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:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |

«Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. ...»

-- [ Страница 3 ] --

0,1036 0, Масштаб плотности ТК: ватман Производные соотношения 0,1 0, Масштаб линейной деформации 1,0 1, Масштаб угловой деформации 1,036E-04 1,074E- Масштаб массы Масштаб нагрузки (момента) 1,089E-05 1,276E- 1,089E-02 1,276E- Масштаб давления 1,089E-03 1,276E- Масштаб жесткости линейной 1,089E-05 1,276E- Масштаб жесткости крутильной При изготовлении масштабных макетов основной соединительной операцией являлось склеивание, для которого использовался жидкий канцелярский клей ПВА-М и твердый канцелярский клей-карандаш. Также в процессе склеивания могли применяться дополнительные соединительные косынки из того же мате риала, что и соединяемые детали. Оценить степень соответствия изготовленных масштабных макетов CAD-моделям можно по их массе. Массовые характеристики макетов приведены в табл. 2.3.3. Взвешивание производилось на электронных ве сах с диапазоном измерения 5 кг и минимальным делением 1 г поочередно для передней и задней осей макетов. Для получения величины массы макета показа ния для передней и задней осей суммировались. Протокол взвешивания изготов ленных масштабных макетов приведен в табл. Д.1 (см. прил. Д).

Отличие массы масштабных макетов от значений по CAD-моделям в основ ном включает: 1) массу клея, использованного при сборке;

2) массу дополнитель ных соединительных косынок. В масштабном макете кузова типа «монокок» ос - 101 новная масса клея концентрируется в местах соединения обшивок трехслойных панелей со средним слоем.

Таблица 2.3.3.

Массовые характеристики макетов Характеристика МК ТК Комментарий Масса по CAD-модели, г 321 323 с учетом опорных кронштейнов 355 Масса измеренная, г 5 Погрешность абсолютная, г 1,0 1, Среднекв. отклонение, г Погрешность относительная, % 1,2 1, Отличие от CAD-модели, % 10,6 5, Как видно из табл. 2.3.3, отличие массы масштабных макетов от соответст вующих значений по CAD-моделям не превышает 11%, что можно считать удов летворительным. Т.к. клей и дополнительные соединительные элементы концен трируются в узлах конструкций (местах соединения), т.е. не распределены по длине силовых элементов, их влияние на общую жесткость данных конструкций минимально. Исключение составляют места соединения обшивок трехслойных панелей со средним слоем в макете кузова типа «монокок», что влияет на изгиб ную жесткость данных панелей на пролете между боковинами. Поэтому при об работке результатов соответствующих испытаний вводится корректировка, учи тывающая влияние клеевого слоя на изгибную жесткость трехслойных панелей.

Как видно из рис. 2.3.6 и рис. 2.3.7, в конструкции макетов используются спе циальные установочные кронштейны, которые передают реакцию со стороны опорной поверхности на кузов и распределяют ее таким образом, как бы это при мерно осуществлялось направляющим аппаратом и упругими элементами подве сок реальных автобусов.

2.3.3. Характеристики применяемых конечно-элементных моделей Для расчетов прочности и жесткости рассматриваемых кузовных конструк ций по методу конечных элементов применялись расчетные модели, показанные на рис. 2.3.8 и рис. 2.3.9. Основные параметры данных моделей приведены в табл. 2.3.4.

- 102 б) а) в) Рис. 2.3.8. Конечно-элементная модель кузова типа «монокок»:

а) модель целиком;

б) увеличение прямоугольника 1;

в) увеличение прямоугольника б) а) в) Рис. 2.3.9. Конечно-элементная модель кузова традиционной конструкции:

а) модель целиком;

б) увеличение прямоугольника 1;

в) увеличение прямоугольника Таблица 2.3.4.

Основные параметры конечно-элементных моделей КТИТЭ* N ст Кузов Тип КЭ Кол. узлов, млн. Кол. КЭ, млн.

стенка панели: 6;

стенка трубы: 4;

S4 1,566 1,632 МК листовая обшивка: стенка трубы: 5;

S4 1,350 1,359 ТК листовая обшивка: *КТИТЭ – Количество точек интегрирования по толщине элемента - 103 В табл. 2.3.4 обозначено: КЭ – конечный элемент;

N ст – количество КЭ по ширине стенки конструктивного элемента. В качестве такой стенки можно рас сматривать стенку трубы, ребро среднего слоя трехслойной панели или часть об шивки трехслойной панели между двумя соседними ребрами среднего слоя и т.п.

Для кузова типа «монокок» при моделировании трехслойных панелей пара метр N ст принимал значение шесть и более, чтобы в процессе расчета можно было зафиксировать возникновение локальной потери устойчивости тонкостенных де талей конструкции. Трубы каркасов боковин, передка, задка и стенки моторного отделения в кузове типа «монокок» работают в основном на растяжение-сжатие, поэтому для них данный параметр был уменьшен до четырех. В кузове традици онной конструкции большинство труб каркаса работают на изгиб, однако, ло кальной потери устойчивости стенками труб не ожидается, вследствие чего зна чение параметра N ст было взято равным пяти. Для листовых обшивок рассматри ваемых кузовов данный параметр принимал значение 20 и более, т.к. для них по перечная релаксация в результате локальной потери устойчивости наиболее ха рактерна и ожидаема.

Соединение конструктивных элементов в рассматриваемых конечно элементных моделях в пределах отдельной структурной единицы (боковина, кры ша и т.п.) производилось по принципу «узел в узел». Соединение структурных единиц между собой производилось с использованием «Tied contact».

2.3.4. Испытательный стенд Для испытаний масштабных макетов рассматриваемых кузовных конструк ций был спроектирован и изготовлен специальный испытательный стенд. Данный стенд имеет возможность перенастройки, поэтому позволяет производить испы тания на закручивание и на изгиб указанных масштабных макетов, которые раз личны по своей конструкции.

- 104 Внешний вид изготовлен ного испытательного стенда, на строенного для испытания на закручивание масштабного ма кета кузова традиционной кон струкции, показан на рис. 2.3.10.

Внешний вид испытательного стенда в его различных конфи- Рис. 2.3.10. Стенд для испытания масштабных макетов кузовов гурациях показан на рис. 2.3.11.

Размещение индикаторов часового типа таково, что оно соответствует положению определенных точек на конечно-элементной модели рассматриваемого кузова, для которых ведется запись перемещений в процессе деформирования.

Перечень измерительных приборов, задействованных в данном испытатель ном приспособлении, приведен в табл. 2.3.5.

Таблица 2.3.5.

Перечень измерительных приборов Наименование: ИЧ-10 ИЧ-2 ИРБ Весы электронные 0,01 мм 0,01 мм 0,01 мм 1г Мин. цена деления:

10 мм 2 мм 0,8 мм 5 кг Диапазон измерения:

577-68 577-68 5584-75 ГОСТ:

Процесс испытания масштабного макета кузова на закручивание на дан ном испытательном стенде производится следующим образом: 1) макет устанав ливается на поворотные площадки;

2) опорные кронштейны макета закрепляются на поворотных площадках при помощи фиксаторов;

3) щупы измерительных ин дикаторов подводятся к конструкции макета;

4) с помощью нагружающего винта производится поворачивание передней площадки;

5) усилие сопротивления кузо ва закручиванию фиксируется при помощи электронных весов;

6) перемещения точек на конструкции макета фиксируются при помощи индикаторов.

- 105 а) б) в) г) Рис. 2.3.11. Стенд для испытания масштабных макетов автобусных кузовов:

а) МК, закручивание;

б) ТК, закручивание;

в) МК, изгиб;

г) ТК, изгиб.

На поз. (а): 1) корпус стенда;

2) передняя поворотная площадка;

3) нагружающий винт;

4) ИЧ-10;

5) регулируемая опора;

6) ИЧ-2;

7) планка;

8) электронные весы: 5 кг / 1 г;

9) фиксатор опоры кузова;

10) поворотная петля;

11) задняя поворотная площадка. На поз. (в): 12) ИРБ Процесс испытания масштабного макета кузова на изгиб на рассматривае мом испытательном приспособлении производится следующим образом: 1) пово ротные площадки стенда фиксируются в горизонтальном положении;

2) макет ус танавливается на поворотные площадки;

3) опорные кронштейны макета фикси руются на поворотных площадках при помощи фиксаторов;

3) щупы измеритель ных индикаторов подводятся к конструкции макета;

4) макет поэтапно нагружает ся при помощи грузов, равномерно распределяемых по поверхности его основа - 106 ния;

5) вес устанавливаемых грузов предварительно измеряется при помощи элек тронных весов;

6) перемещения точек на конструкции макета измеряется при по мощи индикаторов.

2.3.5. Результаты расчетов собственных форм и частот Собственные частоты и формы колебаний являются важными показателями, дающими представление о соотношении массовых, инерционных и жесткостных характеристик рассматриваемой конструкции. Анализ собственных форм колеба ний является мощным инструментом при рассмотрении механики деформирова ния конструкции и выявлении ее особенностей и слабых мест.

Для прототипов кузовов, изучаемых в рамках данной работы, расчет собст венных частот производился по методу конечных элементов с применением под робных КЭ-моделей, описанных в п. 2.3.3. При проведении указанных расчетов полезная нагрузка на основание автобуса со стороны пассажиров преобразовыва лась в массу по следующей зависимости:

m = G/g, (2.3.1) где G – весовая нагрузка со стороны пассажиров;

g – ускорение свободного па дения;

m – нагрузка, преобразованная в массу.

Для кузова типа «монокок» данная масса равномерно распределялась по по верхности верхней обшивки панелей основания. Для кузова традиционной конст рукции масса распределялась по поверхностям верхних полок силовых элементов основания. Масса не распределялась по поверхности настила пола кузова тради ционной конструкции (как могло бы показаться более реалистично), т.к. множест венные низкие частоты колебаний настила пола не представляют интереса для ав тора. Интерес в данном случае представляют так называемые «фундаментальные»

формы колебаний, соответствующие следующим ситуациям: 1) прогиб основания на пролете между боковинами / на длине базы;

2) изгибный прогиб кузова в це лом;

3) крутильная деформация кузова в целом.

- 107 Результаты расчета собственных форм и частот для кузова типа «монокок»

приведены на рис. 2.3.12 – рис. 2.3.16. На указанных рисунках принята следую щая цветовая шкала: увеличение перемещений конструкции от синего к красному.

а) б) в) Рис. 2.3.12. МК, 14,7 Гц: прогиб основания на пролете между боковинами и первая изгибная форма кузова в целом (увеличенный масштаб деформаций):

а) вид спереди;

б) вид справа;

в) вид 3/ На рис. 2.3.12 – рис. 2.3.16 листовые облицовки кузова не показаны для улуч шения наглядности изображений (лучшего раскрытия деформаций каркаса).

