Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор существующих методов проектирования рамных конструкций 6
2. Анализ причин разрушений несущих элементов рамной конструкции троллейбусов и автобусов во время эксплуатации 16
2.1. Гипотезы разрушения при сложном напряжённом состоянии 16
2.2. Типичные повреждения рам в эксплуатации 25
2.3. Статистические закономерности эксплуатационного ресурса 38
3. Создание и расчёт модели несущей системы транспортного средства (на примере троллейбуса ЗиУ-682Г) 52
3.2. Описание создание модели с помощью системы конечноэлементного расчета «ИСКРА» 56
3.3. Формирование и редактирование модели 56
3.4. Расчёт модели 67
4. Оценка точности расчётов величин напряжений в несущих системах машин методом конечных элементов 107
4.1. Анализ результатов исследования НДС конструкции троллейбуса полученных экспериментально и расчётом 107
4.2. Методика позволяющая с использованием высоких информационных технологий выявить наиболее нагруженные места в конструкции на стадии проектирования 114
Список использованной литературы 117
- Анализ причин разрушений несущих элементов рамной конструкции троллейбусов и автобусов во время эксплуатации
- Статистические закономерности эксплуатационного ресурса
- Формирование и редактирование модели
- Методика позволяющая с использованием высоких информационных технологий выявить наиболее нагруженные места в конструкции на стадии проектирования
Введение к работе
Одной из главных проблем машиностроения является снижение металлоемкости конструкций при обеспечении достаточного уровня их надёжности [1]. В решении этой проблемы наряду с разработкой и применением новых, более прочных материалов и созданием прогрессивных типов конструкций наибольшее значение имеет модернизация методов расчёта на прочность. Традиционный силовой метод расчёта на прочность по допускаемым напряжениям, идея которого была высказана Навье более 170 лет назад, уже подвергался усовершенствованиям с целью более эффективного использования конструкционных материалов. Усовершенствования были произведены в связи с использованием в строительстве и машиностроении пластичных сталей и сплавов, обеспечивающих более высокие уровни надёжности конструкций, чем высокопрочные, но малопластичные материалы. В результате были разработаны метод расчёта по разрушающим нагрузкам (идею метода предложил А.Ф. Лолейт в 1904 г.) и метод расчёта строительных конструкций по предельным состояниям (разработан под руководством Н.С. Стрелецкого в 1953 г.).
В последние годы достигнуты значительные успехи в изучении свойств материалов при циклическом нагружении в различных условиях. Несмотря на это в конструкторской практике преимущественно используются консервативные методики расчёта на прочность, носящие не проектировочный, а проверочный характер. С широким применением вычислительной техники появилась возможность использования методик оптимального проектирования, для которых характерна многовариантность расчётов, что расширяет выбор конструктора при принятии решения.
Одним из таких методов является метод конечных элементов (в дальнейшем МКЭ) [2-8]. МКЭ, реализованный в многочисленных коммерческих вычислительных системах. При современном уровне развития средств вычислительной техники МКЭ позволяет проводить численные исследования напряжённо-деформированного состояния (НДС) достаточно сложных объектов при разнообразных видах воздействия. Весьма эффективным было бы использование
4 этого метода при разработке несущих систем автобусов и троллейбусов. Однако в практике отечественного машиностроения численное моделирование применяется очень ограничено. Одной из причин этого является существующее недоверие разработчиков к численным оценкам НДС конструкций, получаемых МКЭ. Хотя уже во второй половине девяностых годов работами [9-13] было доказано, что их недоверие неоправданно, и на примерах показано, что расхождение между экспериментальным НДС конструкции и НДС полученным расчётным методом не превышает 4%.
В настоящее время в мировом транспортном машиностроении доминирует принцип обеспечения ограниченного ресурса несущих машин с установленной вероятностью разрушения, т.е. обеспечение необходимой экономически целесообразной долговечности деталей, работающих в условиях периодического нагружения. В этой связи существенно повышаются требования к точности оценки долговечности рамных конструкций. Ошибка в оценке долговечности приводит либо к неоправданному повышению металлоёмкости рамы, либо к раннему возникновению отказов. Решение задачи повышения долговечности рам и снижения их металлоёмкости связано с разработкой новых конструкций, применением материалов с улучшенными свойствами, внедрением прогрессивных технологий. Эффективность таких разработок возможна лишь при введении научно обоснованных методов расчётно-экспериментальной оценки НДС рам на этапе опытно-конструкторских работ.
