Содержание к диссертации
Введение
1. Безопасность и несущая способность кузовов, кабин автомобилей, автобусов: проектирование, расчет, испытания. состояние проблемы оценки и задачи работы 20
1.1. Состояние расчетных методов оценки прочности конструкций 21
1.2. Состояние расчетных методов оценки безопасности кузовов и кабин 26
1.3. Состояние работ в области экспериментальной оценки безопасности и несущей способности кузовных конструкций 31
1.4. Анализ требований, норм прочности и безопасности, предъявлявмых к кузовным конструкциям автотранспортных средств 39
1.5. Результаты анализа состояния проблемы и задачи диссертационной работы 46
2. Методологические основы проектирования кузовов, кабин по условиям обеспечения безопасности и несущей способности 51
2.1. Методы оценки безопасности и несущей способности кузовных конструкций 52
2.2. Синтез конструкторского решения на основе системного подхода к проектированию безопасных и прочных конструкций 57
2.3. Критерии и условия оценки безопасности, прочности кузовных конструкций 63
2.4. Методы расчетной оценки безопасности и несущей способности кузовных конструкций 66
2.4.1. Оценка безопасности конструкций 69
2.4.2. Оценка прочности и жесткости конструкций 80
2.5. Метод оценки безопасности кузовов автобусов при доводке и сертификации на соответствие требованиям Правил ЕЭК ООН № 66 по результатам расчетов и испытаний их отдельных секций 86
2.6. Методы специальной экспериментальной оценки несущей способности кузовов и кабин в условиях действия аварийных и эксплуатационных нагрузок 93
2.6.1. Оценка работоспособности конструкций в упругой фазе деформирования 94
2.6.2. Методика проведения специальных разрушающих испытаний конструкций, их секций и участков в условиях действия аварийных нагрузок. 96
2.6.3. Оценка несущей способности кузовов и кабин в условиях, имитирующих действие эксплуатационных нагрузок 97
2.7. Результаты и выводы по главе 98
3. Теоретические основы оценки безопасности и несущей способности кузовов и кабин 99
3.1. Основы расчета кузовных конструкций на безопасность 100
3.1.1. Алгоритм расчета кузовов и кабин методом последовательных приближений 100
3.1.2. Инженерный (кинематический) метод расчета кузовов и кабин на безопасность 104
3.1.3. Алгоритм инженерного расчета кабин грузовых автомобилей на безопасность 115
3.1.4. Инженерный расчет кузовов легковых автомобилей на безопасность 125
3.1.5. Расчет кузовов автобусов на безопасность 136
3.1.6. Особенности нелинейного расчета кузовных конструкций на основе метода конечных элементов 147
3.2. Основы расчета несущей способности кузовов и кабин 148
3.3. Особенности расчета и оценки влияния температурного фактора (климатических условий) на несущую способность кузовов и кабин 161
3.4. Результаты и выводы по главе 163
4. Расчетная оценка безопасности, несущей способности кузовов и кабин при проектировании, доводке, сертификации автомобилей, автобусов 165
4.1. Комплексная оценка безопасности, несущей способности кабин грузовых автомобилей 165
4.1.1. Анализ работоспособности кабин автомобилей ГАЗ-53А, ГАЗ-53-12, ГАЗ-4301 в условиях действия эксплуатационных и аварийных нагрузок 165
4.1.2. Оценка и повышение несущей способности кабин грузовых автомобилей ГАЗ-3307, ГАЗ-4301, опытного образца ГАЗ-3301, КамАЗ-
4320 по условиям безопасности, прочности и снижения металлоемкости 185
4.1.3. Повышение безопасности и несущей способности кабины грузового автомобиля ГАЗ-3302 при проектировании 193
4.2. Выбор рациональной модификации конструкции кузове с надрам-ником автомобиля-самосвала КамАЗ-55111 повышенной грузоподъемности при обеспечении прочности и долговечности 196
4.3. Снижение металлоемкости конструкции кузова (грузовой платформы) прицепа к легковому автомобилю 201
4.4. Оценка несущей способности и безопасности конструкции кузова специального фургона 204
4.5. Комплексная оценка безопасности и несущей способности кузовов легковых автомобилей 206
4.5.1. Анализ несущей способности кузова автомобиля ГАЗ-2410 и его элементов с точки зрения оценки безопасности 206
4.5.2. Сравнительная оценка несущей способности передней части кузовов автомобилей ГАЗ-31029 и ГАЗ-3102 210
4.5.3. Повышение безопасности и несущей способности опытных образцов кузова легкового автомобиля среднего класса 212
4.6. Комплексная оценка безопасности и несущей способности кузовов автобусов «СЕМАР» при проектировании и создании конструкций 221
4.6.1. Проектирование и создание безопасных, равнопрочных конструкций кузовов опытных образцов автобусов полукапотной компоновки нашасси грузовых автомобилей ГАЗ-3307 и ГАЗ-3309 «Садко» 222
4.6.2. Проектирование, создание безопасного, равнопрочного кузова автобуса СЕМАР-3224 и его модификаций для серийного производства 224
4.7. Повышение безопасности и несущей способности кузовов вахтовых автобусов НЗАС-420801, 42111, 42112, 42113 при обеспечении заданной металлоемкости и долговечности 228