Наличие такого количества собственных форм, соответствующих прогибу основания на пролете между боковинами (см. рис. 2.3.13 и рис. 2.3.15), подтвер ждает важность указанного деформированного состояния для данной конструк ции кузова.

Фундаментальная собственная форма кузова (см. рис. 2.3.12) совмещает в себе про гиб основания на пролете между боковинами и изгибную форму кузова в целом. В данном случае это обусловлено изгибной деформацией боковин в направлении оси Y (см.

рис. 2.3.12(в)), имеющей место при прогибе основания. Указанная особенность может быть названа слабостью данной конструкции кузова, т.к. в полной мере не обеспечивается механика прочностной работы при изгибе, показанная на - 108 рис. 2.1.8. Влияние указанного недостатка может быть снижено путем уменьше ния моментной связи между основанием и боковинами (момент относительно оси X), а в идеале путем перехода к шарнирной связи, т.е. путем создания конструк ции, для которой k Р = 0 (см. п. 4.2.1.1). Сказанное описывает одно из направлений дальнейшего совершенствования автобусных кузовов типа «монокок», однако в рамкам данной диссертационной работы подробно не рассматривается.

а) б) в) г) д) е) ж) и) Рис. 2.3.13. МК: прогибы основания на пролете между боковинами (увеличенный масштаб деформаций):

а, в, д, ж) вид спереди;

б, г, е, и) вид справа;

а, б) 2-я изгибная форма основания, 17,1 Гц;

в, г) 3-я изгибная форма основания, 19,0 Гц;

д, е) 4-я изгибная форма основания, 21,3 Гц;

ж, и) 5-я изгибная форма основания, 24,7 Гц - 109 а) б) в) Рис. 2.3.14. МК, 25,9 Гц: прогиб кузова в поперечном направлении (увеличенный масштаб деформаций):

а) вид спереди;

б) вид снизу;

в) вид 3/ Необходимо отметить, что при проектировании рассматриваемого прототипа кузова типа «монокок» закладывалась первая собственная частота панели основания при изгибе на пролете между боковинами, равная 15 Гц. В результате расчета по методу конечных элементов было получено значение 14,7 Гц (см. рис. 2.3.12). Отличие величин составляет 2%, что подтверждает правильность и высокую точность предложенных теоретических за висимостей (см. п. 4.6.4). Тот факт, что величина, получаемая по аналитической за висимости, несколько выше, объясняется принятой гипотезой о малости дефор маций панели основания от сдвиговых внутренних усилий.

На рис. 2.3.16 показана собственная форма кузова типа «монокок», соответ ствующая режиму закручивания. Частота данной формы колебаний составляет 32,5 Гц. Частоты колебаний некоторых серийных кузовов традиционной конст рукции на аналогичном режиме следующие ПАЗ-3205 Гц;

[49]: ~ КАМАЗ-5262 ~2 Гц. Простое сравнение приведенных величин говорит о высоких жесткостных свойствах кузова типа «монокок» на режиме кручения.

- 110 а) б) г) в) е) д) Рис. 2.3.15. МК: прогибы основания на пролете между боковинами (увеличенный масштаб деформаций):

а, в, д) вид спереди;

б, г, е) вид справа;

а, б) 6-я изгибная форма основания, 27,8 Гц;

в, г) 7-я изгибная форма основания, 29,3 Гц;

д, е) 8-я изгибная форма основания, 31,6 Гц Результаты расчета собственных форм и частот для кузова традиционной каркасной конструкции приведены на рис. 2.3.17 – рис. 2.3.21. Листовые обшивки кузова не показаны для улучшения наглядности изображений (лучшего раскрытия деформаций каркаса). На указанных рисунках принята следующая цветовая шка ла: увеличение перемещений конструкции от синего к красному.

На рис. 2.3.17 показана фундаментальная форма колебаний кузова традици онной конструкции, которая совмещает в себе прогиб основания на пролете меж ду боковинами и кузова в целом на длине базы.

- 111 б) а) в) Рис. 2.3.16. МК, 32,5 Гц: закручивание кузова (увеличенный масштаб деформаций):

а) вид спереди;

б) вид справа;

в) вид 3/ Для рассматриваемого прототипа кузова традиционной каркасной конструк ции в величине суммарного прогиба наибольшую долю составляет прогиб осно вания на пролете между боковинами. Прогиб кузова в целом на длине базы в дан ном случае относительно мал, т.к. при проектировании рассматриваемого прото типа были заложены достаточно мощные по сравнению с большинством наиболее распространенных на данный момент конструкций боковины, а для кузова тради ционной каркасной конструкции изгибный прогиб на длине базы в основном оп ределяется изгибной жесткостью боковин в вертикальной плоскости. Можно от метить следующие особенности рассматриваемой конструкции боковин: 1) мощ ные стойки, имеющие высокий момент инерции сечения относительно оси Y (см.

рис. 2.3.17(в));

2) подоконные фермы, непрерывные на всей своей длине;

3) высо кие надоконные секции, непрерывные на всей длине боковин;

4) относительно толстостенные трубы, использованные для основных силовых элементов.

- 112 а) б) в) Рис. 2.3.17. ТК, 16,1 Гц: прогиб основания на пролете между боковинами и первая изгибная форма кузова в целом (увеличенный масштаб деформаций):

а) вид спереди;

б) вид справа;

в) вид 3/ б) а) Рис. 2.3.18. ТК, 18,2 Гц: прогиб основания на пролете между боковинами, 2-я форма (увеличенный масштаб деформаций): а) вид спереди;

б) вид справа На рис. 2.3.19 показана собственная форма кузова традиционной конструкции, соот ветствующая режиму закручивания. Частота составляет 22,3 Гц, что на 46% ниже, чем аналогичная частота у кузова типа «монокок». Имея ввиду тот факт, что рассматри ваемый прототип кузова традиционной конструкции проектировался таким обра зом, чтобы иметь наивысшие возможные при данной собственной массе значения жесткостей (изгибной и крутильной), можно говорить, что кузов типа «монокок»

принципиально превосходит кузова традиционной каркасной конструкции по же сткости на кручение.

- 113 а) б) в) Рис. 2.3.19. ТК, 22,3 Гц: закручивание кузова (увеличенный масштаб деформаций):

а) вид спереди;

б) вид справа;

в) вид 3/ б) а) в) Рис. 2.3.20. ТК, 23,6 Гц: совместное закручивание и изгиб кузова (увеличенный масштаб деформаций):

а) вид спереди;

б) вид справа;

в) вид 3/ - 114 Дополнительные собственные формы колебаний кузова традиционной конст рукции, лежащие в диапазоне частот до 25 Гц, представлены на рис. 2.3.20 и рис. 2.3.21.

б) а) в) Рис. 2.3.21. ТК, 24,9 Гц: прогиб кузова в поперечном направлении (увеличенный масштаб деформаций):

а) вид спереди;

б) вид снизу;

в) вид 3/ Из рис. 2.3.21 видно, что кузов традиционной конструкции также имеет соб ственную форму, соответствующую поперечному изгибу кузова. Частота данной формы колебаний близка к аналогичной частоте для кузова типа «монокок»:

ТК – 24,9 Гц;

МК – 25,9 Гц (см. рис. 2.3.14).

Вывод. Из рассмотрения собственных форм свободных колебаний исследуе мых прототипов кузовов в частотном диапазоне до 35 Гц, относящихся к прогибу основания на пролете между боковинами и деформациям кузова в целом, можно заключить, что кузов типа «монокок» по сравнению с кузовом традиционной кон струкции не имеет каких-либо собственных форм, отражающих «слабость» дан ной конструкции по сравнению с традиционной конструкцией. Напротив, собст венные частоты кузова типа «монокок», как правило, выше частот для аналогич ных собственных форм кузова традиционной конструкции. Особенно явно это - 115 проявляется для собственной формы, соответствующей режиму закручивания (отличие частоты составляет 46%), что говорит о явном превосходстве по жестко сти кузова типа «монокок» на данном режиме.

2.3.6. Результаты расчетов и испытаний на закручивание Испытания масштабных макетов исследуемых прототипов кузовов на закру чивание производились на стенде и в соответствии с процедурой, описание кото рых было дано в п. 2.3.4. Протоколы испытаний приведены для МК в табл. Д.2, для ТК в табл. Д3 (см. прил. Д). Фотографии масштабных макетов в процессе ис пытания приведены на рис. 2.3.22.

б) а) Рис. 2.3.22. Испытания масштабных макетов на закручивание: а) МК;

б) ТК Предельная нагрузка, прикладываемая при испытании и при расчете модели по методу конечных элементов (закручивающий момент), соответствует режиму вывешивания одного из колес автобуса. Закручивающий момент в соответствии с конструкцией испытательного стенда рассматривается относительно продольной оси автобуса. Величину данного момента можно определить по следующей фор муле:

M = RК, (2.3.2) где M – закручивающий момент;

R – сила, определяемая по формуле (2.1.2);

К – колея автобуса.

Величина момента, который должен быть приложен к масштабному макету, определяется умножением величины момента для реальной конструкции на соот - 116 ветствующий масштаб (см. табл. 2.2.8). Реакция, замеряемая на испытательном приспособлении, при этом будет иметь величину, определяемую по следующей зависимости:

F = MМ /e, (2.3.3) где F – сила, замеряемая на стенде;

M М – момент, закручивающий макет;

e – плечо стенда (см. рис. 2.3.11).

Величины предельных закручивающих нагрузок для исследуемых автобус ных кузовов и их масштабных макетов приведены в табл. 2.3.6.

Таблица 2.3.6.

Величины предельных закручивающих нагрузок min(m1 ;

m2 ), % M М, Н·м m, кг R,Н К,м M, Н·м F,Н Автобус 14000 50 34335 2,238 76842 0,837 5, МК 14000 50 34335 2,307 79211 1,011 6, ТК В табл. 2.3.6 обозначено: m – расчетная полная масса автобуса;

m1, m2 – мас са, приходящаяся на переднюю и заднюю ось соответственно.

Угол закручивания кузова в i-м сечении определялся по следующей формуле:

i tg ( i ) = (Пр Л ) / K *, (2.3.4) i i где i – угол закручивания кузова в i-м сечении;

Пр, Л – вертикальные переме i i щения отслеживаемых точек кузова с правой и левой стороны соответственно (замеряются ИЧ);

K * – расстояние между иглами ИЧ (см. рис. 2.3.11).

При расчете КЭ-моделей иссле дуемых автобусных кузовов на закру чивание их закрепление и нагружение производилось в соответствии с рис. 2.3.23 (на примере модели кузова типа «монокок»).