Анализ вопроса показывает, что методы комплексной оценки НДС сложных несущих систем нуждаются в дальнейшем усовершенствовании.
Целью настоящей работы является разработка метода оценки НДС и квазистатической прочности, позволяющего с использованием современных программных комплексов выявить наиболее нагруженные места в конструкции на начальной стадии проектирования, внести необходимые коррективы, обеспечивающие снижение затрат и время на проектирование.
5 На защиту выносятся:
результаты систематизации и обработки данных по типичным разрушениям несущих систем автобусов и троллейбусов в эксплуатации;
статистические закономерности параметров распределения эксплуатационного ресурса различных типов разрушений и установление их сечений в конструкции;
новые расчётные модели несущих систем автобусов и троллейбусов;
оценка напряжённо-деформированного состояния несущих систем автобусов и троллейбусов, выполненная МКЭ для различных вариантов загрузки машины;
результаты сравнительного анализа напряжённо-деформированного состояния элементов несущих систем пассажирских транспортных средств, полученных расчётным путём и экспериментально;
методика проектирования несущих систем машин на ранней стадии разработки конструкции.
Анализ причин разрушений несущих элементов рамной конструкции троллейбусов и автобусов во время эксплуатации
Предсказание разрушения и выбор формы и размеров, при которых можно избежать разрушения детали или конструкции, не представляют особых затруднений, если она находится в условиях одноосного статического напряжённого состояния. Необходимо лишь иметь в распоряжении кривую зависимости между напряжением и деформацией при одноосном деформировании исследуемого материала, которая достаточно просто получается из одного или нескольких испытаний на простое растяжение и сжатие. Например, если текучесть является основной представляющей опасность формой разрушения исследуемой детали то можно предсказать, что деталь разрушится, когда максимальное напряжение в ней достигнет предела текучести, который можно определить из кривой зависимости напряжения от деформации в опыте на простое растяжение. Если же деталь находится в условиях двухосного или трёхосного напряжённого состояния, предсказание разрушения становится более трудным делом. Например, уже нельзя предсказать текучесть, когда напряжение достигнет предела текучести при растяжении, поскольку другие нормальные напряжения тоже могут влиять на текучесть материала. Кроме того, не существует одного или нескольких простых экспериментов, с помощью которых можно было бы охарактеризовать процесс разрушения в многоосном напряжённом состоянии. Потребовалось бы проведение большого числа сложных испытаний, в которых компоненты напряжений изменялись бы в области их значений, образуя всевозможные комбинации, но даже при этом было бы очень трудно оценить влияние таких внешних факторов, как концентрация напряжений, температура, условия окружающей среды. Когда инженеры сталкиваются со сложностями такого рода, они всегда стремятся создать теорию, которая позволила бы установить соответствие между поведением материала в сложных условиях и его поведением при простых легко обрабатываемых испытаниях с помощью некоторых характерных величин - «модулей». В частности, когда требуется предсказать возможность разрушения элемента машины, находящегося в многоосном напряжённом состоянии, обычно используется какая либо гипотеза, устанавливающая зависимость между разрушением при многоосном напряжённом состоянии и разрушении такого же вида в испытании на простое растяжение путём соответствующего выбора в качестве характерной величины таких величин, как напряжение, деформация или энергия.
