вариантов конструкции кузова и выбору из них того, который удовлетворяет предъявляемым требованиям по прочно сти/жесткости/энергоемкости и при этом имеет наименьшую массу. Следует от метить, что подавляющее большинство работ в области структурной оптимизации автобусных кузовов не выходило за рамки концепции стального каркаса.

Примером дальнейшего развития упомянутых методик могут служить работы Д.В. Соловьева [70] и Ф. Лан [89]. В данных работах оптимизация конструкции сводится к подбору сечений силовых элементов кузова, основанному на много кратных расчетах по методу конечных элементов и на применении математиче ских методов оптимизации. В работах С. Батди [81], [82] и С. Манокруанг [91] к этому добавляется пересмотр конструкции отдельных структурных единиц с це лью уменьшения количества силовых элементов. Однако, рассмотрению подвер гались кузовные конструкции, представляющие собой стальной балочный каркас с прикрепленными к нему тонколистовыми обшивками. Данный подход позволял достигать снижения собственной массы несущего каркаса на 5–15% за счет разу нификации применяемого сортового проката по сравнению с каркасными кузова ми (базовый вариант), выполняемыми из 2–3 наименований балочного и 1–2 на именований листового проката. Экономический эффект от такого рода оптимиза ции не всегда может являться только положительным.

Постепенное накопление практического опыта в области снижения собствен ной массы несущих частей автобусного кузова привело исследователей к мысли, что гораздо более существенного эффекта можно достичь путем замены широко распространенной малоуглеродистой стали на более эффективные в весовом от ношении материалы [17]. Однако следование общепринятой каркасной концепции - 14 автобусного кузова не позволяло эффективно использовать высокопрочные мате риалы, применение которых подразумевало снижение толщин стенок силовых элементов, что приводит к снижению жесткости кузова. Таким образом, указан ный подход ограничил спектр материалов, которые могут эффективно применять ся, материалами, имеющими плотность ниже, чем у малоуглеродистой стали, и прочностные свойства на том же уровне или ниже. Так появились автобусы про изводства компаний Scania, Neoplan, Irisbus, Volvo и др., которые имели алюми ниевые или стеклопластиковые оболочки (с хаотичным расположением волокон) и каркас из алюминия или нержавеющей стали обычной прочности. Применение материалов, способных эффективно сопротивляться коррозии, позволяло обеспе чивать высокие прочностные качества конструкции в течение более длительного периода эксплуатации, а также снизить применяемые коэффициенты запаса проч ности, что привело к дополнительному снижению собственной массы несущих частей. Данный подход позволял достигать снижения собственной массы несуще го кузова на 20–30% по сравнению с базовым вариантом. Применение легковес ных материалов, которые существенно дороже малоуглеродистой стали, привело к значительному удорожанию автобусного кузова. Поэтому производство подоб ных кузовов получило распространение, в основном, в развитых странах Европы и Северной Америки, где автобусное производство отличается высоким качест вом выпускаемых изделий, которое оправдывает повышение стоимости. В стра нах, таких как Российская Федерация и Китай, где автобусное производство на данный момент не отличается высоким качеством продукции, и главной целью является достижение низкой стоимости автобуса, производство таких кузовов не получило распространения.

Указанные подходы практически полностью исчерпали дальнейшие возмож ности снижения собственной массы несущего кузова автобуса традиционной кар касной конструкции. Работы многих исследователей в области снижения собст венной массы несущих конструкций автобусного кузова на данный момент по священы поиску новых структурных решений для несущей системы автобуса.

Среди множества существующих направлений следует отметить отдельно, как - 15 преобладающее, направление, связанное с внедрением несущих трехслойных па нелей в конструкцию автобусного кузова. Основным свойством трехслойных па нелей, которое выгодно отличает их от каркасных конструкций, является то, что для трехслойной панели можно эффективно использовать высокопрочные мате риалы в виде относительно тонких листов.

В свою очередь, данное направление разделяется на две концепции.

Суть первой концепции отражена в работах М. Вилпаса [95] и Д. Крокера [83], [84], в которых основные принципы механики прочностной работы совре менных каркасных автобусных кузовов сохраняются практически в неизменном виде. Сохраняются также и основные несущие силовые элементы каркасного ку зова. Второстепенные силовые элементы заменяются более эффективными конст рукциями из трехслойных панелей. Примером такого подхода может служить ку зов автобуса, в котором присутствуют лонжероны и основные поперечины осно вания кузова, а фанерный настил пола и промежуточные усилители заменены трехслойными панелями. Данный подход отличается простотой введения в конст рукцию трехслойных панелей, т.к. конструкция кузова основывается на хорошо изученной и освоенной в производстве каркасной конструкции. Однако большого выигрыша в собственной массе таким образом достичь не удается: дополнительно 5–10% к ранее упомянутым значениям, в зависимости от того, какой кузов модер низируется таким образом.

Суть второй концепции отражена в работах Б.Д. Эммонса [85], [86] и заклю чается она в коренном пересмотре существующих канонов конструирования ав тобусных кузовов. Во главу угла здесь ставится применение системного подхода, который позволяет достичь существенного снижения собственной массы кузова за счет синергического действия эффектов от применения высокопрочных и лег ковесных материалов, несущих сэндвич-панельных конструкций, от способности трехслойных панелей одновременно выполнять несколько функций и замещать собой как основные, так и вспомогательные силовые элементы. Особая роль здесь отводится построению «закрытого» в механическом смысле кузова. Более под робно различные преимущества от применения трехслойных панелей в автобус - 16 ных кузовах описаны в работе О.В. Воронкова [17]. Реализация данной концепции позволяет достичь снижения собственной массы несущих частей автобусного ку зова на 40–60% по сравнению с базовым вариантом.

В заключение можно отметить следующее: т.к. следование принципам по следней из упомянутых концепций на данный момент позволяет достичь наи большего снижения собственной массы несущего кузова автобуса при выполне нии требований по прочности и жесткости, то в ходе настоящего диссертационно го исследования целесообразно придерживаться указанных принципов. Следова тельно, одной из задач исследования является изучение свойств «закрытого» в механическом смысле автобусного кузова, дальнейшее развитие данного направ ления и рассмотрение особенностей применения трехслойных панелей в таком кузове.

1.3. Трехслойные панели и оболочки, разновидности конструкций, механика прочностной работы В соответствии с заключением, сделанным в п. 1.2, разработка эффективных способов применения трехслойных панелей в конструкции автобусного кузова является одним из основных приоритетов данного диссертационного исследова ния. Следовательно, важным становится вопрос рассмотрения механики прочно стной работы трехслойных панелей на режимах нагружения, характерных для эксплуатации автобусного кузова.

Конструкции, имеющие слоистую структуру, широко применяются в совре менной технике. Эти конструкции обычно состоят из материалов с существенно различными физико-механическими свойствами. Несущие слои из материалов высокой прочности и жесткости предназначены для восприятия основной части механической нагрузки. Связующие слои, служащие для образования монолитной конструкции, обеспечивают перераспределение усилий между несущими слоями.