На рис. 2.3.23 обозначено: черный треугольник – закрепление;

цифры 1, и 3 говорят о запрещении перемещения Рис. 2.3.23. Закрепление и нагружение в опоре в направлении осей X, Y и Z со- конечно-элементной модели - 117 ответственно;

цифры 4, 5 и 6 говорят о запрещении вращений в опоре относи тельно осей X, Y и Z соответственно;

красные стрелки показывают место прило жения и направление нагрузки.

Моментная нагрузка задавалась в виде пары сил R (см. ф. 2.3.2), приложен ных к передним опорным кронштейнам модели. Закрепление производилось пу тем фиксации указанных степеней свободы центральных точек задних опорных кронштейнов.

Углы поворота сечений, полученные в ходе испытаний масштабных макетов исследуемых автобусных кузовов на закручивание, приведены в табл. 2.3.7.

Таблица 2.3.7.

Результаты испытаний масштабных макетов на закручивание Углы закрутки Среднекв. Погрешность Погрешность x/L (среднее), ° отклонение, ° абс., ° отн., % Сеч.

МК ТК МК ТК МК ТК МК ТК МК ТК 1 0,307 0,335 0,110 0,220 0,0141 0,0145 0,04 0,04 37 2 -0,257 -0,242 0,132 0,214 0,0128 0,0134 0,04 0,04 26 3 -0,581 -0,564 0,075 0,123 0,0077 0,0087 0,03 0,03 28 В табл. 2.3.7 обозначено: L – база;

x – координата по продольной оси.

Кривые углов закрутки кузовов, полученные в результате расчетов конечно элементных моделей, в сравнении с экспериментальными данными показаны на рис. 2.3.24. Приведены результаты линейного и нелинейного КЭ-расчетов. Нели нейный расчет учитывает геометрическую изменяемость конструкции в процессе деформирования (теория больших деформаций). Поведение материала рассматри вается в упругой зоне. Числовые значения углов поворота сечений, полученные в результате указанных КЭ-расчетов приведены в табл. 2.3.8. Здесь же производит ся сравнение расчетных и экспериментальных данных.

- 118 а) б) Рис. 2.3.24. Углы закрутки сечений кузовов: а) МК;

б) ТК.

Обозначено: желтые треугольники – экспериментальные значения;

красные треугольники – экспериментальное среднее;

синяя линия – линейный КЭ-расчет;

черная линия – нелинейный КЭ-расчет Таблица 2.3.8.

Результаты расчетов конечно-элементных моделей на закручивание Отличия Отличия эксп.

Углы закрутки Углы закрутки x/L лин. и нелин. данных от нелин.

(лин. расчет), ° (нелин. расчет), ° Сеч.

расчетов, % расчета, % МК ТК МК ТК МК ТК МК ТК МК ТК 1 0,307 0,335 0,092 0,187 0,098 0,193 6,9 3,4 12,1 14, 2 -0,257 -0,242 0,126 0,189 0,138 0,199 9,7 5,1 4,2 7, 3 -0,581 -0,564 0,071 0,110 0,078 0,115 8,9 4,3 3,7 7, - 119 Величина крутильной жесткости кузова определялась по следующей анали тической зависимости:

C КР = M /, (2.3.5) где C КР – крутильная жесткость;

М – приложенный закручивающий момент;

– угол поворота сечения, для которого x = 0 (см. рис. 2.3.24).

Величина удельной крутильной жесткости определялась по следующей зави симости:

C КРУ = С КР L, (2.3.6) где C КРУ – удельная крутильная жесткость;

L – длина, на которой рассматривает ся закручивание конструкции, в данном случае база.

Удельная крутильная жесткость показывает, какую величину крутильной жесткости имела бы данная конструкция кузова при единичной базе. В случае удлинения или уко рочения базы исходной конструкции, крутильной жесткости новой конфигурации можно дать оценку путем деления величины удельной крутильной жесткости на величину нового значения базы.

Значения крутильных жесткостей исследуемых кузовов, полученные расчет ным путем (нелинейный расчет), приведены в табл. 2.3.9.

Таблица 2.3.9.

Значения крутильных жесткостей автобусных кузовов CКР, C КРУ, C КРУ1 / С КРУ C КР1 / С КР L,м Автобус Н·м2/град.

Н·м/град. МК/ТК МК/ПАЗ МК/ТК МК/ПАЗ 4,75·105 3,37· 7, МК 1,45 7,35 1,48 14, 3,27·105 2,27· 6, ТК 6,46·104 2,33· ПАЗ-3205 [42], [43] 3, В табл. 2.3.9 для сравнения также приведены жесткостные характеристики автобуса ПАЗ-3205. Данный автобус взят для сравнения, т.к. является одним из самых массовых российских автобусов. Из приведенных значений видно, что прототип кузова типа «монокок» превосходит кузов автобуса ПАЗ-3205 по величине удельной кру тильной жесткости приблизительно на 1,5 порядка, что является качественным скачком в развитии автобусных кузовных конструкций.

- 120 При сравнении исследуемых прототипов кузовов видно, что кузов типа «монокок» на режиме закручивания превосходит кузов традиционной каркасной конструкции по своим жесткостным параметрам приблизительно в 1,5 раза.

В соответствии с результатами расчетов собственных форм и частот, приве денных в п. 2.3.5, также можно дать сравнительную оценку жесткостных свойств рассматриваемых прототипов кузовов, т.к. известно, что собственная частота прямо пропорциональна корню квадратному от величины соответствующей жест кости (при постоянной массе и ее распределении) [8]:

f КР ~ C КР f КР / f КР = С КР / С КР, МК ТК МК ТК (2.3.7) где f КР – частота, соответствующая крутильной собственной форме.

Для исследуемых прототипов кузовов соотношение (2.3.7) должно быть спра ведливо, т.к. их массы примерно равны и распределение масс подобно. В действи тельности указанные соотношения имеют следующие значения:

С КР / С КР = 1,45 = 1,204.

МК ТК МК ТК f КР / f КР = 32,5/22,3 = 1,457;

Полученная разница величин объясняется тем, что кузов традиционной кон струкции имеет заниженное значение собственной частоты за счет меньшей удельной крутильной жесткости его переднего свеса по сравнению с его удельной жесткостью в пределах базы, что видно из рис. 2.3.24(б) и рис. 2.3.19. Указанная сниженная жесткость переднего свеса имеет место из-за ослабления несущей кон струкции дверным проемом. Для кузова типа «монокок» такого существенного влияния дверного проема на крутильную жесткость его соответствующей части не наблюдается (см. рис. 2.3.24(а) и рис. 2.3.16), что можно причислить к списку достоинств рассматривае мого прототипа автобусного кузова типа «монокок».

В ходе расчетов конечно-элементных моделей исследуемых прототипов ку зовов на закручивание также было рассмотрено их напряженное состояние (НС).

Укрупненно картины напряженного состояния исследуемых конструкций показа ны на рис. 2.3.25.

- 121 а) б) Рис. 2.3.25. НС исследуемых прототипов кузовов на режиме кручения: а) МК;

б) ТК.

(S, Mises), МПа На рис. 2.3.25 и далее в пределах п. 2.3.6 приводятся результаты нелинейных КЭ-расчетов, т.е. учитывающих геометрическую изменяемость конструкции в процессе деформирования (теория больших деформаций);

S, Mises – эквивалент ные напряжения по энергетической гипотезе прочности.

Характеристики материала, из которого изготовлены прототипы кузовов, приведены в табл. 2.3.10.

Таблица 2.3.10.

Характеристики используемого конструкционного материала µ, кг/м3 Т, МПа [], МПа E, ГПа Материал ГОСТ kМ Сталь 10пс 16523-97 203 0,29 7846 207 1,15 - 122 В табл. 2.3.10 обозначено: k М – коэффициент запаса по прочностным свойст вам материала (см. п. 4.3);

Т – предел текучести материала;

[] – допускаемое напряжение.

На рис. 2.3.25 верхний предел цветовой шкалы задан равным допускаемому напряжению для использованного конструкционного материала. Таким образом, можно визуально оценить действительные коэффициенты запаса прочности по допускаемому напряжению ( k ) для рассматриваемых конструкций в их различ ных точках. Числовые значения указанного коэффициента запаса прочности при ведены в табл. 2.3.11.

Таблица 2.3.11.

Действительные коэффициенты запаса прочности max, МПа Место действия max Кузов k 100-120 1,50-1, МК стойки боковин 175-185 0,97-1, ТК углы проемов лобовых стекол Основываясь на данных, приведенных в табл. 2.3.11, можно сказать, что в данном случае на режиме закручивания кузов типа «монокок» на 55–75% (в 1,5–1,75 раз) прочнее кузова традиционной каркасной конструкции.

Для целей анализа характера распределения напряжений по элементам кон струкций на рис. 2.3.26 и рис. 2.3.27 показано НС рассматриваемых кузовов и их наиболее нагруженных частей соответственно. Для наглядности верхний предел цветовой шкалы снижен до значения 100 МПа. Зоны, где напряжения выше верх него предела цветовой шкалы, отмечены цветом, соответствующим верхнему пределу цветовой шкалы. Из рис. 2.3.26 и рис. 2.3.27 видно, что на режиме закру чивания наиболее нагруженными элементами конструкции кузова типа «моно кок» в данном случае являются стойки боковин и передка. Распределение напря жений по ним достаточно равномерное, соответствующее нагрузочной ситуации растяжения-сжатия. На стойках боковин, однако, заметно действие поперечного изгиба, возникающего из-за наличия моментных связей боковина–основание и боковина–крыша. Трехслойные панели основания и крыши на данном режиме являются слабо нагруженными структурными единицами.

- 123 а) б) Рис. 2.3.26. НС исследуемых прототипов кузовов на режиме кручения: а) МК;

б) ТК.

Снижен верхний предел цветовой шкалы. (S, Mises), МПа Напряженное состояние кузова, выполненного по традиционной схеме, ха рактерно для конструкций данного типа: силовые элементы загружены изгибом в различных плоскостях. Наиболее нагруженными элементами на рассматриваемом режиме закручивания кузова являются стойки боковин и передка. Наблюдается концентрация напряжений в углах проемов.

Для кузова типа «монокок» на режиме кручения значительной концентрации напряже ний в углах проемов не наблюдается, что можно причислить к списку его достоинств.