Чтобы такую характерную величину можно было использовать, она должна быть вычислима в многоосном напряжённом состоянии и легко измерима в простом одноосном опыте. Основное предположение, на котором основываются все гипотезы разрушения, состоит в том, что разрушение произойдёт, когда максимальное значение некоторой выбранной механической величины в многоосном напряжённом состоянии становится равным или превышает значение той же сомой величины, при котором происходит разрушение испытываемого образца из того же материала в простом одноосном состоянии. Подводя итог, можно сказать, что любая гипотеза разрушения при сложном напряжённом состоянии должна строится с учётом следующего: 1. Она должна основываться на некоторой модели, которую можно описать с помощью математических соотношений и которая даёт возможность установить соотношение между внешней нагрузкой и напряжениями, деформациями или другими механическими характеристиками в критический момент времени при многоосном напряжённом состоянии. 2. Она должна основываться на использовании некоторых физических характеристик материала, которые можно измерить. 3. Она должна устанавливать соответствие между характерными механическими величинами, которые можно рассчитать для многоосного напряжённого состояния, и измеримыми характеристиками разрушения, соответствующими характерным значениям физических свойств материала при простом одноосном испытании. Известно много гипотез разрушения при сложном напряжённом состоянии, удовлетворяющим этим условиям: гипотеза максимального нормального напряжения; гипотеза максимального касательного напряжения; гипотеза максимальной нормальной деформации; гипотеза полной удельной энергии деформации; гипотеза удельной энергии формоизменения; гипотеза прочности Мизеса. Рассмотренные гипотезы разрушения-позволяют сделать вывод: 1. Для изотропных материалов, разрушающихся хрупко, лучше всего использовать гипотезу максимального нормального напряжения. 2. Для материалов, разрушающихся хрупко, у которых предел прочности при сжатии значительно отличается от предела прочности при растяжении, лучше всего использовать модифицированную гипотезу Мора. 3. Для изотропных материалов, которые разрушаются при наступлении текучести путём пластического разрыва, лучше всего использовать гипотезу удельной энергии формоизменения. 4. Для изотропных материалов, которые разрушаются при наступлении текучести или путём пластического разрыва, гипотеза максимального касательного напряжения также хороша, как и гипотеза удельной энергии формоизменения. 5. Для материалов, которые разрушаются, при наступлении пластичности и у которых предел текучести при сжатии существенно отличается от предела текучести при растяжении, хорошо использовать гипотезу Мора. 6. Гипотезу максимального касательного напряжения можно применять для изотропных материалов с удлинением менее 5% на базе 2 дюйма, а гипо- тезу удельной энергии формоизменения для материалов с удлинением 5% и более на базе 2 дюймов.
Сравнивая оценку гипотез разрушения с поломками возникающими в процессе эксплуатации можно сказать, что в данном случае подходит гипотеза удельной энергии формообразования или гипотеза Губера-Мизеса-Генки, т.к. разрушение происходит при достижении напряжений в элементах предела текучести, а материал, использованный в конструкции изотропный. Для дальнейшей оценки прочности конструкций примем гипотезу Губера-Мизеса-Генки. Формулировка гипотезы, предложенной в 1904 г. Губером и развитая впоследствии Мизесом и Генки, звучит следующим образом: Разрушение в условиях многоосного напряжённого состояния происходит, когда удельная энергия формоизменения становится равной или превосходит удельную энергию формоизменения в момент разрушения образца из того же материала в условиях одноосного напряжённого состояния. Гипотеза удельной энергии формоизменения появилась как уточнение гипотезы полной энергии деформации, учитывающая то, что гипотеза полной удельной деформации неправильно описывает поведение материалов при гидростатических напряжённых состояниях. При разработке гипотезы полной удельной энергии формоизменения использовалось то обстоятельство, что полная удельная энергия деформации может быть разделена на две части: энергию, связанную лишь с изменением объёма, которая называется энергией дилатации, и энергию, связанную лишь с изменением формы, которая называется энергией формоизменения. Далее предполагается, что разрушение, особенно при пластическом поведении, связано исключительно с энергией формоизменения, а дила-тационная энергия не оказывает на него никакого влияния. Чтобы получить выражение для энергии формоизменения, рассмотрим элемент объёма под действием главных напряжений а і ,( и ст3 и, как показано на рис. 2.1, векторы главных напряжений в каждом направлении разложим на две параллельные составляющие. Причём одна из этих составляющих во всех трёх направлениях имеет одинаковую величину S. В ссоответствии с этим можно записать: В этих выражениях составляющая S одинаковая во всех трёх направлениях и поэтому представляет собой гидростатическую составляющую напряжения. В результате действия гидростатических составляющих напряжения изменяется объём, и, как было сказано ранее, лишь они дают вклад в дилатацион-ную энергию.
