Введение к работе
ІТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Созгіние современных машин качественно вого уровня, для которого характерны усложнение конструкции, повыше-е требований по вибрациям, прочности, надежности и териалоемкости, ускорение морального износа, ставит проблем/ ренной перестройки всего процесса проектирования и доводки машин а зе более широкого использования вычислительной техники, современных тодов взаимосвязанных расчетных и экспериментальных исследований намического поведения конструкций машин.
Одним из направлений технического прогресса в автомобилестрое-и, обеспечивающим достижение высоких эксплуатационных свойств косных машин всех типов, является снижение вибраций и динамических грузок, возникающих от воздействия неровностей дороги и от ащающих частей элементов силового агрегата и трансмиссии, что эновится средством существенного повышения комфортабельности, лговечности, безопасности движения колесных машин и особенно временных автомобилей.
Повышенные уровни вибрации и динамической нагруженности элв-інтов конструкции колесных машин приводит к существенному снижению эксплуатационных качеств:
усталостным повреждениям деталей металлоконструкций, отказам элементов виброзэщиты, виброизоляции и навесных агрегатов машины; повышенной утомляемости водителя и пассажиров; ухудшению сохранности перевозимого груза;
снижению безопасности движения из-за нестабильности контакта колес с дорогой;
повышенному излучению шума внутри кабины (кузова) и в окружающую среду; ухудшению тягово-динамических характеристик и экономичности.
Поэтому при проектировании и доводке колесных машин и аатомо-ілей постоянно существует необходимость решения комплекса азаимо-язанных задач:
Прогнозирование вибрационного состояния конструкций, узлов и ементов колесных машин для оценки плавности хода и сравнения с до-стимыми нормами вибрации на сидениях водителя и пассажиров, для ализа вибронагруженно ~.ти навесных агрегатов автомобиля и перево-мого груза.
Анализ вибрационной и динамической погруженности упругих и дем
фирующих элементов подвески, систем еиброзащиты и виброизоляции ко
струкций колесной машины с целью снижения динамических нагрузок
этих элементах, повышения долговечности их работы, а вследстві
снижения динамических нагрузок на мосты и колеса можно увеличи
статическую нагрузку, т.е. грузоподъемность, особенно грузов!
автомобилей.
Оценка динамической нагруженности и долговечности металлоконс рукций колесных машин, особенно несущих систем и их узло снижение их металлоемкости.
Оценка безопасности движения современных автомобилей по вероя ности отрыва шин от поверхности дороги (анализ деформаций и дин мических усилий в шине).
Определение динамических усилий от колесной машины, особенн большегрузных автомобилей, на дорожное покрытие, вызывающих еі разрушение.
В этой связи важное значение приобретает разработка новых методе
достаточно сложного расчетного исследования пространственных колебї
ний и вибраций, динамической нагруженности с оценкой долговечности эл(
ментов и конструкций колесных машин и автомобилей при различных вида
внешнего воздействия как кинематического. так и силовог
(гармонического, импульсного и случайного) с подтверждение!
результатами экспериментальных исследований современным
испытательными средствами и методами анализа.
Основными оценочными показателями колебаний, вибраций и динг мической нагруженности элементов и конструкций колесных маш^ формирующие критерии для решения указанных задач, были выбран! перемещения, скорости и виброускорения (параметры вибронагруженності' характерных точек конструкций, деформации или усилия в элемента подвески, виброзащиты и виброизоляции, деформации и напряжени, несущих конструкций.
Особенностью современных колесных машин являются развитьи системы подрессоривания, виброзащиты и виброизоляции, использованиі конструктивно сложных и многокаскадных систем. Это вызывает сложної динамическое взаимодействие деформируемых конструкций, навесных аг регатов и элементов виброзащиты колесных машин, подтвержденное стен довыми и дорожными экспериментальными результатами. Поэтому длі конструкции и элементов необходимо учитывать деформируемые свойств;
определенном частотном диапазоне несущих рам, кузовов, кабин, остов, подрамников и нелинейные гистэрезисные свойства іброизоляторов, рессор, пружин, амортизаторов, а ташке поглощающую и лаживающую способность шин.