- 124 а) в) д) б) г) Рис. 2.3.27. НС исследуемых прототипов кузовов на режиме кручения:

а) МК, 3-я стойка правой боковины;

б) МК, 2-я стойка правой боковины;

в) ТК, 1-я стойка правой боковины;

г) ТК, 1-я стойка левой боковины;

д) ТК, 4-я стойка правой боковины. Цветовая шкала как на рис. 2.3. На рис. 2.3.28 показано НС исследуемых прототипов кузовов, помимо основ ных силовых элементов отображены наружные обшивки. Можно отметить, что у кузова традиционной конструкции сильно вовлечены в процесс восприятия уси лий обшивки надоконной секции боковин, крыши, передка и моторной перего родки, а также настил пола. У кузова типа «монокок» нагруженность обшивок бо ковин и передка значительно ниже, т.к. основная доля нагрузки воспринимается несущим каркасом. Данная особенность предоставляет дополнительную возмож ность снижения собственной массы кузова типа «монокок» за счет освобождения указанных обшивок от несущей функции и изготовления их из материалов, имеющих низкую плотность.

Подводя итог данному пункту, можно сделать следующие выводы относи тельно полученных результатов и характеристик кузова типа «монокок» на режи ме кручения:

в рассматриваемом случае удельная крутильная жесткость кузова типа «мо 1) нокок» в 1,48 раз выше, чем удельная крутильная жесткость прототипа кузо - 125 ва традиционной каркасной конструкции, выполненного по схожей компоно вочной схеме, и в 14,5 раз выше, чем у ПАЗ-3205 (см. табл. 2.3.9);

а) б) Рис. 2.3.28. НС исследуемых прототипов кузовов на режиме кручения: а) МК;

б) ТК.

Снижен верхний предел цветовой шкалы. (S, Mises), МПа наличие дверных проемов не приводит к существенному снижению крутиль 2) ной жесткости соответствующей части кузова типа «монокок», чем он вы годно отличается от кузова традиционной конструкции;

в рассматриваемом случае прочность прототипа автобусного кузова типа 3) «монокок» в 1,5–1,75 раз выше, чем прототипа кузова традиционной конст рукции (см. табл. 2.3.11);

- 126 для кузова типа «монокок» не наблюдается значительной концентрации на 4) пряжений в углах проемов, чем он выгодно отличается от кузова традицион ной конструкции;

при испытании масштабных макетов исследуемых прототипов кузовов на за 5) кручивание наблюдается хорошая сходимость экспериментальных данных с результатами расчетов соответствующих КЭ-моделей: отличие составляет 3,7–14% в различных сечениях кузовов, что подтверждает достоверность рас четных результатов.

2.3.7. Результаты расчетов и испытаний на изгиб Испытания масштабных макетов исследуемых прототипов кузовов на изгиб производились на стенде и в соответствии с процедурой, описание которых было дано в п. 2.3.4. Нагружение производилось распределенной весовой нагрузкой симметричной относительно диаметральной плоскости кузова. Протоколы испы таний приведены в табл. Д.4 (МК) и в табл. Д.5 (ТК). Фотографии масштабных макетов в процессе испытания приведены на рис. 2.3.29.

б) а) Рис. 2.3.29. Испытания масштабных макетов на изгиб: а) МК;

б) ТК Предельная нагрузка, прикладываемая при испытаниях и при расчете моде лей по методу конечных элементов (давление на пол), соответствует режиму пол ного заполнения автобуса стоящими пассажирами (без учета наличия сидений и т.п., что идет в запас прочности). Величину суммарного вертикального усилия можно определить по следующей формуле:

G = pS, (2.3.8) - 127 где G – весовая нагрузка;

p – давление на пол автобуса (см. п. 4.2.1.1);

S – площадь пола автобуса.

Вес двигателя и прочих технических устройств, сидений, стекол и т.п. в дан ном исследовании не учитывается, компенсируется увеличенным по сравнению с реальным состоянием наполнением пассажирами.

Величина весовой нагрузки, которая должна быть приложена к масштабному макету, определяется умножением величины нагрузки для реальной конструкции на соответствующий масштаб (см. табл. 2.2.8). Действительная величина весовой нагрузки, прикладываемой к макету, определяется путем взвешивания используе мых грузов. Потребная суммарная масса грузов может быть определена путем де ления величины весовой нагрузки на ускорение свободного падения. Величины предельных весовых нагрузок для исследуемых автобусных кузовов и их мас штабных макетов приведены в табл. 2.3.12.

Таблица 2.3.12.

Величины предельных весовых нагрузок g, м/с p, кПа GМ, Н S, м2 G,Н m,г Автобус 99,7· 18,68 10,86 МК 5,34 9, 99,6· 18,66 12,71 ТК В табл. 2.3.12 обозначено: GМ – суммарная весовая нагрузка на макет;

g – ускорение свободного падения;

m – суммарная масса грузов, применяемых для нагружения масштабного макета.

При испытании масштабных макетов в качестве грузов использовались раз личные металлические монеты, т.к. их масса достаточно стабильна. Грузы распо лагались по поверхности основания макета в соответствии с предварительно на несенной ортогональной разметкой, таким образом, каждому грузу соответство вала определенная площадь поверхности основания. В некоторых случаях в каче стве отдельного груза могла использоваться не одна монета, а комбинация из двух разных, что позволило в конечном итоге воспроизвести равномерно распределен ную нагрузку с отклонением, не превышающим 0,2%. Фотография масштабного - 128 макета с размещенными на нем грузами на примере кузова традиционной конст рукции приведена на рис. 2.3.30.

Прогиб кузова в целом определялся непосредственным замером при помощи ИЧ, ИРБ. Прогиб основания кузова в i-м сечении определялся по следующей фор муле (подразумевается равенство прогибов боковин):

Осн = Ц Бок, (2.3.9) i i i где Осн – прогиб основания кузова в i-м сечении;

Ц, Бок – прогиб кузова в i-м i i i сечении в центре пролета между боковинами и на нижнем поясе боковины соответственно.

При расчете КЭ-моделей, исследуемых автобусных кузовов на изгиб, их за крепление производилось в соответствии с рис. 2.3.31 (на примере модели кузова типа «монокок»).

Рис. 2.3.30. Масштабный макет (ТК) Рис. 2.3.31. Закрепление с размещенными на нем грузами конечно-элементной модели На рис. 2.3.31 обозначено: черный треугольник – закрепление;

цифры 1, 2 и говорят о запрещении перемещения в опоре в направлении осей X, Y и Z соответ ственно.

При расчетах КЭМ весовая нагрузка на модель создавалась путем закрепле ния масс на конструкции основания (как при расчетах собственных форм и час тот, см. п. 2.3.5) и задания гравитационного поля сил, соответствующего 1 g. За - 129 крепление производилось путем фиксации указанных степеней свободы цен тральных точек опорных кронштейнов.

Прогибы в сечениях, полученные в ходе испытаний масштабных макетов ис следуемых автобусных кузовов на изгиб, приведены в табл. 2.3.13.

Таблица 2.3.13.

Результаты испытаний масштабных макетов на изгиб Прогибы Среднекв. Погрешность Погрешность x/L Сеч. (среднее), мм отн., % отклонение, мм абс., мм МК ТК МК ТК МК ТК МК ТК МК ТК 1 -0,257 -0,242 0,13 0,15 0,00309 0,00629 0,010 0,03 8 пролета Центр 2 -0,419 -0,435 0,13 0,20 0,00583 0,00879 0,017 0,03 13 3 -0,581 -0,564 0,13 0,25 0,00447 0,00948 0,013 0,03 10 4 -0,743 -0,760 0,12 0,13 0,00882 0,00844 0,030 0,03 30 0,00479 0, 2 -0,419 -0,435 0,10 0,06 0,017 0,03 17 бок.

Пр.

0,00342 0, 3 -0,581 -0,564 0,11 0,06 0,011 0,03 10 В табл. 2.3.13 обозначено: L – база;

x – координата по продольной оси.

Расчетные кривые прогибов кузовов показаны на рис. 2.3.32 и рис. 2.3.33.

Приведены результаты линейного и нелинейного расчетов. Нелинейный расчет (здесь и далее в пределах п. 2.3.7) учитывает геометрическую изменяемость кон струкции в процессе деформирования (теория больших деформаций). Материал рассматривается в упругой зоне.

Как видно из приведенных данных, для каждого в отдельности прототипа ку зова прогибы левой и правой боковин в пределах базы практически совпадают.

Это обосновывает правомерность применения формулы (2.3.9) в пределах базы и конструкцию испытательного приспособления (см. п. 2.3.4), которое предусмат ривает замер перемещений точек на боковине только с правого борта.

На прогибы трехслойной панели основания масштабного макета кузова типа «монокок» оказывает влияние наличие клеевого слоя между обшивками панели и полками «ребристого» среднего слоя, по которым осуществляется склеивание.

Использованная КЭ-модель кузова типа «монокок» эту особенность макета не учитывает. В связи с этим, при сравнении результатов КЭ-расчета с эксперимен тальными данными расчетная кривая была скорректирована. Доля общего проги - 130 ба кузова в центре пролета между боковинами, соответствующая прогибу панели основания, была умножена на следующий корректирующий коэффициент:

k КОР = E бум / E БП, (2.3.10) где k КОР – корректирующий коэффициент;

E бум, E БП – модули упругости I-го рода для бумаги и бумаги проклеенной соответственно, для бумаги проклеенной – это условный модуль упругости (см. прил. Б).

а) б) Рис. 2.3.32. Расчетные прогибы кузова типа «монокок»:

а) кузов в целом;

б) трехслойная панель основания.

Обозначено: лин. – линейный КЭ-расчет;

нелин. – нелинейный КЭ-расчет.

Без применения корректировки Как видно из рис. 2.3.32(б), прогиб трехслойной панели основания на пролете между боковинами имеет цилиндрический характер, что подтверждает справед - 131 ливость расчетной схемы, принятой для проектировочных расчетов панелей осно вания (см. п. 4.2.1.1).

а) б) Рис. 2.3.33. Расчетные прогибы кузова традиционной конструкции:

а) кузов в целом;

б) основание.

Обозначено: лин. – линейный КЭ-расчет;

нелин. – нелинейный КЭ-расчет Прогибы кузовов, полученные в результате расчетов конечно-элементных моделей (с учетом указанной коррекции для кузова типа «монокок»), в сравнении с экспериментальными данными показаны на рис. 2.3.34. Для экспериментальных данных учтен масштаб линейных деформаций. Числовые значения данных рас четных прогибов приведены в табл. 2.3.14 и табл. 2.3.15. Здесь же производится сравнение расчетных и экспериментальных данных.

- 132 а) б) Рис. 2.3.34. Прогибы кузовов при испытании на изгиб: а) МК;

б) ТК.

Обозначено: желтые треугольники – экспериментальные значения;

красные и черные треугольники – экспериментальное среднее;

линии – результаты нелинейного КЭ-расчета.