Статистические закономерности эксплуатационного ресурса
Вариационные ряды распределений ресурсов, полученные в результате наблюдений за троллейбусами и автобусами, находящимися в эксплуатации, обработаны методами теории вероятности и математической статистики. Данные вариационных рядов сгруппированы по классам (число классов выбиралось равным 10 [40]) и представлены в табл. 2.3 - 2.8. Математическое ожидание пробега до поломки вычисляется по формуле: где: п, - число поломок в классе; кс - среднее значение величины пробега в классе; N - число членов выборки. Среднеквадратичное отклонение S - величина, характеризующая среднюю изменчивость изучаемой величины, определялась по формуле; Суть графических оценок состоит в том, что по расчётным точкам вероятностей и пробегов троллейбуса экспериментальное распределение, построенное в различных вероятностных сетках, аппроксимируется прямыми линиями. Прямая линия может быть проведена по результатам расчёта её параметров методом наименьших квадратов. Как считают авторы работы [40], вполне приемлемо прямую провести «на глаз», учитывая веса точек распределения. Так, крайние точки распределения имеют малые веса и в некоторых случаях ими можно пренебречь. Наибольшие веса имеют точки середины распределения. Поэтому при проведении прямой «на глаз» следует поступать таким образом, чтобы средние точки распределения равномерно располагались по обе стороны от прямой. Процесс машинного проектирования предполагает разработку конструктивных форм нового транспортного средства в виде набора типовых узлов или элементов с использованием банка данных, в котором содержатся сведения, обобщающие накопленный опыт в создании подобных конструкций и учитывающие современные тенденции конструирования. Составленная таким образом модель является основой для дальнейшего анализа её на прочность, долговечность и устойчивость при соблюдении условий, накладываемых технологическим процессом и экономическими требованиями. Причём анализ должен быть многовариантным с целью получения оптимального конструктивного решения по основным параметрам. Исследование неоднородных напряженно-деформированных состояний конструкций при наборе общих граничных условий и внешних нагрузках накладывает определённые требования на методы такого анализа в задачах автоматизированного проектирования.
К числу таких требований можно отнести универсальность, высокую точность, оперативность получения результатов, существенную ориентацию на ЭВМ с целью рассмотрения большого числа вариантов, возможность наряду с анализов всей конструкции производить уточнённый анализ наиболее ответственных элементов применительно к основным эксплуатационным условиям нагружения. С этой целью в работе используется метод конечных элементов, который при наличии соответствующей библиотеки конечных элементов (КЭ) позволяет с высокой точностью в едином подходе описать любой по форме объект, состоящий из различных типов материалов, исследовать возникающие в нём поля напряжений и деформаций, особенно в зонах концентрации при любых заданных граничных условиях и внешних нагрузках, выполнить расчёты на прочность, устойчивость и долговечность как для одной и той же расчётной схемы, так и для других схем. Вместе с тем, использование метода сопряжено и с определёнными труд- ностями, которые связаны, прежде всего с созданием оптимальной расчётной схемы, обеспечивающей заданную точность решения при относительно малых затратах труда и времени, с алгоритмическими особенностями и трудностями машинной реализации. Поэтому в данной главе рассмотрены вопросы связанные именно с созданием расчётной модели тяжелонагруженной несущей системы на примере городского троллейбуса марки ЗиУ-682Б. Несущий кузов исследуемого городского троллейбуса представляет собой тонкостенную конструкцию, состоящую из балочных элементов (каркас), пластин и оболочек (обшивка, пол). Каркас имеет более 400 узлов, соединённых между собой балочными элементами (свыше 800). Материал неоднородный (обшивка - стальной лист, а пол - бакелизированная фанера). Система подвески комбинированная. В неё входят рессоры и пневмобаллоны. Задняя подвеска состоит из 2-х рессор и 4-х пневмобаллонов, а передняя из 2-х рессор и 2-х пнев-мобаллонов [42]. Расчётная схема составлялась для двух вариантов загрузки троллейбуса (обычной - 5 чел/м и пиковой 8 чел/м), которые делились на три варианта на-гружения троллейбуса: соответствующих опиранню троллейбуса на все четыре колеса, вывешиванию правого переднего колеса и вывешиванию левого переднего колеса, что делалось для сопоставимости результатов расчёта с экспериментом. Для того, чтобы число элементов и узлов, образующих конечно-элементную модель кузова, лежало в разумных пределах предварительно выполнен анализ конструктивных особенностей несущей системы троллейбуса [43], соотношений жёсткостных параметров образующих его элементы и др. На основе анализа выявлено, что при расчёте на общую прочность допустимо упрощённое представление локальных особенностей (подкрепления и ослабления в виде косынок, вырезов и др.), а разбиение пластин и оболочек, образующих пол и обшивку, следует осуществлять с учётом стремления избежать сингулярности решения.