Такое сочетание слоев с различными свойствами позволяет создавать конструк ции, имеющие высокую прочность и жесткость, и относительно малую массу.

- 17 Существует достаточно большое количество разновидностей трехслойных конструкций. Разнообразные модификации трехслойных панелей, их преимуще ства и недостатки описаны в работах А.Я. Александрова [2], В.Н. Кобелева [38], В.Т. Лизина [44], Б. Ласкопа [90] и др.;

в приложении к автобусной тематике в ра ботах О.В. Воронкова [17], М. Вилпаса [95] и др.

Из данных работ следует, что все многообразие конструкций трехслойных панелей можно разделить на пять основных групп в зависимости от вида среднего слоя: 1) панели со сплошным пенозаполнителем;

2) панели с ячеистым дискрет ным заполнителем;

3) панели с ребристым дискретным заполнителем;

4) панели с заполнителем в виде пространственной стержневой фермы;

5) панели с заполни телем в виде комбинации 1-го и 3-го или 1-го и 4-го типов.

Следует отметить, что вопрос применения трехслойных панелей в конструк ции автобусных кузовов является на данный момент мало изученным, на его ос вещение направлено относительно небольшое количество работ. Среди отечест венных авторов, имеющих публикации по данной тематике можно назвать работы В.И. Пескова [55], Л.Н. Орлова [51], А.В. Бычкова [10] и др. В связи с этим в на стоящее время не существует обоснованного представления о том, какие из ука занных пяти типов панелей наиболее пригодны для автобусных приложений с учетом всего спектра особенностей, присущих для данных конструкций. Такое обоснование предстоит сделать в данной диссертационной работе.

Одним из наиболее важных аспектов при проектировании любой несущей конструкции является механика ее прочностной работы, возможные механизмы разрушения и действующие нагрузки.

Вопросам исследования напряженно-деформированного состояния и особен ностям механики трехслойных панелей посвящены работы А.Я. Александрова [2], В.Н. Кобелева [38], Э.И. Григолюка [28], В.Т. Лизина [44], В.В. Болотина [9], Л.Г. Донела [30], А.С. Авдонина [1], Н.А. Алфутова [3] и др.;

в приложении к ав тобусной тематике методы расчета трехслойных панелей описаны в работе Е. Тес сера [71] и др.

- 18 Трехслойная панель с ребристым средним слоем конструктивно состоит из несущих слоев и ребер среднего слоя. Данные структурные элементы с механиче ской точки зрения представляют собой тонкие пластинки. Следовательно, при подробном рассмотрении механики такой трехслойной панели целесообразно опираться на теорию пластин, фундаментальный вклад в развитие которой внесли работы С.П. Тимошенко [73].

Основной особенностью подавляющего большинства работ, рассматриваю щих прочностную механику трехслойных панелей, является тот факт, что все ви ды трехслойных панелей фактически сводятся к расчету панелей со сплошным заполнителем. Данный переход осуществляется путем введения приведенных ме ханических характеристик дискретного заполнителя. В дополнение к сказанному, существующая приближенная теория расчета трехслойных пластинок и оболочек на общий изгиб и устойчивость строится на основе ряда допущений. Тонкие не сущие слои трехслойной пластинки или оболочки рассматриваются как обычные пластинки и оболочки, работающие в соответствии с гипотезой о прямых норма лях. В заполнителе пренебрегают деформациями в поперечном направлении. Про гибы несущих слоев, таким образом, считаются одинаковыми. Главное отличие расчета трехслойных конструкций от расчета обычных пластинок и оболочек со стоит в учете деформаций сдвига заполнителя. При этом считают, что обшивки воспринимают только нормальные усилия, материал заполнителя воспринимает только срезающие усилия;

локальные напряжения, вызываемые прогибом обши вок в пределах между ребрами ячеистого заполнителя, малы по сравнению с на пряжениями от глобального изгиба всей панели.

Обусловленные принятыми гипотезами границы применения предлагаемых методик охватывают только мелкоячеистые структуры, у которых [38] в случае стальных обшивок a 25 t, где a – шаг ячейки дискретного заполнителя;

t – тол щина обшивки. Практика показала, что размеры автобусных конструкций, дейст вующие нагрузки, стоимостные и технологические ограничения приводят к тому, что более эффективными в применении оказываются панели, которые не удовле творяют приведенному неравенству, т.е. с гораздо большей дискретностью запол - 19 нителя. В связи с этим одной из задач исследования является обоснование типа сэндвич-панелей, наиболее пригодного для применения в несущих конструкциях автобусных кузовов, и рассмотрение напряженно-деформированного состояния такой панели под действием полного спектра присущих рассматриваемому конст руктивному элементу нагрузок с учетом локального прогиба обшивок на пролете между ребрами дискретного заполнителя.

Эксплуатационные и аварийные нагрузки, которые должна воспринимать трехслойная панель, служащая основным силовым элементом основания или крыши пассажирского автобуса, косвенно определяются Техническим регламен том от 2009 г. [72]. В данный регламент среди прочих входят Правила №107 [63] ЕЭК ООН, вступающие в силу в 2014 г., а также ныне действующие Правила № [65], Правила №36 [64] и Правила №66 [66] ЕЭК ООН. Согласно указанным нор мативным документам панель крыши должна выдерживать равномерно распреде ленную нагрузку, равную по суммарной величине максимальному техническому весу автобуса (для автобусов вместимостью не более 22 пассажиров), а панель пола должна обеспечивать необходимую эксплуатационную прочность и жест кость при полном заполнении автобуса пассажирами. Для автобуса I класса по Правилам №107 ЕЭК ООН это соответствует весу в 68 кгс на каждые 0,125 м площади пола, пригодной для стояния пассажиров. Также панели пола и крыши должны воспринимать распределенный по их продольным кромкам аварийный изгибающий момент, возникающий при испытании на опрокидывание в соответ ствие c Правилами №66 и Правилами №107, приложение 5 ЕЭК ООН.

Помимо нагрузок, регламентированных соответствующими нормативными документами, существуют дополнительные нагрузки локального характера, кото рые необходимо принимать в учет в силу особенностей конструкции трехслойных панелей, в частности такой особенности, как тонкостенность наружных обшивок.

Указанной локальной нагрузкой является сосредоточенное усилие под каблуком стоящего или перемещающегося вдоль салона пассажира, которое воздействует на верхнюю обшивку трехслойной панели на пролете между ребрами дискретного заполнителя. Величину действующего усилия и коэффициенты динамичности для - 20 этого вида нагружения предстоит обосновать в ходе выполнения данного диссер тационного исследования.