*К линии применена корректировка.

Таблица 2.3.14.

Результаты расчетов КЭ-моделей на изгиб (центр пролета между боковинами) Отличия Отличия эксп.

Прогиб, мм Прогиб, мм x/L лин. и нелин. данных от нелин.

(лин. расчет) (нелин. расчет) Сеч.

расчетов, % расчета, % МК ТК МК* ТК МК* ТК МК ТК МК ТК 1 -0,257 -0,242 1,28 1,94 1,32 1,97 3,7 1,6 1,7 22, 2 -0,419 -0,435 1,56 2,52 1,63 2,57 4,7 1,7 20,5 21, 3 -0,581 -0,564 1,63 2,49 1,73 2,53 5,7 1,7 24,6 0, 4 -0,743 -0,760 1,44 1,49 1,54 1,52 6,9 1,6 21,9 13, *К столбцу данных применена указанная корректировка.

- 133 Таблица 2.3.15.

Результаты расчетов КЭ-моделей на изгиб (правая боковина) Отличия Отличия эксп.

Прогиб, мм Прогиб, мм x/L лин. и нелин. данных от нелин.

(лин. расчет) (нелин. расчет) Сеч.

расчетов, % расчета, % МК ТК МК ТК МК ТК МК ТК МК ТК 2 -0,419 -0,435 1,13 0,57 1,21 0,61 6,9 8,2 17,4 5, 3 -0,581 -0,564 1,20 0,60 1,30 0,65 8,1 7,6 15,3 1, Рассматривая данные, приведенные на рис. 2.3.32 – рис. 2.3.34 и в табл. 2.3.15, можно заметить, что в данном случае прогибы боковин кузова тради ционной конструкции меньше, чем прогибы боковин кузова типа «монокок». Это объясняется следующими причинами:

для кузова типа «монокок» пока не удалось реализовать расчетную схему, 1) показанную на рис. 2.1.8, что может быть из-за наличия моментной связи ос нование–боковина, вызывающей поперечный изгиб боковины;

более «мощные» боковины кузова традиционной конструкции:

2) а) подоконные секции рассматриваемого кузова традиционной конструкции выполнены в виде ферм непрерывных на длине базы (так же, как боковины кузова типа «монокок»);

б) для боковин кузова традиционной конструкции использованы трубы со стенкой в 2,4 раза толще, чем для кузова типа «монокок».

Величина изгибной жесткости кузова определялась по следующей аналити ческой зависимости:

CИ = G /, (2.3.11) где C И – изгибная жесткость;

G – суммарная вертикальная нагрузка;

– максимальный прогиб.

Значения изгибных жесткостей исследуемых прототипов кузовов, получен ные расчетным путем (нелинейный КЭ-расчет), приведены в табл. 2.3.16. Для сравнения в таблице также приведена величина изгибной жесткости автобуса ПАЗ-3205. Данный автобус взят для сравнения, т.к. на данный момент является одним из самых массовых российских автобусов.

- 134 Таблица 2.3.16.

Значения изгибных жесткостей автобусных кузовов CИ, C И1 / С И Автобус Н/мм МК/ТК МК/ПАЗ 4,44· МК 1,14 9, 3,88· ТК 4,70· ПАЗ-3205 [42], [43] Из приведенных в табл. 2.3.16 значений видно, что прототип кузова типа «монокок»

превосходит кузов автобуса ПАЗ-3205 по величине изгибной жесткости приблизительно на 1 порядок, что является качественным скачком в развитии автобусных кузовных несущих конструкций.

При сравнении исследуемых прототипов кузовов видно, что кузов типа «мо нокок» на режиме изгиба превосходит кузов традиционной каркасной конструк ции по своим жесткостным параметрам на 14%.

В ходе расчетов конечно-элементных моделей рассматриваемых прототипов кузовов на изгиб также было определено их напряженное состояние (НС). Укруп ненно картины напряженного состояния исследуемых конструкций показаны на рис. 2.3.35 и рис. 2.3.36. Верхний предел цветовой шкалы на указанных рисунках задан равным допускаемому напряжению для использованного конструкционного материала (см. табл. 2.3.10), деленному на коэффициент динамичности изгибной нагрузки ( k д = 2 [53]). Таким образом, можно визуально оценить действительные коэффициенты запаса прочности по напряжениям ( k ) для рассматриваемых кон струкций в их различных точках. Числовые значения указанного коэффициента запаса прочности приведены в табл. 2.3.17.

Таблица 2.3.17.

Действительные коэффициенты запаса прочности [] / k д, МПа max, МПа Место действия max Кузов k 85 1, МК стойки боковин и раскосы подоконной секции 95 0, ТК соединение поперечин и лонжеронов основания - 135 а) б) Рис. 2.3.35. НС прототипа кузова типа «монокок» на режиме изгиба:

а) вид 3/4 сверху справа;

б) вид 3/4 снизу справа. (S, Mises), МПа На рис. 2.3.35 и далее в пределах п. 2.3.7 приводятся результаты нелинейных КЭ-расчетов, т.е. учитывающих геометрическую изменяемость конструкции в процессе деформирования (теория больших деформаций);

S, Mises – эквивалент ные напряжения по энергетической гипотезе прочности.

- 136 а) б) Рис. 2.3.36. НС прототипа кузова традиционной конструкции на режиме изгиба:

а) вид 3/4 сверху справа;

б) вид 3/4 снизу справа. (S, Mises), МПа Основываясь на данных, приведенных в табл. 2.3.17, можно сказать, что в данном случае кузов типа «монокок» примерно равнопрочен кузову традиционной конструкции.

Для целей анализа распределения напряжений по элементам конструкций на рис. 2.3.37 и рис. 2.3.38 показано НС рассматриваемых кузовов. Для наглядности верхний предел цветовой шкалы снижен до значения 50 МПа. Зоны, где напряже ния выше верхнего предела цветовой шкалы, отмечены цветом, соответствующим - 137 верхнему пределу цветовой шкалы. Отдельно наиболее нагруженные части рас сматриваемых кузовных конструкций показаны на рис. 2.3.39.

а) б) Рис. 2.3.37. НС прототипа кузова типа «монокок» на режиме изгиба:

а) вид 3/4 сверху справа;

б) вид 3/4 снизу справа.

Снижен верхний предел цветовой шкалы. (S, Mises), МПа - 138 а) б) Рис. 2.3.38. НС прототипа кузова традиционной конструкции на режиме изгиба:

а) вид 3/4 сверху справа;

б) вид 3/4 снизу справа.

Снижен верхний предел цветовой шкалы. (S, Mises), МПа Из рис. 2.3.35 – рис. 2.3.38 видно, что на режиме изгиба наиболее нагружен ными элементами конструкции кузова типа «монокок» в данном случае являются стойки и раскосы боковин. Распределение напряжений по ним определяется в ос новном поперечным изгибом (относительно оси Х), возникающим из-за наличия моментной связи боковина–основание. Т.е. поперечная изгибная деформация бо ковины возникает в результате вертикальной изгибной деформации основания.

- 139 Трехслойная панель крыши на данном режиме является слабо нагруженной структурной единицей. Прочность трехслойной панели основания на рассматри ваемом режиме нагружения также обеспечивается с существенным запасом. Та кое состояние обусловлено тем, что геометрические размеры поперечного сече ния панели основания в данном случае ограничивались необходимостью обеспе чения заданной изгибной жесткости, поэтому прочностные условия выполняются с запасом.

а) б) в) г) д) е) Рис. 2.3.39. НС исследуемых прототипов кузовов на режиме изгиба:

а) МК, 2-я стойка правой боковины;

б) МК, 5-я стойка правой боковины;

в) МК, 4-я стойка правой боковины и раскос подоконной секции;

г) ТК, 2-я стойка правой боковины;

д) ТК, задний нижний угол дверного проема;

е) ТК, поперечина и лонжерон основания. Цветовая шкала как на рис. 2.3.37 и рис. 2.3. Необходимо отметить, что из рис. 2.3.35(б) и 2.3.37(б) хорошо видно, что па нель основания кузова типа «монокок» на рассматриваемом режиме нагружения в - 140 основном находится в условиях цилиндрического изгиба. Таким образом, допол нительно подтверждается справедливость расчетной схемы, принятой для проек тировочных расчетов панелей основания (см. п. 4.2.1.1).

Напряженное состояние кузова, выполненного по традиционной схеме, ха рактерно для конструкций данного типа: силовые элементы загружены изгибом в различных плоскостях. Наиболее нагруженными элементами на рассматриваемом режиме изгиба кузова являются поперечины и лонжероны основания, что видно из рис. 2.3.36, рис. 2.2.38 и рис. 2.3.39(е). Наблюдаются повышенные напряжения в углах проемов, в особенности дверного, как самого большого по размерам (см.

рис. 2.3.39(д)).

Для кузова типа «монокок» на режиме изгиба заметной концентрации напряжений в углах проемов не наблюдается, что можно причислить к списку его достоинств.

На рис. 2.3.40 показано НС исследуемых прототипов кузовов, помимо основ ных силовых элементов отображены наружные обшивки. Можно отметить, что у кузова традиционной конструкции достаточно сильно вовлечены в процесс вос приятия усилий обшивки надоконной секции боковин в районе двери. У кузова типа «монокок» нагруженность обшивок боковин значительно ниже, т.к. основная доля нагрузки воспринимается несущим каркасом. Данная особенность, как уже было отмечено ранее, предоставляет дополнительную возможность снижения собственной массы кузова типа «монокок» за счет освобождения указанных об шивок от несущей функции и изготовления их из материалов, имеющих низкую плотность.

Подводя итог данному пункту, можно сделать следующие выводы относи тельно полученных результатов и характеристик кузова типа «монокок» на режи ме изгиба:

в рассматриваемом случае изгибная жесткость прототипа кузова типа «моно 1) кок» в 1,14 раз выше, чем изгибная жесткость прототипа кузова традицион ной каркасной конструкции, выполненного по схожей компоновочной схеме, и в 9,45 раз выше, чем у ПАЗ-3205 (см. табл. 2.3.16);


- 141 а) б) Рис. 2.3.40. НС исследуемых прототипов кузовов на режиме изгиба: а) МК;

б) ТК.

(S, Mises), МПа в рассматриваемом случае прочность прототипа автобусного кузова типа 2) «монокок» примерно равна прочности прототипа кузова традиционной кар касной конструкции;

для кузова типа «монокок» не наблюдается значительной концентрации на 3) пряжений в углах проемов, чем он выгодно отличается от кузова традицион ной каркасной конструкции;

при испытании масштабных макетов исследуемых прототипов кузовов на из 4) гиб наблюдается хорошая сходимость экспериментальных данных с резуль татами расчетов соответствующих КЭ-моделей: отличие составляет 1,4–25% - 142 в различных сечениях кузовов, что подтверждает достоверность расчетных результатов.