В соответствии с этим обшивка представлена в расчётной схеме упрощённо (выбор узлов определялся, главным образом, расположением узлов каркаса, с которыми соединены пластины), а каркас разбивался на балочные конечные элементы таким образом, чтобы они повторяли его конструктивные формы (узловые точки в расчётной схеме совпадают с узловыми точками в реальной конструкции), т.к. при этом выдерживается требование относительно ошибок дискретизации. Метод конечных элементов [44] - это способ анализа поведения реальной конструкции при заданных нагрузках и перемещениях. МКЭ использовался в работах отечественных [45-82] и зарубежных [83-88] авторов, и хорошо себя зарекомендовал. Основной единицей представления конструкции в этом анализе является конечный элемент - геометрически упрощённое представление малой части конструкции. Создаётся модель конструкции, используя дискретные конечные элементы, которые образуют сетку, покрывающую всю модель (какой тип элемента применять решает оператор, в зависимости от ряда факторов, таких как геометрическая форма и ожидаемое поведение конструкции - например, важен ли изгиб). Программа может по стандартным формулам вычислить свойства каждого элемента, например, коэффициенты жёсткости и распределение масс. Элементы объединяются в модель в некоторых точках пространства, называемых узлами. Узлы пронумерованные, чтобы их можно было отличить друг от друга, вместе с элементами осуществляют приближённое описание (дискретизацию) сложной модели. В зависимости от типа, ориентации и числа элементов, соединяющихся в узле, этот узел может противодействовать поступательным перемещениям и вращениям вдоль и относительно определённых направлений. Каждое отдельное возможное перемещение или вращение называется степенью свободы; оно представляет собой неизвестную величину, подлежащую определению. Таким образом, перемещение узла определяется его поступательными перемещениями вдоль осей X, Y, Z и его вращения относительно этих осей (т.е. узел может иметь всего 6 степеней свободы). На основании описания соединений элементов в узлах программа объединяет (осуществ- ляет сборку) свойства отдельных элементов в эквивалентные, но гораздо более сложные, характеристики полной модели. Созданная, таким образом, модель конструкции позволяет определить поведение реальной конструкции, т.е. её отклик на внешние воздействия.
Формирование и редактирование модели
ИСКРА - это не отдельная программа, а система полностью совместимых программ для формирования, нагружения, расчёта деталей конструкции и анализа результатов. Эти программы, называемые процессорами, работают из единой унифицированной базы данных, которая создаётся для любой задачи решаемой с помощью ИСКРЫ. При постановке и решении задачи выполняется определённая последовательность процессоров, каждый из которых выполняет часть процесса конечноэлементного анализа. Процедуры ИСКРЫ представляют собой стандартную последовательность процессоров, выполняемых в нужном порядке для решения конкретной задачи. Некоторые процедуры могут быть автоматизированы. Для таких случаев предусмотрены специальные макропроцессоры, которые избавляют от необходимости последовательного вызова процессоров. Несмотря на то, что, в зависимости от характера модели и требуемых результатов, процедуры используют различные процессоры, анализ всегда выполняется, в общем, по одной и той же схеме: На первом этапе используется процессор BEAMCS [89] - он предназначен для задания геометрических характеристик сечений элементов, прежде всего -поперечных сечений балочных элементов. Библиотека ИСКРЫ содержит часто используемые профили поперечных сечений балочных элементов, а также стандартные поперечные сечения прокатных профилей. Процессор позволяет также выводить на экран изображение поперечного сечения на экран и получать информационные таблицы с такими данными как площадь поперечного сечения, эффективная площадь сдвига, момент инерции, высота и ширина сечения, толщина стенки, полки или фланца и т.д. На рис. 3.1 представлено сечение, используемое в расчётной модели, примеры других типов сечений представлены в Приложении 1. На рис. 3.1. с правой стороны: А -площадь поперечного сечения; AQ и АР - эффективные площади сдвига относительно осей Y и Z соответственно; IP, IQ - моменты сопротивлений сечения; J - центральный момент сопротивления сечения; ZQ, YG - координаты центра тяжести сечения; ZO, YO - координаты точки присоединения элемента в расчётной схеме (в данном случае оно совпадает с центром тяжести); AL - угол поворота сечения относительно горизонтали; Н,В,ТН,ТВ - основные размеры сечения - ширина, высота, толщина стенки по ширине, толщина стенки по высоте соответственно.
