Введение к работе
Актуальность темы. Повышение требований к показателям производительности, металлоемкости, надежности колесных и гусеничных машин связано с обеспечением прочности их систем, узлов и деталей. Перспективы отечественных предприятий транспортного, тракторного и сельскохозяйственного машиностроения в условиях конкуренции с зарубежными производителями во многом определяются способностью наладить выпуск продукции, соответствующей мировому уровню качества. Необходимость сокращения сроков проектирования и доводки новой техники и высокие затраты на проведение экспериментальных исследований повышают роль расчетных методов в оценке прочности конструкций. Разработка и обоснование таких методов является комплексной задачей, требующей глубокого анализа вопросов теории расчетов на прочность несущих систем машин, обоснования новых расчетных моделей, разработки и совершенствования математических методов, алгоритмов и программ, что в совокупности представляет собой крупную научную проблему, имеющую важное хозяйственное значение. В настоящее время возможности расчетных методов в прикладных задачах анализа напряженного состояния и оценки прочности несущих систем мобильных машин используются не в полной мере, и области их применения могут быть расширены. Поэтому тема диссертации актуальна.
Цель работы: создание единого методологического подхода в теории, методах, алгоритмах и программном обеспечении расчетов на прочность для повышения точности анализа напряженного состояния и оценок прочности конструкций и его реализация в исследованиях высоконагруженных несущих систем гусеничных и колесных тракторов.
Объекты исследования: несущие системы промышленных гусеничных тракторов Т-170, ТЗ ООО «ЧТЗ-УРАЛТРАК», сельскохозяйственного колесного трактора ВК-170 ВгТЗ-НАТИ; стрелы кранов-трубоукладчиков ТР12, ТР20 000 «ЧТЗ-УРАЛТРАК».
Методы исследования: методы теории упругости, теории пластичности, теории устойчивости механических систем, механики оболочек, теории колесных и гусеничных машин, метод конечных элементов, метод граничных элементов, методы теории вероятностей, математической статистики, линейной алгебры, геометрического моделирования, компьютерной графики.
Научная новизна:
1. Прикладные методы расчета на прочность, расчетные схемы и конечно-элементные модели несущих систем промышленных гусеничных тракторов Т-3, Т-170, сельскохозяйственного колесного трактора ВК-170, отражающие упругую податливость рам, корпусов модулей трансмиссий, взаимодействие с ходовыми и навесными системами, конструктивные особенности (стенки, фланцы, ребра жесткости, перегородки, отверстия, болтовые соединения, оси, шестерни, зубчатые зацепления), при обоснованных типичных режимах нагружения в соответствии с закономерностями нагруженности несущих систем тракторов.
-
Метод определения коэффициентов запаса прочности и вероятности неразрушения деталей на основе обобщения статистических закономерностей нагруженности тракторов с учетом оценок по данным экспериментов среднего значения в распределении максимумов процессов нагружения.
-
Новая модель треугольного конечного элемента для линейного и геометрически нелинейного анализа тонкостенных конструкций при статических и динамических воздействиях.
4. Новые методы вычислительной математики в задачах механики при расчетах на прочность конструкций машин: метод итерационного решения систем линейных алгебраических уравнений высокого порядка, ускоренный за счет специальной структуры разреженных матриц; метод редуцирования матриц в суперэлементном динамическом анализе с повышенной точностью за счет смешанного представления степеней свободы в виде смещений по физическим и нормальным координатам.
-
Комплексная прикладная методика двухмерного и трёхмерного анализа геометрической концентрации напряжений в сварных швах с дефектами в виде подрезов в нахлесточных и стыковых сварных соединениях несущих систем и результаты исследования концентрации напряжений в упругой и упругопластической постановке.
-
Метод исследования устойчивости тонкостенных конструкций при сложном неоднородном напряженном состоянии и наличии в конструкции одновременно зон сжатия и растяжения.
-
Результаты исследования нелинейного деформирования и устойчивости стрел кранов-трубоукладчиков на основе моделей, учитывающих особенности тонкостенных балок стрел, сварных кронштейнов, накладок, косынок, при внецентренном сжатии и неоднородном напряженном состоянии конструкции.