2.3.8. Кузов типа «монокок» с оптимизированными по массе трехслойными панелями основания и крыши Как отмечалось в предыдущих пунктах, необходимость макетирования на кладывает существенные ограничения на применяемые материалы и геометриче ские параметры трехслойных панелей, использованных в кузове типа «монокок».

В результате чего трехслойные панели основания и крыши пришлось принять в сильно перетяжеленном виде, что значительно сказалось и на итоговой массе не сущей конструкции кузова в целом. Для того, чтобы продемонстрировать потен циал снижения собственной массы несущей системы кузова типа «монокок» за счет внедрения трехслойных панелей, был рассмотрен его модифицированный вариант, в котором исходные панели основания и крыши заменены оптимизиро ванными по собственной массе при выполнении заданных требований по прочно сти и жесткости. Необходимые теоретические положения и примененная методи ка оптимизации трехслойных панелей приведены в гл. 4 данной диссертационной работы.

Основные характеристики дополнительных материалов, примененных в но вом варианте кузова, приведены в табл. 2.3.18. Весовые характеристики модифи цированной конструкции кузова с оптимизированными трехслойными панелями (МКоп) в сравнении с исходным вариантом (МК) приведены в табл. 2.3.19.

Определение прочностных и жесткостных характеристик модифицированной несущей конструкции производилось расчетным путем для режимов закручива ния и изгиба кузова. Для этого использовалась подробная конечно-элементная модель, характеристики которой приведены в табл. 2.3.20. Внешний вид данной КЭ-модели аналогичен показанному на рис. 2.3.8. Расчеты производились в ли нейной и нелинейной постановке. Нелинейный расчет учитывал геометрическую изменяемость конструкции в процессе деформировании (теория больших дефор маций). Материал рассматривался как упругий, условно изотропный.

- 143 Таблица 2.3.18.

Характеристики используемых конструкционных материалов µ, кг/м3 Т ( В ), МПа [], МПа E, ГПа Материал ГОСТ kМ 21631-76 70 0,321 2680 145 1,15 АМг2Н 3916.1-96 11 0,085 670 30 1,75 ФК Таблица 2.3.19.

Весовые характеристики кузовов Кузов Параметр Комментарий «монокок» «монокок»

(МК) модиф. (МКоп) Расчетная полная 14000 14000 взято с аналогов такой же длины масса автобуса, кг Масса несущей системы 2772 1716 по CAD-моделям кузова, кг МКоп: панель 11(3)/0,8(1)/1,1(2), 1008 Основание h3150, t170, 90, каркас(1): труба 150х50х2, МКоп: панель 3(3)/3(3)/0,5(2), h357, t60, 90;

748 Крыша 275 Правая боковина Масса, кг 288 Левая боковина МКоп: каркас(1): труба 50х50х1, косынки s2,4, 84 Передок обшивка(1): лист s1;

56 Задняя стенка Стенка моторного 90 отделения лист(1) s2, 224 Колесные ниши Материал: (1)Сталь 10пс ГОСТ 16523-97;

(2)АМг2Н2 ГОСТ 21631-76;

(3)ФК ГОСТ 3916.1-96.

Таблица 2.3.20.

Основные параметры конечно-элементной модели КТИТЭ* N ст Кузов Тип КЭ Кол. узлов, млн. Кол. КЭ, млн.

стенка панели: 6;

стенка трубы: 4;

S4 1,359 1,379 МКоп листовая обшивка: *КТИТЭ – Количество точек интегрирования по толщине элемента Закрепление и нагружение КЭ-модели производилось идентично тому, как это было сделано для исходной конструкции (см. п. 2.3.6 и 2.3.7).

Результаты расчета на закручивание приведены на рис. 2.3.41 – рис. 2.3.48.

На рис. 2.3.41 показаны кривые углов закрутки модифицированного кузова типа «монокок» в сравнении с аналогичными кривыми для исходного кузова типа «мо нокок» и кузова традиционной каркасной конструкции.

- 144 а) б) Рис. 2.3.41. Углы закрутки сечений кузовов:

а) МКоп;

б) сравнение МКоп, МК и ТК.

Обозначено: лин. – линейный КЭ-расчет;

нелин. – нелинейный КЭ-расчет Значения крутильных жесткостей исследуемых кузовов, полученные расчет ным путем (нелинейный расчет), приведены в табл. 2.3.21.

Таблица 2.3.21.

Значения крутильных жесткостей автобусных кузовов CКР, C КРУ, C КРУ1 / С КРУ C КР1 / С КР L,м Автобус Н·м2/град. МКоп/МК МКоп/ПАЗ МКоп/МК МКоп/ПАЗ Н·м/град.

3,31·105 2,35· 7, МКоп 0,697 5,12 0,697 10, 4,75·105 3,37· 7, МК 6,46·104 2,33· ПАЗ-3205 [42], [43] 3, - 145 Отличие величин крутильной жесткости на длине базы для модифицирован ного кузова типа «монокок» по результатам линейного и нелинейного КЭ-расчетов составляет 10,1%.

В табл. 2.3.21 для сравнения также приведена полученная ранее величина крутильной жесткости исходного кузова типа «монокок» и величина крутильной жесткости автобуса ПАЗ-3205, как наиболее распространенного в РФ на данный момент, взятая из литературных источников.

Как видно из рис. 2.3.41 и табл. 2.3.21, крутильная жесткость модифициро ванного кузова типа «монокок» на длине базы ниже, чем для исходного кузова (на 30,3%). Это объясняется тем, что для обшивок трехслойных панелей основания и крыши в модифицированном кузове был принят материал с существенно мень шим значением модуля упругости II-го рода: ФК вместо стали 10пс для обшивок панелей крыши и верхней обшивки панелей основания. Это привело к увеличе нию сдвиговых деформаций обшивок и, как результат, к снижению крутильной жесткости кузова в целом. Однако, модифицированный кузов типа «монокок» все еще превосходит по удельной крутильной жесткости реальный автобусный кузов традиционной конструкции (ПАЗ-3205) в 10 раз. Таким образом, указанное сни жение жесткости модифицированного кузова типа «монокок» по сравнению с ис ходной конструкцией не является в данной ситуации критичным.

Также необходимо отметить, что углы закрутки модифицированного кузова типа «монокок» на длине базы ( x / L = [-1;

0]) практически совпадают с углами за крутки рассматриваемого прототипа кузова традиционной каркасной конструк ции, что создает удобную для сравнения ситуацию: при равной (приблизительно) крутильной жесткости. Сравнение кривых углов закрутки модифицированного кузова типа «монокок» и кузова традиционной конструкции на длине переднего свеса ( x / L = [0;

0,3]), в котором располагается дверной проем, явно показывает существенно меньшее влияние данного проема на крутильную жесткость кузова типа «монокок» по сравнению с кузовом традиционной конструкции. Для кузова традиционной конструкции на указанном участке наблюдается существенное снижение крутильной жесткости.

- 146 Укрупненно картины напряженного состояния отдельных частей исследуе мой конструкции показаны на рис. 2.3.42 – рис. 2.2.44. Разделение конструкции на отдельные части производится в соответствии с материалом, из которого данные части изготовлены. Верхний предел цветовой шкалы задан равным допускаемому напряжению для соответствующего материала (см. табл. 2.3.10 и табл. 2.3.18). Та ким образом, можно визуально оценить величины действительных коэффициен тов запаса прочности по допускаемому напряжению ( k ) для рассматриваемых элементов конструкции в их различных точках.

а) б) Рис. 2.3.42. НС деталей из стали 10пс на режиме кручения:

а) вид 3/4 спереди сверху;

б) вид 3/4 спереди снизу. (S, Mises), МПа - 147 На рис. 2.3.42 – рис. 2.3.48 приведены результаты нелинейного КЭ-расчета.

Обозначено: S, Mises – эквивалентные напряжения по энергетической гипотезе.

а) б) в) Рис. 2.3.43. НС деталей из ФК на режиме кручения:

а) верхняя обшивка основания;

б) верхняя обшивка крыши;

в) нижняя обшивка крыши. (S, Mises), МПа Числовые значения действительных коэффициентов запаса прочности наибо лее нагруженных конструктивных элементов в их наиболее напряженных зонах приведены в табл. 2.3.22.

Таблица 2.3.22.

Действительные коэффициенты запаса прочности max, МПа Место действия max Материал k 170-175 1, нижняя обшивка основания в районе передних колесных ниш Сталь 165-170 1, задние колесные ниши в верхних наружных углах 10пс 135-140 1, стойки боковин в районе оконных проемов 13,0-14,0 1, верхняя обшивка основания в районе передних колесных ниш ФК 3,0-3,5 4, верхняя обшивка крыши в районах боковин 65,0-70,0 1, ребра основания в районе передних колесных ниш АМг2Н 9,0-10,0 ребра крыши в районе 2-х стоек боковин 12, Из рассмотрения рис. 2.3.42 – рис. 2.3.44 и табл. 2.3.22 можно сделать вывод о том, что прочность модифицированного кузова типа «монокок» на режиме за кручивания предельным моментом обеспечивается.

- 148 а) б) Рис. 2.3.44. НС деталей из АМг2Н2 на режиме кручения:

а) ребра основания;

б) ребра крыши. (S, Mises), МПа На рис. 2.3.45 – рис. 2.3.47 показано напряженное состояние тех же частей конструкции, что и на рис. 2.3.42 – рис. 2.3.44 соответственно. Для улучшения на глядности отображения распределения напряжений по элементам несущей систе мы верхние пределы цветовых шкал были снижены. В этом случае напряжения выше, чем установленный верхний предел цветовой шкалы, показываются тем же цветом, что и верхний предел цветовой шкалы.

- 149 а) б) Рис. 2.3.45. НС деталей из стали 10пс на режиме кручения:

а) вид 3/4 спереди сверху;

б) вид 3/4 спереди снизу.

Снижен верхний предел цветовой шкалы. (S, Mises), МПа - 150 а) б) в) г) д) Рис. 2.3.46. НС деталей из ФК на режиме кручения:

а) верхняя обшивка основания;

б) верхняя обшивка крыши;

в) нижняя обшивка крыши;

г) цветовая шкала для (а);


д) цветовая шкала для (б) и (в).