Коэффициенты динамичности эксплуатационных нагрузок, имеющие место при движении автобусов, приведены в работе Я. Павловского [53], Д. Фентона [77], Д.Б. Гельфгата [24] и др., в соответствии с которыми коэффициент динамич ности симметричного (изгибного) вида нагружения составляет 2,0–2,5. Методика выбора коэффициентов запаса прочности, принимаемых при проектировании тонкостенных многослойных конструкций, описана в работе В.Т. Лизина [44].

Коэффициенты запаса прочности, присущие для автомобильной промышленно сти, описаны в работе Я. Павловского [53]. В соответствии с этими работами для трехслойной панели, работающей в качестве несущего элемента основания авто буса, можно принять коэффициент запаса по текучести для пластичного материа ла nT = 1,3 ;

коэффициент запаса по разрушению для хрупкого материала nВ = 1,7.

Для панели крыши, рассчитываемой на аварийную нагрузку, можно принять nT = 1,1 ;

nВ = 1,3.

1.4. Эффективность применяемых материалов В соответствии с положениями, приведенными в п. 1.2, существенного сни жения собственной массы несущих частей автобусного кузова при выполнении требований по прочности и жесткости планируется достичь, в том числе, за счет эффективного применения различных материалов. Вследствие чего вопрос об эф фективности применяемых конструкционных материалов является одним из при оритетов для данного диссертационного исследования. Особенно важен данный вопрос для трехслойных панелей в силу их особенностей, указанных в п. 1.3.

Оптимальность применения различных материалов при изготовлении из них силовых элементов автомобиля рассматривается в работе Я. Павловского [53] и др. Эффективность применения различных материалов в конструкции автобусно го кузова является мало изученной темой, по которой на данный момент практи чески отсутствуют публикации. Работы большинства авторов в указанном на - 21 правлении, среди которых можно отметить В.А. Мацака [45] и др., сводятся к пробному применению нового материала в конструкции автобусного кузова с по следующим анализом полученных преимуществ и недостатков. Обоснованной методики выбора эффективного материала для определенной части несущей кон струкции автобусного кузова на данный момент не существует, что подчеркивает актуальность данного вопроса.

Критерии эффективности использования различных материалов в конструк ции трехслойных панелей приведены в работах В.Т. Лизина [44], Н.А. Алфутова [3] и др. Согласно работе В.Т. Лизина [44], имеют место следующие показатели эффективности применяемых материалов по массе:

В1 K Gмат =, (1.4.1) В2 где K Gмат – коэффициент эффективности рассматриваемого материала по массе для условной детали, работающей на растяжение или сжатие;

В1, 1 – соот ветственно предельное напряжение и плотность для базового материала;

В2, 2 – соответственно предельное напряжение и плотность для рассматривае мого материала.

Указанный коэффициент справедлив для некоторой условной детали, в кото рой обеспечивается условие полной равнопрочности и механические свойства ма териала используются полностью. Указанный коэффициент показывает, какую долю составляет масса детали из рассматриваемого материала 2 от массы детали из базового материала 1 при их одинаковой несущей способности. Чем меньше данный коэффициент, тем эффективнее рассматриваемый материал.

K Gмат =, (1.4.2) где K Gмат – в данном случае коэффициент эффективности для не силовой детали.

1/ E = 1, (1.4.3) K Gмат E 2 где K Gмат – в данном случае коэффициент эффективности для детали в виде цилиндрической или конической оболочки, работающей на устойчивость под осе - 22 вым сжатием или сферической оболочки под внешним давлением;

E1, E2 – моду ли упругости базового и рассматриваемого материала соответственно.

2/ E = 1, (1.4.4) K Gмат E 2 где K Gмат – в данном случае коэффициент эффективности для детали в виде цилиндрической или конической оболочки, работающей на устойчивость под внешним давлением.

Физический смысл коэффициентов, определяемых по формулам (1.4.2), (1.4.3) и (1.4.4), аналогичен физическому смыслу коэффициента, определяемого по формуле (1.4.1).

Как видно из приведенных зависимостей, критерий эффективности материала неразрывно связан с рассматриваемой конструкцией. В различных конструкциях критерий эффективности определяется различными комбинациями механических характеристик материала.

Следует отметить, что для автобусного кузова, с учетом присущих для него нагрузочных режимов и конструктивных особенностей, вопрос рациональности применения того или иного материала является на данный момент малоизучен ным, в особенности, если речь заходит об эффективности материала для несущей трехслойной панели, используемой в конструкции автобусного кузова. Ввиду ска занного, одной из задач настоящего исследования является разработка таких кри териев эффективности применяемых материалов, которые учитывали бы проч ность, жесткость и массу каждого отдельного конструктивного элемента трех слойной панели, а также давали бы возможность сравнения стоимости рассматри ваемых вариантов комбинаций материалов.

1.5. Анализ существующих методик выбора оптимальных пара метров трехслойной панели В соответствии с положениями, приведенными в п. 1.2, существенного сни жения собственной массы несущих частей автобусного кузова при выполнении - 23 требований по прочности и жесткости планируется достичь, в том числе, за счет оптимизации геометрических параметров несущих трехслойных панелей, вне дренных в конструкцию кузова. Вследствие чего вопрос оптимального проекти рования трехслойных панелей является одним из приоритетов для данного дис сертационного исследования.

Трехслойные панели, при обеспечении необходимой прочности и жесткости, могут давать выигрыш в массе и расходе материала по сравнению с однослойны ми подкрепленными панелями (к этому типу можно отнести каркасную кузовную конструкцию с несущими оболочками) только в случае правильного выбора их геометрических параметров.

Наиболее просто задача оптимального проектирования, заключающаяся в по лучении структуры минимальной массы, решается для простейших конструкций, работающих на прочность или устойчивость – неподкрепленных гладких оболо чек. После того, как установлена марка материала, сразу однозначно определяют ся все размеры. Для трехслойных панелей и оболочек оптимальные параметры не устанавливаются однозначно из исходных уравнений состояния. Это объясняется наличием различных ограничений, сложностью исходных уравнений и множест вом подлежащих варьированию параметров.

Выбору оптимальных параметров трехслойных панелей посвящены работы В.Н. Кобелева [38], А.Я. Александрова [2], В.Т. Лизина [44], В.Л. Нарусберга [46], М.Г. Шайдулина [80] и др.

Следует отметить, что во всех рассмотренных работах поиск оптимальных параметров ведется для трехслойных панелей со сплошным мягким заполнителем или для панелей, условно принимаемых таковыми, т.е. для панелей с мелкоячеи стым дискретным или комбинированным заполнителем. В этом случае механика работы дискретного заполнителя упрощается до механики работы эквивалентного сплошного заполнителя с соответствующими приведенными механическими ха рактеристиками. Причем зависимость условной плотности такого заполнителя от его механических характеристик описывается некоторой аппроксимирующей кривой. На практике применение такой условной схематизированной зависимости - 24 оторвано от реальных геометрических и механических характеристик структуры дискретного заполнителя. Также сведение дискретного заполнителя к сплошному исключает из рассмотрения местные прогибы обшивок панели.