После задания сечений модели используется процессор EDITM - предназначен для создания сложных объёмных моделей. Сначала задаются характеристики материалов командой ELMAT. Данной командой определяем номер материала (если используется несколько материалов), определяем значения таких параметров как: предел текучести, модуль Юнга, Модуль сдвига, коэффициент Пуассона, плотность материала, коэффициент линейного расширения, коэффициент демпфирования, коэффициент теплопроводности, удельная теплоёмкость. Затем командой POINTS в расчётную модель вводятся координаты узлов X, Y, Z, соответствующие местам соединения элементов в реальной конструкции, со своими идентификаторами (номерами). Далее соединяем полученные узлы элементами. Это производится командой ВЕАМ2. ВЕАМ2 - команда определяющая балочный элемент, воспринимающий осевые, сдвигающие, изгибающие и крутящие нагрузки. Учитывается влияние деформаций сдвига, косого изгиба и внецентренного растяжения-сжатия. Составляющие и результирующие напряжений определяются в локальной системе координат элемента. Командой задаются балочные элементы 1 -го порядка. Предварительно, до задания элементов, должны быть заданы материал и характеристики сечений элементов посредством соответствующих команд. Для каждого элемента необходимо задать 3 узла: Два концевых и один, определяющий положение базовой плоскости, для ориентации поперечного сечения элемента [90] (рис.3.2). Также в расчётной схеме использовалась обшивка - пластины. Для задания пластин использовалась команда QM4 - задаются четырёхугольные изопа-раметрические мембранные элементы. Предварительно задаются характеристики материалов и толщина пластины. Важно также вводить номера узлов соединяемых пластиной в последовательности показанном на рис. 3.3, так как в противном случае возникнут сингулярности. После введения всех необходимых элементов и узлов в процессоре EDITM предусмотрено графическое представление полученной расчёт- ной схемы рис.3.4. Далее запускается процессор BULKF, который оставляет у модели только те степени свободы, которые она может поддерживать по своей природе. После определения соответствующего набора степеней свободы BULKF изменяет список текущих узловых степеней свободы в базе данных. Процессор также выдаёт предупреждения, если обнаружит какие либо вырожденные элементы с нулевой площадью. На завершающем этапе моделирования каркаса запускается процессор OPTIM, который имеет назначение минимизировать полуширину ленты матрицы жёсткости. Данной операцией процессор сокращает разброс коэффициентов по площади матрицы жёсткости, что повышает эффективность проводимых вычислений.
На втором этапе происходит задание граничных условий, и задаются действующие на модель нагрузки. В самом начале данного этапа необходимо определить действующие усилия от навесного оборудования, установленного на раме, и от действия пассажиров. Нагрузка от навесного оборудования определялась по схеме размещения агрегатов [42] и прилагалась к близлежащим узлам (рис.3.6). Нагрузка от пассажиров определялась для сидячих и стоячих (5 чел/м2 и 8 чел/м2) пассажиров соответственно планировки салона троллейбуса рис.3.7. Выполненное ранее исследование НДС расчётной модели ЗиУ-682Г сравнение их с экспериментальными данными показало, что оптимальной схемой закрепления модели является схема, показанная на рис.3.9. Конструкция закреплена в опорных точках 1,2,3, как показано на рис. 3.9. Причём опора 2 и опора 3 зафиксированы от перемещений по оси Y и X. Кроме того опора 2 зафиксирована от перемещений по оси Z. Во всех опорах разрешены вращения вокруг всех осей. Для одинакового варианта загрузки схемы было смоделировано три случая граничных условий - изгиб (когда расчётная схема опирается на все три опоры), кручение на правый борт (убрана опора 1 см. рис. 3.9 с правой стороны) и кручение на левый борт (убрана опора 1 см. рис. 3.9 с левой стороны). Данные варианты граничных условий соответствуют условиям, созданным при проведении натурных испытаний по определению НДС конструкции троллейбуса ЗиУ 682Г [98]. Это даёт возможность сравнения получаемых результатов расчёта НДС конструкции МКЭ с экспериментальными данными. Первым запускается процессор ADSTIF. Его назначение заключается в вычислении распределения дисковой памяти для собранной матрицы жёсткости. ИСКРА разбивает матрицу жёсткости на небольшие блоки (максимум 18x18) не формируя и не запоминая нулевые блоки. ADST1F устанавливает набор ненулевых блоков и строит схему распределения памяти для эффективного запоминания матрицы. Сначала процессор просматривает файл узлов и группирует узлы таким образом, чтобы полное число степеней свободы в блоке не превышало 18. Затем формируется таблица ссылок между узлами и соответствующими группами, просматривается список элементов и определяются ненулевые подматрицы- матрицы жёсткости. Далее исследуется процесс декомпозиции и вводится дополнительная память, учитывая нулевые блоки. Наконец создаётся директория матрицы жёсткости. Все последующие процессоры, работающие с матрицей жёсткости, требуют наличия этой директории. Следующим запускается процессор ELSTFF, который производит вычисление матриц жёсткости элементов и их запись во вспомогательный файл.