Снижен верхний предел цветовой шкалы. (S, Mises), МПа Из рассмотрения рис. 2.3.45 – рис. 2.3.47 можно отметить, что на режиме кру чения распределение напряжений по элементам модифицированной конструкции кузова типа «монокок» аналогично распределению напряжений по соответст вующим элементам исходной конструкции. Исключение составляют обшивки и ребра основания: наблюдается концентрация напряжений в районе передних ко лесных ниш. Несмотря на указанную концентрацию напряжений, прочность па нелей основания обеспечивается. Тем не менее, для получения более равномерно за груженной конструкции рекомендуется в районе передних колесных ниш использовать уси ленную панель основания. Данная рекомендация касается как обшивок, так и ребер сред него слоя. Рекомендация относится к кузовам рассматриваемой или схожей планировки и развесовки.

- 151 а) б) Рис. 2.3.47. НС деталей из АМг2Н2 на режиме кручения:

а) ребра основания;

б) ребра крыши.

Снижен верхний предел цветовой шкалы. (S, Mises), МПа На рис. 2.3.48 показано НС модифицированного кузова типа «монокок» вме сте с листовыми обшивками. Сравнивая данный рисунок с рис. 2.3.28(а), можно заключить, что на режиме кручения нагруженность листовых обшивок не возрос ла по сравнению с исходным вариантом конструкции.

- 152 Рис. 2.3.48. НС исследуемого прототипа кузова на режиме кручения Снижен верхний предел цветовой шкалы. (S, Mises), МПа Результаты расчета на изгиб приведены на рис. 2.3.49 – рис. 2.3.58. Значения изгибных жесткостей исследуемых кузовов, полученные расчетным путем (нели нейный расчет), приведены в табл. 2.3.23.

Таблица 2.3.23.

Значения изгибных жесткостей автобусных кузовов CИ, C И1 / С И Автобус Н/мм МКоп/МК МКоп/ПАЗ 3,71· МКоп 0,836 7, 4,44· МК 4,70· ПАЗ-3205 [42], [43] Отличие величин изгибной жесткости для модифицированного кузова типа «монокок» по результатам линейного и нелинейного конечно-элементных расче тов составляет 4,1%.

В табл. 2.3.23 для сравнения также приведена полученная ранее величина из гибной жесткости исходного кузова типа «монокок» и величина изгибной жестко сти автобуса ПАЗ-3205, как наиболее распространенного в РФ на данный момент, взятая из литературных источников.

Как видно из табл. 2.3.23, изгибная жесткость модифицированного кузова ти па «монокок» ниже, чем для исходного кузова (на 16,4%). Это объясняется тем, что для обшивок трехслойных панелей основания и крыши в модифицированном - 153 кузове был принят материал с существенно меньшим значением модуля упруго сти I-го рода: ФК вместо стали 10пс для обшивок панелей крыши и верхней об шивки панелей основания. Это привело к снижению вовлеченности указанных обшивок в процесс восприятия изгиба кузова в целом и, как результат, к сниже нию изгибной жесткости всего кузова. Однако, модифицированный кузов типа «монокок» все еще превосходит по изгибной жесткости реальный автобусный ку зов традиционной конструкции (ПАЗ-3205) приблизительно в 8 раз. Таким обра зом, указанное снижение изгибной жесткости модифицированного кузова типа «монокок» по сравнению с исходной конструкцией не является в данной ситуации критичным.

На рис. 2.3.49 показаны кривые прогибов модифицированного кузова типа «монокок». Сравнение с аналогичными кривыми прогибов для исходного кузова типа «монокок» и кузова традиционной каркасной конструкции производится на рис. 2.3.50.

Рис. 2.3.49. Расчетные прогибы кузова МКоп Обозначено: лин. – линейный КЭ-расчет;

нелин. – нелинейный КЭ-расчет Из рассмотрения рис. 2.3.50(б) необходимо отметить, что наибольший прогиб модифицированного кузова типа «монокок» практически совпадает с соответст вующим прогибом рассматриваемого прототипа кузова традиционной каркасной конструкции, что создает удобную для сравнения ситуацию: при равной (прибли зительно) изгибной жесткости.

- 154 а) б) Рис. 2.3.50. Расчетные прогибы кузовов:

а) сравнение МКоп и МК;

б) сравнение МКоп и ТК.

Обозначено: нелин. – нелинейный КЭ-расчет;

ср. п. – середина пролета;

пр. ст. – с правой стороны;

лев. ст. – с левой стороны (по боковине) Кривая прогибов панели основания модифицированного кузова типа «моно кок» в сравнении с соответствующей кривой для исходного кузова показана на рис. 2.3.51. Из рассмотрения данного рисунка видно, что прогиб панели основа ния модифицированного кузова типа «монокок» имеет увеличенное значение:

~1,2 мм против ~1 мм в исходном кузове. Данное отличие ожидаемо, т.к. оно бы ло заложено на этапе проектирования модифицированных панелей основания.

Причиной этому послужило то, что для модифицированного кузова типа «моно кок» изменилась величина коэффициента разгрузки (см. п. 4.2.1.1), что в данном - 155 случае позволило увеличить допускаемый прогиб панели основания без снижения величины ее первой собственной частоты по сравнению с исходной конструкцией (см. п. 4.6.4).

Рис. 2.3.51. Прогибы панелей основания Обозначено: лин. – линейный КЭ-расчет;

нелин. – нелинейный КЭ-расчет;

ср. п. – середина пролета Вид кривой прогибов панелей основания подтверждает справедливость при нятой при проектировочном расчете данных панелей гипотезы о преимуществен но цилиндрической форме деформации данных панелей при изгибе на пролете между боковинами кузова.

Укрупненно картины напряженного состояния отдельных частей исследуе мой конструкции показаны на рис. 2.3.52 – рис. 2.2.57. Разделение конструкции на отдельные части производится в соответствии с материалом, из которого данные части изготовлены. Верхний предел цветовой шкалы на указанных рисунках задан равным допускаемому напряжению для использованного конструкционного мате риала (см. табл. 2.3.10 и табл. 2.3.18), деленному на коэффициент динамичности изгибной нагрузки ( k д = 2 [53]). Таким образом, можно визуально оценить дейст вительные коэффициенты запаса прочности по напряжениям ( k ) для рассматри ваемых конструкций в их различных точках.

- 156 а) б) Рис. 2.3.52. НС деталей из стали 10пс на режиме изгиба:

а) вид 3/4 спереди сверху;

б) вид 3/4 спереди снизу. (S, Mises), МПа На рис. 2.3.52 – рис. 2.3.58 приведены результаты нелинейного КЭ-расчета.

Обозначено: S, Mises – эквивалентные напряжения по энергетической гипотезе.

Числовые значения действительных коэффициентов запаса прочности наибо лее нагруженных конструктивных элементов в их наиболее напряженных зонах приведены в табл. 2.3.24.

- 157 а) б) в) Рис. 2.3.53. НС деталей из ФК на режиме изгиба:

а) верхняя обшивка основания;

б) верхняя обшивка крыши;

в) нижняя обшивка крыши. (S, Mises), МПа Таблица 2.3.24.

Действительные коэффициенты запаса прочности [] / k д, МПа max, МПа Место действия max Материал k внутренние стороны стоек и раскосов 80 - 85 1, Сталь боковин 10пс нижняя обшивка панелей основания в 65 - 67 1, районе передней левой колесной ниши верхняя обшивка панелей основания в 4,0 - 5,0 1, 8, ФК районе передней левой колесной ниши 1,1 - 1,2 7, обшивки панелей крыши 15 - 20 3, ребра панелей основания АМг2Н 6,0 - 7,0 9, ребра панелей крыши Из рассмотрения рис. 2.3.52 – рис. 2.3.54 и табл. 2.3.24 можно сделать вывод о том, что прочность модифицированного кузова типа «монокок» на режиме из гиба обеспечивается.

- 158 а) б) Рис. 2.3.54. НС деталей из АМг2Н2 на режиме изгиба:

а) ребра основания;

б) ребра крыши. (S, Mises), МПа На рис. 2.3.55 – рис. 2.3.57 показано напряженное состояние тех же частей конструкции, что и на рис. 2.3.52 – рис. 2.3.54 соответственно. Для улучшения на глядности отображения распределения напряжений по элементам несущей систе мы верхние пределы цветовых шкал были снижены. В этом случае напряжения выше, чем установленный верхний предел цветовой шкалы, показываются тем же цветом, что и верхний предел цветовой шкалы.

- 159 а) б) Рис. 2.3.55. НС деталей из стали 10пс на режиме изгиба:

а) вид 3/4 спереди сверху;

б) вид 3/4 спереди снизу.

Снижен верхний предел цветовой шкалы. (S, Mises), МПа - 160 а) б) в) г) д) Рис. 2.3.56. НС деталей из ФК на режиме изгиба:

а) верхняя обшивка основания;

б) верхняя обшивка крыши;

в) нижняя обшивка крыши;

г) цветовая шкала для (а);

д) цветовая шкала для (б) и (в).

Снижен верхний предел цветовой шкалы. (S, Mises), МПа Из рассмотрения рис. 2.3.55 – рис. 2.3.57 можно отметить, что на режиме из гиба распределение напряжений по элементам модифицированной конструкции кузова типа «монокок» аналогично распределению напряжений по соответст вующим элементам исходной конструкции. Исключение составляют обшивки ос нования, на которых наблюдается концентрация напряжений в районе передних колесных ниш. Несмотря на указанную концентрацию напряжений, прочность панелей основания обеспечивается. Следует отметить, что на режиме изгиба ука занная концентрация напряжений существенно меньше, чем на режиме кручения.

Как уже отмечалось ранее, получение более равномерно нагруженной конструк ции может быть достигнуто путем применения усиленной панели основания в районе передних колесных ниш.

На рис. 2.3.58 показано НС модифицированного кузова типа «монокок» вме сте с листовыми обшивками. Сравнивая данный рисунок с рис. 2.3.40(а), можно заключить, что на режиме изгиба нагруженность листовых обшивок остается при мерно на том же уровне, что и в исходном варианте конструкции.

- 161 а) б) Рис. 2.3.57. НС деталей из АМг2Н2 на режиме изгиба:

а) ребра основания;

б) ребра крыши.

Снижен верхний предел цветовой шкалы. (S, Mises), МПа Рис. 2.3.58. НС исследуемого прототипа кузова на режиме изгиба (S, Mises), МПа - 162 Одним из важных аспектов при проведении весовой оптимизации с примене нием различных материалов является стоимость новой конструкции. Оценить степень удорожания (удешевления) по стоимости материалов оптимизированной конструкции по сравнению с исходной, изготовленной из одного материала, мож но по следующей зависимости:

m1 C1 m CК = = 1, (2.3.12) m 2 i C 2 i m 2 ( 2 i / C i ) i i где C К – относительная стоимость конструкций;

m1, m2 – масса базовой и новой конструкции соответственно;

m2i – масса части новой конструкции из i-го ма териала;

2i – массовая доля части новой конструкции из i-го материала по отношению к общей массе новой конструкции;

C1, C 2i – стоимость 1 кг базо вого материала и i-го материала соответственно;

C i – относительная стои мость i-го материала, см. (3.2.21).