Необходимо также отметить, что вид расчетных формул для определения ра циональных параметров трехслойной панели существенно зависит от принимае мых во внимание конструктивных особенностей панели и действующих на нее нагрузок.

Вопрос оптимального проектирования трехслойных панелей для несущих конструкций кузовов автобусов является на данный момент малоизученным, вследствие чего, одной из задач настоящего диссертационного исследования яв ляется разработка методик и расчетных зависимостей, позволяющих определять рациональные параметры выбранного типа трехслойных панелей с учетом всех конструктивных особенностей данного типа панелей и присущих выполняемой функции нагрузочных режимов.

1.6. Постановка цели и задач исследования На основании произведенного обзора работ по интересующей научной тема тике была отмечена актуальность проблемы совершенствования прочностных и весовых характеристик автобусного кузова. Было определено, что наибольшего прогресса в указанном направлении можно добиться, используя системный под ход, т.е. путем совместного рассмотрения следующих аспектов: 1) глубокий пере смотр механики прочностной работы автобусного кузова, построение «закрытого»

в механическом смысле кузова;

2) внедрение в конструкцию автобусного кузова несущих трехслойных панелей и оптимизация их геометрических параметров, т.к.

конструкции данного типа имеют значительный потенциал экономии собственно го веса при выполнении заданных требований по прочности и жесткости;

3) эф фективное использование различных конструкционных материалов.

В ходе произведенного обзора публикаций также был выявлен целый набор мало изученных на текущий момент тем, дающих поле для научных изысканий в - 25 рамках данной диссертационной работы. В соответствии со сказанным можно сформулировать цели и задачи исследования.

Цель исследования: теоретически и экспериментально исследовать возмож ности повышения прочности и жесткости автобусных кузовов и снижения их мас сы за счет использования свойств конструкций типа «монокок».

Задачи исследования:

разработать новое определение понятия автобусного кузова типа «монокок»

1) на базе понятия «закрытого» кузова по Я. Павловскому [53], исследовать ме ханику его прочностной работы, сравнить кузов этого типа с кузовами тради ционной каркасной конструкции, выявить его преимущества, особенности и возможности повышения прочности и жесткости по сравнению с кузовом каркасной конструкции, разработать методику получения автобусного кузова типа «монокок» сниженной собственной массы при обеспечении эксплуата ционной прочности и жесткости;

разработать новое определение понятия «ЭКП», уточняющее соответствую 2) щий термин Я. Павловского [53], в качестве неотъемлемой части кузова типа «монокок», разработать критерий ЭКП, обосновать наибольшую эффектив ность трехслойной панели в качестве ЭКП, обосновать тип трехслойных па нелей, рациональный для применения в несущей системе кузова автобуса;

разработать методику выбора эффективного сочетания материалов для трех 3) слойных панелей основания или крыши автобусного кузова типа «монокок»;

исследовать механику прочностной работы выбранного типа трехслойных 4) панелей в нагрузочных ситуациях, присущих основанию и крыше автобусно го кузова, разработать методику поиска рациональных размеров таких пане лей, реализовать ее в виде компьютерной программы, оценить возможности снижения массы автобусного кузова типа «монокок» за счет оптимизации па раметров входящих в его состав трехслойных панелей;

провести необходимые экспериментальные исследования и оценить сходи 5) мость теоретических результатов с экспериментальными данными.

- 26 ГЛАВА АВТОБУСНЫЙ КУЗОВ ТИПА «МОНОКОК»

2.1. Элементы механики современного автобусного кузова Целью данного пункта является рассмотрение элементов механики совре менного автобусного низкопольного несущего кузова типа «монокок». Данный термин взят автором из авиационной отрасли, где он обозначает планер самолета, в котором основную несущую функцию выполняют его обшивки. В зарубежной литературе по автобусным кузовам такой термин тоже встречается и обозначает несущий кузов автобуса (в противопоставление «кузову на раме»). В рамках дан ной диссертационной работы слово «монокок» пишется русскими буквами и име ет оригинальное определение (см. далее), данное автором. Автобусный кузов типа «монокок» является развитием идеи Я. Павловского [53] о «закрытом» в механи ческом смысле автобусном кузове. По мнению автора, низкопольный кузов типа «монокок» автобуса I класса [63], [64] является наиболее удачным для примене ния в его конструкции трехслойных панелей.

В настоящее время наблюдается существенная интенсификация НИОКР по автобусным кузовам в ведущих странах мира, в том числе в США, Канаде, Гер мании, Франции и прочих. Периодически возникают предложения по внедрению совершенно новых структур автобусных кузовов, механика прочностной работы которых отличается от механики работы общеизвестных и наиболее широко рас пространенных в настоящее время каркасных конструкций лонжеронного типа.

Большинство вновь предлагаемых автобусных кузовов подразумевает подобие структуры типа «монокок», которая обеспечивает рациональную прочностную работу кузова как единого целого, а не как сборку из основных несущих и второ степенных не несущих конструктивных элементов.


Необходимо отметить, что в настоящее время в отечественной научной лите ратуре указанное направление практически не освещается, поэтому при опреде лении автобусного кузова типа «монокок» будет использован давно известный метод элементарных конструктивных плоскостей (ЭКП) Я._Павловского [53], ко - 27 торый наиболее просто и наглядно позволяет производить укрупненный анализ кузовных структур. Некоторые из приводимых далее определений также взяты из метода ЭКП Я._Павловского. Однако такие определения переработаны и допол нены автором для более точного их соответствия освещаемой тематике.

2.1.1. Определение ЭКП и ее свойства Элементарная конструктивная плоскость (ЭКП) – структурная единица кузова, с прочностной точки зрения имеющая вид «тонкой» пластины или поло гой оболочки (одно измерение существенно меньше двух других), при нагруже нии ЭКП растяжением (сжатием), сдвигом или изгибом в ее условной плоскости (см. определение далее), отдельные конструктивные элементы ЭКП работают в условиях простых деформаций растяжения (сжатия) или сдвига. ЭКП имеет высо кую жесткость в случае приложения к ней нагрузок в ее условной плоскости и имеет очень низкую (сравнительно) жесткость при приложении к ней нагрузок, перпендикулярных к ее поверхности. Данное определение проиллюстрировано на рис. 2.1.1. и рис. 2.1.2.

б) а) Рис. 2.1.1. Иллюстрация понятия ЭКП и не ЭКП по деформации конструкции под сдвиговой нагрузкой:

а) пример ЭКП;

б) пример не ЭКП На рис. 2.1.1 приведен пример двух практически идентичных секций бокови ны автобуса. Отличие между ними заключается в том, что на рис. 2.1.1(а) изобра жена секция боковины с вклеенными в нее стеклами, а на рис. 2.1.1(б) – без сте - 28 кол или со стеклами, установленными на резиновый уплотнитель. При этом сек ция боковины (а) является ЭКП, т.к. при нагружении ее в данном случае сдвиго вой нагрузкой все входящие в нее конструктивные элементы находятся в услови ях простых деформаций растяжения (сжатия) или сдвига. Деформации относи тельно равномерно распределены по конструктивным элементам. Секция бокови ны (б) не является ЭКП, т.к. при воздействии на нее нагрузки стойки подвержены изгибу на пролете оконных проемов. На изгибаемые элементы приходится боль шая часть деформаций секции. В данном примере, при прочих равных условиях, секция, являющаяся ЭКП, будет многократно жестче, чем секция, не являющаяся ЭКП.