Достоверность результатов обеспечена строгим математическим обоснованием разработанных методов расчета, подтверждена сравнением расчетных напряжений в рамах и корпусных узлах тракторов с данными экспериментов, достигнутой степенью сходимости при решении тестовых задач, результатами эксплуатационных испытаний усовершенствованных конструкций.
Практическая значимость:
1. Создан программный комплекс методов конечных и граничных элементов для решения задач статики, динамики и устойчивости в линейной и нелинейной (физически, геометрически, конструктивно) постановках с использованием новых эффективных вычислительных алгоритмов. Применение этого комплекса позволило решить актуальные научные и прикладные задачи анализа напряженного состояния и оценки прочности несущих систем ряда отечественных гусеничных и колесных тракторов промышленного и сельскохозяйственного назначения.
2. По результатам проведенных расчетов несущих систем гусеничных тракторов Т-170, Т-3 рекомендованы и внедрены практические меры по повышению прочности конструкций.
-
Для несущей системы колесного трактора ВК-170 на основе расчетного анализа напряженного состояния обоснованы усовершенствованные варианты конструкций повышенной прочности (рамы, корпусов проставки, картера коробки передач, заднего моста).
-
Полученные закономерности влияния геометрических параметров дефектов сварных швов на величину коэффициентов концентрации напряжений положены в основу расчетной оценки прочности и практических мер по совершенствованию сварных конструкций.
-
По результатам расчетов и оценки прочности и устойчивости стрел кранов-трубоукладчиков ТР12, ТР20 разработаны практические рекомендации, направленные на совершенствование конструкции стрел и технологии их изготовления.
Реализация результатов работы. Разработанный программный комплекс и результаты проведенных расчётных исследований использованы на разных этапах проектирования, доводки и модернизации несущих систем тракторов и транспортной техники различного назначения:
-тракторов Т-10, Т-3, бульдозерно-рыхлительного агрегата Б-190 на базе трактора Т-170, стрел кранов-трубоукладчиков ТР12, ТР20 ООО «ЧТЗ-УРАЛТРАК» (г. Челябинск);
-трактора ВК-170 ОАО «ВгТЗ» (г. Волгоград), ОАО «Научно-исследовательский тракторный институт НАТИ» (г. Москва);
трактора ВТ-150Д ОАО «ВгТЗ»;
кузовов вагонов электропоездов ЭД9М, ЭД4Э, ЭД4МКМ ОАО «ДМЗ» (г. Демихово);
конструкций железнодорожного подвижного состава в совместных работах ОАО «ВНИИЖТ» (г. Москва) и предприятий-изготовителей железнодорожной отрасли.
Имеющиеся акты внедрения приведены в приложении диссертации.
Программные и методические разработки использованы в учебном процессе в МГИУ (по специальности «Автомобили и тракторы») и в МГУИЭ (по специальности САПР).
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты диссертации доложены и обсуждались на 9 Международной научно-технической конференции по динамике и прочности автомобиля, Москва, ИМАШ РАН, МАМИ (2005 г.); на Международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем - 2005», Волгоград, ВолГТУ (2005 г.); на Международной научно-технической конференции «Динамика, прочность и ресурс машин и конструкций», Киев, Институт проблем прочности им. Г.С. Писаренко HAH Украины (2005 г.); на Международной научной конференции, посвященной 90-летию В.И. Феодосьева «Ракетно-космическая техника. Фундаментальные и прикладные проблемы механики», МГТУ им. Н.Э. Баумана (2006 г.); на Международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию каф. «Колесные машины», МГТУ им. Н.Э. Баумана (2006 г.); на Всероссийской научно-технической конференции,
посвященной 100-летию Д.Н. Решетова «Машиноведение и детали машин», МГТУ им. Н.Э. Баумана (2008 г.) и на других научных конференциях, имеющих Всероссийский или международный статус.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 61 печатной научной работе, в том числе в 19 работах в ведущих рецензируемых научных журналах Перечня ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, десяти глав, выводов и списка литературы (304 наименований), изложена на 312 стр. (основной текст), содержит 79 рис., 26 табл., 3 приложения.