Относительная стоимость конструкций показывает во сколько раз базовая конструк ция (индекс 1) дороже модифицированной (индекс 2).

В рассматриваемом случае в качестве базовой выступает исходная конструк ция кузова типа «монокок» (МК), а в качестве новой – модифицированная (МКоп).

Сравнение стоимости (по материалам) исходного и модифицированного кузовов типа «монокок» производится в табл. 2.3.25.

Таблица 2.3.25.

Сравнение стоимости конструкций по материалам i C i * m2i, кг m1 / m Кузов Материал CК Сталь 10пс 0,711 1,00 МКоп 0,137 1,96 ФК 1,615 0, 0,153 0,17 АМг2Н Сталь 10пс 1,000 1,00 МК *См. табл. Е.1 приложения Е Как видно из приведенных в таблице данных, в рассматриваемом случае мо дифицированный кузов типа «монокок» при снижении собственной массы на 38,1% приводит к удорожанию конструкции на 3,8% по сравнению с исходной конструкцией по цене материалов.

- 163 Таблица 2.3.26.

Сводная таблица сравнения рассматриваемых кузовов Кузов Характеристика МКоп МК ТК ПАЗ- Весовые и стоимостные свойства Масса кузова, кг (1) 1716 2772 2674 m / mМКоп 1,000 1,615 1,558 C К (2) 0,962 1 1,037 (1) 8390 (3) 14000 14000 Полная масса автобуса, кг Прочностные и жесткостные свойства на режиме кручения (4) 1,03 1,50 0,97 k min C КР, Н·м/град.(5) 3,31·105 4,75·105 3,27·105 6,46·104 (6) МКоп 1,000 1,435 0,988 0, С КР / C КР (5) 3,600 (6) 7,097 7,097 6, База, м C КРУ, Н·м2/град.(5) 2,35·106 3,37·106 2,27·106 2,33· МКоп 1,000 1,435 0,967 0, C КРУ / С КРУ Прочностные и жесткостные свойства на режиме изгиба k min (7) 1,06 1,06 0,95 (8) C И, Н/мм 4 4 4 4,70·103 (6) 3,71·10 4,44·10 3,88· МКоп 1,000 1,197 1,046 0, CИ / СИ (1) См. табл. 2.3.1 и табл. 2.3.19. (5) См. табл. 2.3.9 и табл. 2.3.21.

(2) См. табл. 2.3.25. (6) Из литературных источников [42], [43].

(3) Из литературных источников [68]. (7) См. табл. 2.3.17 и табл. 2.3.24.

(4) См. табл. 2.3.11 и табл. 2.3.22. (8) См. табл. 2.3.16 и табл. 2.3.23.

Из приведенной в данном пункте информации можно сделать следующие выводы относительно полученных результатов и характеристик кузова типа «мо нокок» с оптимизированными по массе трехслойными панелями:

кузов типа «монокок» позволяет производить оптимизацию трехслойных па 1) нелей основания и крыши отдельно (см. гл. 4), без специального рассмотре ния их взаимодействия с остальными частями кузова, при этом, при замене исходных трехслойных панелей на оптимизированные, прочность кузова в целом обеспечивается, заметного изменения характера распределения напря жений по прочим элементам конструкции не происходит;

оптимизация трехслойных панелей основания и крыши для рассматриваемого 2) прототипа кузова типа «монокок» привела к снижению собственной массы кузова на 38,1% при удорожании по цене материалов на 3,8%;

по сравнению - 164 с рассматриваемым прототипом кузова традиционной каркасной конструкции соответствующие числа составляют 35,8% и 7,7%;

замена исходных цельностальных трехслойных панелей основания и крыши 3) прототипа кузова типа «монокок» на оптимизированные по массе с примене нием различных материалов панели привела к снижению крутильной жестко сти кузова на 30,3%, изгибной жесткости – на 16,4%, что примерно соответ ствует жесткостным характеристикам рассматриваемого прототипа кузова традиционной каркасной конструкции, однако данные величины жесткостей все еще в 10 и 8 раз выше соответствующих характеристик кузова автобуса ПАЗ-3205, следовательно, указанное снижение жесткостей не является кри тичным.

- 165 2.4. Методика совершенствования весовых, жесткостных и прочностных характеристик автобусных кузовов Блок-схема методики совершенствования весовых, жесткостных и прочностных характеристик автобусных кузовов путем использования свойств конструкций типа «монокок» показана на рис. 2.4.1.

Рис. 2.4.1. Блок-схема методики совершенствования весовых, жесткостных и прочностных характеристик автобусных кузовов на этапе проектирования - 166 Предлагаемая методика осуществляется в 2 этапа:

переход от традиционной каркасной конструкции кузова к конструкции типа 1) «монокок», что дает возможность значительного повышения прочностных и жесткостных свойств кузова на режимах кручения и изгиба (см. п. 2.1 – 2.3);

основание и крыша кузова выполняются в виде трехслойных панелей с 2) «ребристым» средним слоем, для которых производится выбор эффективных материалов и рациональных геометрических параметров, что дает возможность существенного снижения собственной массы несущей конструкции (см. п. 2.3, гл. 3 и гл. 4).

Первый этап предлагаемой методики основывается на теоретических положениях, приведенных в п. 2.1, а также на результатах расчетов и экспериментов, приведенных в п. 2.2 и п. 2.3.

Второй этап предлагаемой методики основывается на теоретических положениях и методиках (методика выбора эффективных материалов, методика определения рациональных геометрических параметров трехслойной панели с «ребристым» средним слоем, используемой в качестве несущего элемента основания или крыши автобусного кузова типа «монокок»), приведенных в гл. 3 и гл. 4.

Основным объектом данной методики является низкопольный кузов автобуса I класса [63], [64], при этом подразумевается, что в ряде случаев возможно распространение приведенных положений и на кузова автобусов прочих классов.

Демонстрация возможностей повышения прочности и жесткости автобусного кузова при постоянной собственной массе произведена в п. 2.3.1 – п. 2.3.7.

Демонстрация возможностей снижения собственной массы несущей системы автобусного кузова при постоянной крутильной и изгибной жесткости и обеспечении необходимой прочности произведена в п. 2.3.8.

- 167 2.5. Примеры практической апробации предложенных принципов и методики 2.5.1. Снижение массы типовой секции автобусного кузова В качестве реального примера рассматривается типовая секция кузова авто буса САМОТЛОР-3242. Основные технические характеристики указанного авто буса приведены в табл. 2.5.1.

Таблица 2.5.1.

Габаритные размеры, м Масса, кг Пассажировместимость, чел.

Длина Ширина Высота Полная Снаряженная Сидячих Стоячих Всего 8,546 2,446 3,037 7205 4720 29 6 В разработке данного автобуса автор диссертационной работы принимал уча стие в качестве ведущего инженера-проектировщика. Фотография внешнего вида автобуса САМОТЛОР-3242 приведена на рис. 2.5.1.

Указанный автобус со ответствует II классу [63], [64], имеет несущий кузов каркасного типа с рамой шасси, интегрированной в его структуру. Каркас кузова сварен из стальных труб прямоугольного сечения, оболочка крыши – стальной Рис. 2.5.1. Автобус САМОТЛОР- лист, настил пола – влаго стойкая фанера. Типовая секция средней части кузова данного автобуса изобра жена на рис. 2.5.2, ее характеристики по массе приведены в табл. 2.5.2.

Таблица 2.5.2.

Характеристики исходной конструкции по массе Наименование Длина, мм Масса, кг Уд. масса, кг/м 260,9 217, Секция целиком Крыша (каркас, оболочка) 41,5 34, Основание (рама, каркас, настил) 146,7 122, - 168 а) б) Рис. 2.5.2. Секция средней части кузова автобуса САМОТЛОР-3242:

а) тонированное отображение;

б) реберное отображение (для раскрытия структуры) На примере данной типовой секции автобусного кузова каркасного типа де монстрируются возможности снижения массы несущих частей за счет замены каркасных конструкций основания и крыши на оптимизированные трехслойные панели. Условие замены – сохранение на существующем уровне или улучшение прочно стных и жесткостных (при изгибе) свойств указанной секции.

2.5.1.1. Замена каркасной структуры основания и крыши оптимизированными трехслойными панелями При помощи предлагаемых в данной работе расчетных зависимостей и мето дик (см. гл. 3 и гл. 4) для кузова рассматриваемого автобуса были разработаны несущие трехслойные панели основания и крыши, оптимизированные по двум ва риантам: 1) минимальная масса конструкции;

2) минимальная стоимость конст рукции при возможности снижения массы.

Параметры упомянутых панелей приведены в табл. 2.5.3 и 2.5.4. В табл. 2.5. и 2.5.6 приведены весовые характеристики разработанных трехслойных панелей и рассматриваемой секции автобуса после введения в ее конструкцию указанных панелей. Здесь же производится сравнение модифицированной и исходной конст - 169 рукций. В табл. 2.5.7 и 2.5.8 приведены стоимостные характеристики новых и ис ходных конструкций (учитывается только стоимость материалов).

Таблица 2.5.3.

Характеристики трехслойных панелей (вариант 1) Мат. обшивок Мат. ср. слоя s3, h3, s1, s2, L, t,, ° [] р, [], Панель E, G, мм мм мм мм мм мм МПа МПа МПа МПа АМг2Н2 ПС ЭД- 2283 3,2 0,8 0,9 105 147 Основание 70000 126,1 8750 189, Пултрузионный стеклопластик на основе ЭД-20 (ПС ЭД-20) 1837 1,2 0,3 0,3 18 15 Крыша 21000 315,4 8750 189, Таблица 2.5.4.

Характеристики трехслойных панелей (вариант 2) Мат. обшивок Мат. ср. слоя s3, h3, s1, s2, L, t,, ° [] р, [], Панель E, G, мм мм мм мм мм мм МПа МПа МПа МПа фанера ФК ПС ЭД- 2283 9,0 3,0 1,2 168 200 Основание 11000 17,1 8750 189, фанера ФКМ ПС ЭД- 1837 3,0 3,0 0,6 90 26 Крыша 9500 25,7 8750 189, В табл. 2.5.3 и 2.5.4 обозначено: E, G – модуль упругости I и II рода соответ ственно;

[] р, [] – допускаемые нормальные (на растяжение) и касательные на пряжения соответственно;



Pages:     | 1 | 2 || 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.