Для большинства плоских расчетных схем можно использовать следующее условие, чтобы определять, является конструкция ЭКП или нет: если в узлах кар касной части конструкции установить шарниры, то ЭКП останется геометрически неизме няемой, а не ЭКП превратится в шарнирный механизм. Это условие является необхо димым, но не является достаточным, т.к. можно привести такие примеры не ЭКП, при установке шарниров в узловые точки каркасной части которых, они остаются геометрически неизменяемыми.

а) б) Рис. 2.1.2. Иллюстрация жесткостных свойств ЭКП:

нагрузка приложена а) в условной плоскости ЭКП;

б) перпендикулярно поверхности ЭКП - 29 На рис. 2.1.2 изображен пример двух идентичных секций боковины автобуса, являющихся ЭКП. На рис. 2.1.2(а) ЭКП нагружена усилиями в ее условной плос кости. При этом деформации относительно малы, ЭКП находится в рациональных условиях прочностной работы (см. определение далее). На рис._2.1.2(б) ЭКП на гружена усилиями, перпендикулярными к ее поверхности. При этом деформации велики, ЭКП не находится в рациональных условиях прочностной работы, ряд ее конструктивных элементов подвержен изгибу. Сказанное можно перефразировать следующим образом: при нагружении ЭКП в ее условной плоскости она способна при относительно небольших деформациях создать значительные усилия сопро тивления;

при нагружении ЭКП в направлении перпендикулярном ее поверхности она не способна создать значительных усилий сопротивления при небольших де формациях. Это положение важно с позиций совместной работы нескольких ЭКП в кузове автобуса, назовем его «положением о совместной работе ЭКП».

Условная плоскость ЭКП совпадает с плоскостью ЭКП в виде пластины, для ЭКП в виде пологой оболочки условная плоскость перпендикулярна вектору изгибающего момента, при приложении которого к ЭКП она имеет наибольшую изгибную жесткость. Обычно данная плоскость содержит наиболее длинные хор ды данной оболочки или параллельна им. Иллюстрация к данному определению приведена на рис. 2.1.3.

ЭКП находится в рациональных условиях прочностной работы, если она не подвержена действию нагрузок, вызывающих ее деформирование глав ным образом в направлении, перпенди кулярном ее поверхности.

Следует также иметь ввиду, что структурная единица может являться Рис. 2.1.3. ЭКП в виде пологой оболочки ЭКП при малых нагрузках, действую щих в ее условной плоскости, и не являться таковой при больших. Например, это может объясняться возможностью релаксации оболочек, входящих в состав - 30 структурной единицы, за счет их поперечной деформации при нагружении в ус ловной плоскости ЭКП, т.е. за счет ограниченной потери устойчивости оболочек, когда большая часть нагрузки перераспределяется на балки каркаса, вызывая их изгиб. Назовем такую ситуацию «разрушением ЭКП».

Согласно исследованию автора диссертации [20], потеря устойчивости иде ально плоских кузовных обшивок при реальных размерах пролетов между под крепляющими элементами и реальных толщинах обшивок может происходить при достаточно низких значениях действующих сдвигающих напряжений (~5_МПа). В реальности обшивки могут иметь локальные несовершенства (вол нистости), которые существенно снижают критические напряжения потери ус тойчивости. Также фактором, снижающим сопротивляемость поперечным дефор мациям, служит присущая большинству кузовных конструкций (прежде всего, ав тобусным кузовам) особенность, что обшивки крепятся к подкрепляющим эле ментам с одной боковой стороны, т.е. эксцентрично, что при воздействии нагруз ки приводит к появлению момента, скручивающего подкрепляющие элементы и, как результат, деформирующего обшивки в поперечной плоскости.

Как известно, при нагружении, например, прямоугольной обшивки сдвигаю щими усилиями, одна ее диагональ воспринимает сжатие, другая – растяжение. В первую очередь указанные выше факторы относятся к потере жесткости сжатой диагонали обшивки, однако, скручивание подкрепляющих элементов и отличие формы обшивки от плоской могут привести также к существенной релаксации растянутой диагонали. Иллюстрации к приведенным положениям показаны на рис. 2.1.4.

Таким образом, все ЭКП можно разделить на два типа: надежные и нена дежные. Надежные ЭКП – это такие, которые во всем рассматриваемом диапа зоне нагрузок не подвержены эффекту разрушения ЭКП. Ненадежные ЭКП, со ответственно, подвержены этому эффекту в рассматриваемом диапазоне нагрузок.

Несколько различных вариантов ненадежных и надежных ЭКП приведены на рис._2.1.5.

- 31 а) б) Рис. 2.1.4. Примеры механизмов релаксации кузовных обшивок:

а) плоская обшивка;

б) обшивка, имеющая кривизну На рис. 2.1.4 справа сплошной линией показана недеформированная диаго наль обшивки, а пунктирной – деформированная. Размеры условно показывают деформацию диагонали обшивки при нагружении.

а) б) г) в) Рис. 2.1.5. Надежные и ненадежные ЭКП:

а) рамка каркаса с тонкой обшивкой;

б) рамка каркаса с толстой обшивкой;

в) стержневая ферма;

г) трехслойная панель На рис. 2.1.5(а) изображена секция кузова автобуса, представляющая собой рамку из стержневых элементов, к которым прикреплена (наклеена, приварена, приклепана) тонкостенная обшивка (лист стали, алюминия, стеклопластика). На - 32 рис. 2.1.5(б) изображена аналогичная варианту (а) секция с толстостенной обшив кой (стекло, бакелитизированная фанера). На рис. 2.1.5(в) изображена секция в виде стержневой фермы. На рис. 2.1.5(г) изображена сэндвич-панель. В практике проектирования автобусных кузовов варианты (б), (в) и (г) могут считаться на дежными ЭКП, вариант (а) в ряде случаев может быть подвержен эффекту разру шения ЭКП, т.е. может быть ненадежным (см. п. 2.2.3).

2.1.2. Определение кузова автобуса типа «монокок» и его особенности Для простоты описания схематизируем структуру кузова автобуса геометри чески в виде бруска, а механически – в виде набора основных структурных еди ниц. На первом этапе при анализе по методу ЭКП Я. Павловского [53] кузов авто буса обычно разбивают на следующие структурные единицы: основание, крыша, левая и правая боковины, передняя и задняя стенки. Количество структурных еди ниц, на которые схематично разделяется автобусный кузов при анализе, опреде ляется желаемой подробностью данного анализа и точностью результатов. Далее определяют, являются выделенные структурные единицы ЭКП или нет.