Методика позволяющая с использованием высоких информационных технологий выявить наиболее нагруженные места в конструкции на стадии проектирования
На основе выполненных исследований эксплуатационной прочности, расчётных величин напряжений в элементах конструкции предложена методика рис. 4.5 позволяющая с использованием высоких информационных технологий выявлять наиболее нагруженные места в конструкции на стадии проектирования, вносить необходимые коррективы, что позволило снизить затраты и время проектирования. 1. На первом этапе разрабатывается эскизный проект конструкции машины. Наиболее часто при эскизном проектировании используются аналоги с соблюдением всех ограничений, предусмотренных ГОСТ (габариты, вес, радиус поворота и так далее). 2. Для эскизного проекта несущей системы машины разрабатывается расчётная модель конструкции по рекомендациям, предложенным в третьей главе. Задаются сечения элементов и их материал, нагружение модели и её закрепление, то есть граничные условия. 3. Проводится расчёт напряжённо-деформированного состояния элементов конструкции с помощью программных комплексов, использующих метод конечных элементов. 4. Анализируется напряжённо-деформированное состояние элементов конструкции и особенно тех сечений, которые подвергались разрушениям в аналогичных конструкциях. 5. По всем элементам конструкции выявляются сечения, суммарные касательные напряжения т 10МПа. В этих сечениях на следующем этапе меняется поперечное сечение, обеспечивающее неравенство т \0МПа. При выполнении этого условия прочности переходим к следующему этапу. 6. По окончательно принятой расчётной модели разрабатывается конструкторская документация. Применение данной методики позволит максимально избежать мест в конструкции, подверженных разрушениям в эксплуатации, вносить необходимые коррективы в конструкцию несущей системы и соответственно в исходные данные расчётной модели с целью обеспечения требуемой прочности.
Такая доработка конструкции на ранней стадии проектирования даёт возможность снизить время проектирования и разработать рациональную конструкцию. 1. Предложена новая методика разработки несущих систем машин на ранней стадии проектирования, в основу которой положена оценка уровня касательных напряжений в сечениях элементов при кручении конструкции, определяющих вероятность её разрушения. Установлено, что уровень касательных напряжений в 10МПА обеспечивает неразрушение конструкции в эксплуатации. 2. Анализ результатов расчёта и эксперимента величин нормальных напряжений показал их качественное и количественное совпадение, что свидетельствует о достоверности принятой расчётной модели. 3. Исследование напряжённо-деформированного состояния несущих систем транспортных машин, выполненное методом конечных элементов для различных вариантов загрузки машины при изгибе и кручении, позволило выявить характер распределения касательных и нормальных напряжений по элементам конструкции и оценить напряжённое состояние в местах разрушения элементов конструкции. 4. Проанализирован обширный материал по поломкам элементов несущих систем автобусов и троллейбусов в эксплуатации, имеющих разную конструкцию несущей системы. Установлено, что наиболее частыми разрушениями конструкции 49% являются разрушения элементов в районе заднего моста и крепления двигателя. Эксплуатационные распределения ресурсов при коэффициенте вариации последнего v=0.5.. .0.8 хорошо аппроксимируются законом Вейбулла. 5. Анализ величин средних ресурсов несущих систем машин до поломки показал, что большинство конструкций имеют ресурс меньше требуемого. Внедрение предлагаемой методики позволит снизить вероятность разрушений конструкции в эксплуатации и тем самым обеспечить нормативный срок службы машины.