Для сложной механической системы с нелинейными и деформиру->лыми свойствами отдельных элементов и конструкций, расчет параметров элебаний, вибраций и динамической нагруженное на различные виды тешнего воздействия как кинематического так и силового (гармонического, ипульсного, случайного) наиболее эффективно и целесообразно осуще-гвлпетсп методами численного моделирования на ЭВМ.
Именно разработке методов и программных систем компьютерного оделирования и экспериментального анализа колебаний, вибраций, дина-ической нагруженное и долговечности конструкций и элементов колесах машин на нагрузки, действующие в реальных дорожных условиях (сплуатации колесных машин, уделено в диссертационной работе особое іимание по нескольким причинам:
отсутствие в практике отечественного машиностроения единой про->аммной системы, охватывающей весь комплекс взаимосвязанных проб-вм динамического поседения конструкций создаваемых машин;
и, как следствие, при проектировании колесных машин отсутствие до-гаточно подробных результатов расчетного исследования и выбора пара-івтров конструктивных элементов, определяющих динамическое поведене конструкций, с целью повышения эксплуатационных динамических ка-вств машины;
как показал опыт проектирования и доводки достаточно динамически пожных конструкций машин, программная система и ее использование в роцессе разработки машины объединяет усилия специалистов всех КБ и абораторий, занимающихся различными проблемами в единый творческий оллектив.
Таким образом, изложенное выше подтверждает актуальность дис-ертационной работы.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработка методов и создание программных систем омпыотериого моделирования и экспериментального анализа вибраций, инзмической нагруженности с оценкой долговечности конструкций и эле-іентов колесных машин как пространственных механических систем с четом деформируемости конструкций несущих рам, кузовов, кабин, юстов, подрамников и нелинейных гистерезисных свойств элементов одвески, систем виброзащиты, виброизоляции и шин на различные вилы
- є -
внешних воздействий (кинематические, силовые; гармонически импульсные, случайные) и использование их для исследованиі проектирования и доводки конструкций колесных машин различных классе по критериям вибронагруженности, динамической нагруженности усталостной долговечности.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующи основные задачи:
разработка методов и алгоритмов расчета и анализа вибрационного напряженно-деформированного состояния элементов и конструкций колес ных машин;
создание программных систем расчета и экспериментального анализ колебаний, вибраций, динамической нагруженности с оценкой долговечне сти конструкций и элементов колесных машин на различные виды внешни воздействий;
построение пространственных динамических моделей колесных Мс шин, в большей степени грузовых и легковых автомобилей, состоящих и подсистем твердых и упругих тел, связанных между собой упруго-демпфи рующими соединительными элементами с линейными и нелинейным! характеристиками;
экспериментальные исследования динамических характеристик эле ментов, вибрационного и напряженно-деформированного состояния кон струкции легковых и грузовых автомобилей в стендовых и дорожных уела виях эксплуатации с целью определения или исходных данных для компыо терного моделирования или критериев оценки динамических качеств кон струкции реальных машин;
моделирование и расчетные исследования взаимосвязанных характе ристик вибрационного и напряженно-деформированного состояния с очен кой долговечности конструкций и элементов автомобилей различны: классов на разных этапах проектирования и доводки;
использование результатов расчетных и экспериментальных исследо ваний при проектировании и доводке конструкций различных классої автомобилей по критериям вибронагруженности, динамической нагружен ности и усталостной долговечности;
разработка принципов проектирования конструкций автомобилей ги критериям вибронагруженности, динамической нагруженности и устаяост ной долговечности.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА заключается в следующем:
в использовании при построении динамических моделей метода конечных элементов с дополнительными нелинейными соединительными элементами, произвольно расположенными п пространстве, и с переходом к аиапизу d нормальных координатах разложения по формам собственных колебаний упругих подсистем конструкций колесных машин;