Кузов-монокок – кузов, являющийся замкнутой системой надежных ЭКП.

Замкнутая система ЭКП – система ЭКП, в которой при воздействии на нее скручивающей нагрузки все отдельные ЭКП находятся в рациональных условиях прочностной работы. Иллюстрация к данному определению приведена на рис._2.1.6 и рис._2.1.7.

На рис. 2.1.6. изображен кузов автобуса, являющийся замкнутой системой ЭКП («монокок»), подверженный нагрузочному режиму кручения. Деформиро ванная форма структурных единиц изображена зеленым пунктиром. Внутренние усилия изображены короткими красными стрелками, внешняя нагрузка – длин ными синими стрелками. Взаимодействие между отдельными ЭКП условно пред ставлено в виде равномерно распределенной по линиям контакта касательной на грузки. Указанное состояние с достаточной точностью отражает действитель ность, если не углубляться во внутреннюю механику прочностной работы каждой отдельной ЭКП, в чем на данном этапе нет необходимости. По положению о со - 33 вместной работе ЭКП сопротивление конструкции будет обеспечиваться именно таким образом. Направление усилий взаимодействия между отдельными ЭКП оп ределяется из рассмотрения равновесия каждой структурной единицы (закон пар ности касательных усилий [78]). При этом все основные структурные единицы ку зова нагружены сдвиговой нагрузкой в своей условной плоскости, т.е. находятся в рациональных условиях прочностной работы – механизм сопротивления 1.


На рис. 2.1.7. изо бражен кузов автобуса, не являющийся замк нутой системой ЭКП:

его передняя стенка не является ЭКП (напри мер, лобовое стекло установлено на подат ливый резиновый уп лотнитель). Кузов, как и в предыдущем слу чае, нагружен крутя щим моментом. Взаи Рис. 2.1.6. Кузов, являющийся замкнутой системой ЭКП модействие между от дельными структурными единицами здесь для простоты восприятия изображено в виде сил, приложенных к их углам. Взаимодействие в виде касательных усилий, направленных вдоль сторон структурных единиц, как это было в предыдущем примере, в данном случае невозможно в силу того, что передняя стенка не являет ся ЭКП, следовательно, ее способность сопротивляться сдвиговой нагрузке мала по сравнению со сдвиговой жесткостью соседних ЭКП. Вследствие чего, можно считать, что значительные касательные усилия на сторонах передней стенки не возникают. По закону парности касательных усилий, не возникают они и на сто ронах остальных структурных единиц.

- 34 Таким образом, тот факт, что передняя стенка фактически не может воспринимать сдвигающую нагрузку по сравнению с другими структурными единицами (т.к. не является ЭКП), принципиально меняет механику прочностной работы всего кузова. В данном слу чае передняя и задняя стенки фактически исключаются из процесса сопротивле ния деформированию (по идеализированной теории), хотя они по-прежнему мо гут участвовать в процессе передачи и распределения нагрузки на другие струк турные элементы.

Сопротивление внешней скручи вающей нагрузке в кузове, не являю щимся замкнутой системой ЭКП, осу ществляется пре имущественно за счет скручивания его отдельных структурных еди ниц. В рассматри ваемом случае это скручивание осно вания, крыши и бо- Рис. 2.1.7. Кузов, не являющийся замкнутой системой ЭКП ковин. Также со противление возникает за счет изгибной деформации поперечных секций кузова (шпангоутов). В рассматриваемом примере передняя стенка претерпевает сущест венную изгибную деформацию. Задняя стенка, которая в данном случае является ЭКП, поворачивается, не претерпевая существенных деформаций. Все ЭКП кузо ва, не являющегося замкнутой системой (незамкнутого кузова), при нагружении его скручивающим моментом не находятся в рациональных условиях прочност ной работы (по идеализированной теории) – механизм сопротивления 2.

- 35 На практике для незамкнутого кузова одновременно реализуются оба указан ных механизма сопротивления скручиванию. Для кузова типа «монокок» преоб ладает механизм 1, для незамкнутого кузова он ограничивается величиной каса тельных усилий, которые может создать «не ЭКП» при имеющейся величине де формаций. Т.е. для незамкнутого кузова имеет место суперпозиция механизмов сопротивления 1 и 2.

Таким образом, рассматривая равновесие каждой отдельной ЭКП кузова, можно сделать следующий вывод: при нагружении кузова автобуса скручивающим моментом, если хотя бы одна грань условного параллелепипеда, образующего кузов, не является ЭКП, то все грани данного параллелепипеда не находятся в рациональных усло виях прочностной работы, что следует из положения о совместной работе ЭКП.

При нагружении безлонжеронного кузова изгибом на длине базы, конструк тивные требования, необходимые для обеспечения правильной механики его ра боты, несколько мягче, чем для скручивания. Главную роль при продольном из гибе кузова играют боковины. Передняя и задняя стенки в данном случае практи чески не участвуют в процессе восприятия нагрузки. Степень вовлеченности ос нования и крыши в восприятие изгиба кузова вдоль продольной оси («продольно го изгиба») зависит от способности боковин, основания и крыши воспринимать сдвигающую нагрузку. Практически это означает следующее: если боковина, ос нование и крыша являются ЭКП, то основание и крыша участвуют в восприятии изгиба кузова, если не являются – не участвуют. Отличия в механике работы структурных единиц кузова, являющихся и не являющихся ЭКП, при продольном изгибе показаны на рис. 2.1.8 и рис. 2.1.9.

На рис. 2.1.8 изображен кузов автобуса, состоящий из ЭКП, подверженный продольному изгибу на длине базы. Нагрузка – давление от веса пассажиров, рас пределенное по основанию кузова. Зеленым пунктиром условно показаны дефор мации структурных элементов, прогиб основания в поперечном направлении от приложенной нагрузки условно не показан, т.к. не оказывает влияния на рассмат риваемую ситуацию;

синим пунктиром – поворот передней и задней стенок без - 36 существенного деформирования;

красная штриховка – приблизительные эпюры нормальных напряжений (укрупненно) в структурных единицах.

Механика прочно стной работы кузова, состоящего из ЭКП, при его продольном из гибе близка к механике прочностной работы тонкостенного профиля замкнутого сечения, находящегося в анало гичных условиях за крепления и нагруже ния. При этом с доста точной для предвари Рис. 2.1.8. Изгиб кузова, состоящего из ЭКП тельного расчета точ ностью при определении величин нормальных напряжений можно считать спра ведливой гипотезу плоских сечений. Кривизна эпюры нормальных напряжений в основании и крыше, показанная на рис. 2.1.8, при этом не учитывается. Влияние данного допущения на точность расчета в основном зависит от способности осно вания и крыши передавать сдвигающую нагрузку. В случае если основание и крыша выполнены в виде трехслойных панелей, указанное уменьшение точности можно считать достаточно малым. Линейность эпюры нормальных напряжений в боковине в основном зависит от способности боковины передавать сдвигающую нагрузку.

При более детальном рассмотрении структурных единиц, эпюры нормальных напряжений в них будут отличаться от указанных на рис 2.1.8 в силу неравномер ности распределения материала, различия свойств материалов составных частей внутри каждой структурной единицы и различия свойств материалов отдельных структурных единиц. На данном этапе это не учитываем, т.к. принадлежность или - 37 не принадлежность структурной единицы к ЭКП оказывает существенно большее влияние на механику ее прочностной работы.

На рис. 2.1.9 изо бражен кузов автобуса, основание, крыша и боковины которого не являются ЭКП. Приме ром такой ситуации может случить кузов, у которого боковое ос текление установлено на податливый резино вый уплотнитель, фа нерный настил пола не приклеивается к сило Рис. 2.1.9. Изгиб кузова, состоящего из не ЭКП вым элементам основа ния, стеклопластиковая обшивка крыши вклеивается таким образом, что не обес печивает существенной сдвиговой жесткости. В рассматриваемом примере боко вина изображенного кузова не является ЭКП в целом, однако ее подоконная и на доконная части являются ЭКП (структура аналогична показанной на рис. 2.1.1(б)).

Условия закрепления и нагружения аналогичны ситуации, изображенной на рис. 2.1.8. Условные обозначения и допущения, принятые для данного рисунка, идентичны тем, что были приняты для рис. 2.1.8. Несущие конструкции основа ния и крыши в рассматриваемом примере приняты в виде каркаса из продольных и поперечных связей, которые отображены тонкими черными линиями. Оболочки основания и крыши в данном случае практически не влияют на прочностную ра боту каркаса. Такая ситуация может возникать, например, в случае применения фанерного настила пола, который не приклеивается к каркасу или крепится к не му в ограниченном числе точек, или стеклопластиковой оболочки крыши, вклеи ваемой только по периметру.

- 38 При рассмотрении механики кузова, состоящего из не ЭКП, следует отметить наличие существенной депланации его поперечных сечений. Укрупненные эпюры нормальных напряжений в основных структурных единицах существенно не ли нейны, следовательно, гипотеза плоских сечений для определения величин нор мальных напряжений здесь принципиально не применима. Указанная депланация возникает в результате изгиба таких элементов конструкции, как оконные и двер ные стойки, поперечины основания и крыши. Ввиду этого, предварительный рас чет кузова, состоящего из не ЭКП, существенно сложнее, чем для кузова, состоя щего из ЭКП.

В рассматриваемом примере давление, действующее на поверхность основа ния, передается поперечинами основания на подоконную часть боковин, вызывая их изгиб в продольном направлении. Боковины, в свою очередь, передают данную нагрузку на подрамники подвески. Надоконные части боковин включаются в ра боту очень слабо, т.к. нагрузка на них передается через изгибные элементы низ кой жесткости (оконные и дверные стойки), которые просто не способны передать большое сдвиговое усилие при имеющейся величине деформации. Из всей массы основания и крыши в восприятии продольного изгиба в значимой степени участ вуют только их крайние продольные связи. Остальные продольные связи остают ся практически не нагруженными общим изгибом кузова, т.к. нагрузка на них пе редается через изгибные элементы низкой жесткости (поперечины основания и крыши). Передняя и задняя стенки кузова депланируют в соответствии с дефор мациями остальных структурных элементов, т.е. также, как и все остальные структурные элементы кузова, не находятся в рациональных условиях прочност ной работы.

Следует отметить, что ввиду указанных отличий в механике прочностной ра боты, кузов-монокок при прочих равных условиях может иметь жесткость в 7– раз выше, чем кузов, состоящий из не ЭКП. Такая «врожденная» жесткость по зволяет эффективно применять высокопрочные материалы, что дает возможность существенного снижения собственной массы кузова. В качестве примера можно привести кузов автобуса [85], [86], [17], разработанный и изготовленный фирмой - 39 Autokinetics (США) в 2004–2006 годах. В качестве основного материала кузова была применена холоднотянутая нержавеющая сталь с пределом текучести по рядка 800 МПа. Полученный кузов имел первую собственную частоту крутиль ных колебаний около 27 Гц (общее скручивание кузова), для сравнения, обычные кузова каркасной конструкции имеют первую крутильную частоту в диапазоне 10–15 Гц [49]. При этом его собственная масса была на 60% ниже, чем масса кар касного кузова автобуса равной пассажировместимости.

2.1.3. Пример конструкции кузова типа «монокок» с основанием и крышей в виде сэндвич-панелей с ребристым средним слоем Пример структуры кузова современного низкопольного автобуса показан на рис. 2.1.10. Предложенный вариант кузова состоит из 10 основных составных час тей: заднего и переднего подрамников подвески 1 и 2, панели основания пасса жирского отделения 3, панели основания переднего свеса 4, панели крыши 5, не сущих передней и задней стенок пассажирского отделения 6 и 7, не несущей зад ней стенки моторного отделения 8, правой и левой боковин 9 и 10.

Т.к. технологически трехслойные панели наиболее просто можно изготавли вать в виде плоских прямоугольных плит, то они применены в качестве элемен тов, образующих основание и крышу автобусного кузова. Относительно прочих структурных групп кузова можно сказать следующее: анализируя их конструк цию, можно отметить, что боковины, передняя и задняя стенки, как правило, имеют остекление, что подразумевает наличие оконных стоек. В случае изготов ления, например, подоконных и надоконных секций боковин в виде трехслойных панелей, возникает проблема заделки оконных стоек в примыкающие трехслой ные панели, что, в результате, может свести к нулю выигрыш в собственной массе конструкции, полученный от их внедрения. Также наличие остекления сущест венно уменьшает площадь, которую могут занимать трехслойные панели, следо вательно, уменьшается и эффект от их внедрения. Передняя и задняя стенки авто буса, как правило, имеют более сложное, чем боковины, плоское основание и крыша, пространственное строение, поэтому площадь плоских участков, на кото - 40 рых возможно применение трехслойных панелей, относительно мала, следова тельно, мал и эффект от их внедрения. Также существует проблема крепления пассажирских сидений, которая для автобуса I класса [63], [64] наиболее просто решается, если основание или боковины имеют каркасное строение. Таким обра зом, для боковин, передней и задней стенок автобусного кузова на данном этапе предлагается придерживаться традиционной каркасной схемы, т.к. это является более простым и дешевым в изготовлении вариантом. В поддержку данной точки зрения служат работы [16], [41].