в учете нелинейных, в том числе гистерезисных, динамических характеристик соединительных элементов подвески, систем виброзаициты, виброизоляции и шин в динамических моделях колесных машин;
в автоматизации процедур построения динамических моделей, составления уравнений, генерации программ для численно э интегрирования систем и анализа динамических процессов та..их механических систем колесных машин в созданной программной системе;
в агчлизе вибрационных характеристик элементов и конструкций колесных машин как при случайном воздействии микропрофиля, так и при импульсном от отдельных неровностей дороги;
в применении методов оценки адекватности динамических моделей в характерных точках и элементах конструкций колесных машин по спектральным плотностям и передаточным функциям динамических процессов, показывающих достоверность построенных динамических моделей и сопоставимость результатов расчета и эксперимента;
в расчете напряженно-деформированного состояния деформируемых конструкций колейных машин от дорожных воздействий по созданной программной системе;
в использовании гипотез усталостного накопления повреждений для >ценки долговечности исходя из расчетного определения динамического шпряженно-деформированного состояния конструкций колесных машин.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ результатов заключается в том, что:
созданы программные системы компьютерного моделирования и экс-іериментального анализа вибраций, динамической нагруженности с оцен-:ой долговечности конструкций и элементов колесных машин на совокуп-юсть внешних воздействий;
нз разных этапах проектирования и доводки выполнялись расчетные и кспериментальные исследования вибраций и динамической нагруженности оценкой долговечности конструкций и элементов автомобилей различных лассов;
созданные програмные системы расчета и анализа вибраций и дина-іической нагруженности установлены в подразделениях отечественных втомобильных заводов - АМО ЗИЛ (г.Москва), АО АвтоВАЗ |г.Тольятти),
АО УАЗ (г.Ульпновск), АО КамАЗ (г.Набережные челны) и используются при проектировании и доводке конструкций колесных машин;
результаты по вибрационным характеристикам и по динамической нагруженное как расчетных, так и экспериментальных исследований использовались при проектировании и создании семейства грузовых автомобилей ЗИЛ; большегрузных автомобилей КамАЗ-5325; легковых автомобилей -ВАЗ-2109, ВАЗ-111 КОКА), ВАЗ-2124(2123); автомобилей повышенной проходимости УАЗ-31512, УАЗ-3160 и других;
программные системы, методические разработки и полученные результаты используются в учебном процессе для студентов и аспирантов Московского автомобилестроительного института (МАСИ).
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертации были доложены на IY Всесоюзном симпозиуме "Влияние вибрации на организм человека и проблема виброзащиты" (1982г., Москва), на Всесоюзной конференции по вибрационной технике (1984г., Тбилиси), на Всесоюзных научно-технических совещаниях "Динамика и прочность автомобиля" (Моснва), на IY Всесоюзной конференции. "Автоматизация поискового конструирования и подготовки инженерных кадров" (1987г., Волгоград), на X Всесоюзной конференции "Методы и средства тензометрии и их применение в народном хозяйстве" (1989г., Свердловск), на Всесоюзной конференции "Волновые и вибрационные процессы в машиностроении" (1989г., Горький), на II Всесоюзной конференции "Проблемы виброизоляции машин и приборов" (1989г., Иркутск), на научно-технической конференции "Внешний и внутренний шум автомототехники" (1993г., Дмитров), на Всероссийской научной конференции "Алгоритмическое обеспечение процессов управления в механике и машиностроении" (1994г., Москва), на научно-методическом совете по специальности "Автомибиле- и тракторостроение" Государственного комитета РФ по высшему образованию, на семинаре по проблемам машиноведения, на Ученом совете Института машиноведения.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 25 научных работ: статьи в журналах "Автомобильная промышленность", "Проблемы машиностроения и надежности машин", "Труды МосавтоЗИЛа", в методических рекомендациях Госстандарта, в трудах конференций и других изданиях.
СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, четырнадцати глав, общих выводов, заключения, списка литературы из 191 наименований, оглавления. Общий объем - 438 стр., из них 275 стр. (машинописного текста, 162 рис. на 153 стр., 17 таблиц на 10 стр.