Рис. 2.1.10. Структура современного низкопольного кузова автобуса Возвращаясь к варианту конструкции, изображенному на рис. 2.1.10, можно отметить некоторые его особенности. Подрамники задней и передней подвески и 2 являются элементами, интегрированными в структуру основания кузова авто буса. Они состоят из балочного каркаса (соответствует толстым линиям на рисун ке), несущих колесных ниш, сформированных из относительно толстых листов, и усиленной сэндвич-панели подрамника, образующей поверхность пола пассажир ского салона на участке подрамника и привносящей дополнительную поперечную изгибную жесткость в конструкцию подрамника. На рис. 2.1.10 серая заливка обо значает наличие несущего листового материала, серая штриховка на сэндвич панелях основания и крыши показывает ориентацию ребер среднего слоя. Более - 41 подробные примеры конструкции подрамников подвески изображены на рис._2.1.11 [85], [86], [17].

б) а) Рис. 2.1.11. Примеры конструкции подрамника подвески [85]:

а) подвесочный узел;

б) подрамник в сборе Подрамники подвески являются единственными элементами структуры рас сматриваемого кузова, воспринимающими «глобальную» весовую нагрузку всего автобуса и работающими на изгиб в поперечной плоскости. Это состояние явля ется вынужденным, т.к. пока нет приемлемых компоновочных решений, позво ляющих сконструировать подрамники из ЭКП в рациональных условиях прочно стной работы. Ввиду указанных причин подрамники подвески имеют в своей кон струкции мощные балки и усиленную сэндвич-панель.

Сэндвич-панели основания и крыши 3 и 5 в положении, показанном на ри сунке, имеют высокую изгибную жесткость в направлении оси 2 и относительно низкую жесткость в направлении оси 1. При восприятии нагрузок данные панели опираются, в основном, на боковины как наиболее жесткие в вертикальной плос кости элементы структуры, обеспечивающие минимальный пролет между опора ми. Этими факторами обуславливается выбранная ориентация ребер среднего слоя сэндвич-панелей. Однако в полной мере указанные условия реализуются только при наличии достаточно мощных поясов боковин (нижнего и верхнего).

Панель основания переднего свеса 4 может опираться как на боковины, так и на переднюю стенку и подрамник подвески. На рис. 2.1.10 показан случай ориента ции ребер среднего слоя панели, соответствующий опиранию на переднюю стен ку и подрамник подвески. Опирание панелей вдоль двух других сторон играет - 42 менее значительную роль, т.к. жесткость ребристой трехслойной панели в на правлении поперек ребер среднего слоя существенно ниже, чем в направлении вдоль ребер;

таким образом, можно считать, что панели находятся в условиях ци линдрического изгиба.

Стенки кузова 6 и 7 являются несущими и активно участвуют в восприятии скручивающего момента, действующего на кузов. Стенка 8 и задние части боко вин, принадлежащие моторному отделению, не являются ЭКП и практически не участвуют в восприятии «глобальных» нагрузок, что позволяет сделать в них не обходимое количество дверей и люков для доступа в моторное отделение.

Боковины 9 и являются основными несущими элемента ми кузова, воспри нимающими и рас пределяющими на грузку. Стекла явля ются неотъемлемой частью несущей Рис. 2.1.12. Перспективный дизайн боковин автобуса структуры боковин и передней стенки. При этом при повреждении стекол имеется опасность возникно вения повреждений в несущей системе кузова. Для снижения указанного риска существуют попытки замены стекол на менее хрупкие и гораздо более легкие листы поликарбоната [17] или же внедрения конструкции боковин, существенно снижающей несущую роль стекол (см. рис. 2.1.12) [58], [60].

2.1.4. Анализ основных нагрузочных режимов несущего кузова типа «монокок» с основанием и крышей из сэндвич-панелей Далее будут более подробно рассмотрены основные нагрузочные ситуации для рассматриваемого кузова автобуса, такие как торможение, боковое скольже ние, скручивание кузова и продольный изгиб на длине базы.

- 43 Торможение и боковое скольжение автобуса. Схема передачи инерцион ных усилий от полезной нагрузки на подрамники подвески и далее на колеса при торможении автобуса показана на рис. 2.1.13.

Схема передачи инерционных усилий от полезной нагрузки на подрамники подвески и далее на колеса при бо ковом скольжении авто буса показана на рис._2.1.14.

Наиболее значи мыми несущими эле ментами конструкции Рис. 2.1.13. Передача инерционных усилий при рассматриваемых при торможении режимах нагружения являются подрамники подвески, панели осно вания и боковины кузо ва. Панели крыши, пе редняя и задняя несу щие стенки кузова мало включаются в процесс передачи усилий в дан ных случаях, поэтому на рисунках они услов но не показаны.

На рис. 2.1.13 и Рис. 2.1.14. Передача инерционных усилий 2.1.14 красными стрел при боковом скольжении ками показана инерци - 44 онная нагрузка, действующая на панели основания от пассажиров автобуса. Наи большее ее значение составляет µ p, где µ – коэффициент сцепления колес с до рогой, а p – давление со стороны пассажиров на панели основания. Согласно (4.2.3), p = 0,00534 _МПа;

максимальное значение µ, соответствующее сцеплению колес с сухим асфальтом можно принять на уровне 0,8. Синими стрелками пока заны основные внутренние усилия взаимодействия между отдельными структур ными элементами кузова при рассматриваемом режиме нагружения. Дополни тельные второстепенные усилия взаимодействия между структурными элемента ми не показаны, чтобы не загромождать рисунки.

Как видно из рис. 2.1.13 и 2.1.14, более нагруженным случаем для главной трехслойной панели основания (поз. 3 на рис. 2.1.10) является режим бокового скольжения, т.к. при равной внешней нагрузке основные сдвигающие усилия со противления возникают на коротких сторонах панели (показаны зеленым цветом на рис. 2.1.14).

Определим величину касательных напряжений, возникающих в обшивках трехслойной панели основания 10-метрового автобуса, у которого длина главной панели основания составляет 6 м, ширина 2,3 м, толщины стальных обшивок па нели основания 1,2 мм и 0,9 мм соответственно.

F µ p Д 0,8 0,00534 = = = = 12,2 МПа, (2.1.1) A s1 + s 2 1,2 + 0, где – величина касательных напряжений, действующих по краям короткой сто роны главной панели основания;

F – инерционное усилие;

A – площадь се чения обшивок;

Д – длина главной панели основания;

s1, 2 – толщины верхней и нижней обшивки трехслойной панели основания соответственно.

Скручивание кузова автобуса. Случай нагружения кузова скручивающей нагрузкой показан на рис. 2.1.15. Внешние для кузова усилия изображены крас ными стрелками, внутренние усилия сопротивления – синими стрелками.

Для простоты дальнейших вычислений условно считаем кузов параллелепи педом. Наличием колесных ниш и, как результат, перераспределением сдвигаю щей нагрузки по панели основания и нижней части боковин пренебрегаем в силу - 45 того, что данное допущение не меняет механики прочностной работы кузова в це лом. На рис. 2.1.15 обозначено: Б – колесная база автобуса;

К – колея;

X, Z, L – геометрические размеры кузова;

R – внешняя нагрузка на колесе;



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.