4.7.1. Расчетно-экспериментальная оценка несущей способности и безопасности кузова модели 420801 229
4.7.2. Расчетная оценка безопасности и несущей способности кузовов вахтовых автобусов моделей 42111,42112, 42113 237
4.8. Оценка несущей способности опытного образца кузова городского автобуса КамАЗ-5262 239
4.9. Комплексная оценка безопасности и несущей способности кузовов автобусов ПАЗ 244
4.9.1. Оценка несущей способности кузовов автобусов ПАЗ-3205, ПАЗ-3206 244
4.9.2. Повышение безопасности и несущей способности модификации кузова для автобуса малого класса 260
4.9.3. Доводка конструкций кузовов автобусов ПАЗ-5271, ПАЗ-4228 при проектировании по требованиям равнопрочности и безопасности 265
4.10. Результаты и выводы по главе 270
5. Экспериментальная оценка безопасности и несущей способности кабин, кузовов. пути повышения безопасности и пючности кузовных конструкций автотранспортных средств . 273
5.1. Анализ несущей способности и оценка безопасности кабины грузового автомобиля ГАЗ-53А 275
5.2. Исследование характеристик безопасности кузова легкового автомобиля на примере ГАЗ-2410 282
5.3. Комплексная оценка несущей способности и безопасности кузова вахтового автобуса НЗАС-420801, каркасов крыши и основания 287
5.4. Оценка несущей способности кузова (грузовой платформы) прицепа к легковому автомобилю 301
5.5. Оценка безопасности, несущей способности кузова автобуса ПАЗ-3205, его секций, участков и элементов 302
5.6. Результаты и выводы по экспериментальной оценке безопасности, несущей способности кузовов, кабин 320
5.7. Пути повышения безопасности, несущей способности кузовов, кабин автомобилей, автобусов при проектировании и доводке 321
Основные результаты и выводы 326
Список использованной литературы 332
Приложение 370
- Состояние работ в области экспериментальной оценки безопасности и несущей способности кузовных конструкций
- Метод оценки безопасности кузовов автобусов при доводке и сертификации на соответствие требованиям Правил ЕЭК ООН № 66 по результатам расчетов и испытаний их отдельных секций
- Инженерный расчет кузовов легковых автомобилей на безопасность
- Повышение безопасности и несущей способности кабины грузового автомобиля ГАЗ-3302 при проектировании
Введение к работе
Повышение безопасности кузовных конструкций автотранспортных средств при обеспечении заданной долговечности и металлоемкости является одной из важных народно-хозяйственных и социальных проблем. Решение проблемы во многом определяется дальнейшим совершенствованием процессов проектирования, доводки, сертификации кабин и кузовов автомобилей, автобусов. Большое значение при этом имеет развитие методов оценки несущих свойств конструкций. Наиболее широкое применение из них нашел экспериментальный метод, основанный на результатах натурных стендовых или полигонных испытаний полномасштабных конструкций в отдельности или в составе всего автомобиля (автобуса). Этот метод имеет неоспоримое преимущество по достоверности получаемых результатов. Однако сравнительно высокая трудоемкость и стоимость экспериментальных работ ограничивает его возможности на этапе доводки при поиске рациональной конструкции, когда требуется рассмотрение большого количества вариантов разрабатываемой конструкции, а также при оценке безопасности конструкции в различных аварийных ситуациях. Это связано с проведением испытаний большого количества дорогостоящих опытных образцов. Из-за отсутствия такой возможности, особенно в настоящее время, зачастую необходимая для этого программа испытаний сводится к минимальному объему работ, связанному со стендовыми испытаниями одного или двух образцов конструкции и с сертификацией автомобиля. В последнем случае испытаниям подвергается, как правило, один автомобиль. Но и это в настоящее время под силу не каждому заводу, особенно если речь идет о сертификации городского или туристического автобуса, имеющего высокую потребительскую стоимость. Все это указывает на необходимость дальнейшего совершенствования расчетных методов оценки безопасности и несущей способности кузовов, кабин, применения системного подхода, базирующегося на комплексной оценке несущей способности конструкций на всех этапах проектирования, доводки, сертификации с использованием расчетных и экспериментальных методов оценки.
Несмотря на достигнутые успехи в этой области, в отечественном автомобиле-и автобусостроении остаются нерешенными вопросы, связанные с разработкой норм прочности, критериев оценки безопасности кузовных конструкций при проектировании; отсутствуют общепринятые методики расчета и оценки работоспособности конструкций в условиях действия эксплуатационных и аварийных нагрузок. Не применяется системный подход в решении практических задач при создании безопасных и равнопрочных конструкций. Отсутствует метод инженерного расчета кузовов и кабин на безопасность, позволяющий конструктору оперативно выбирать рациональную силовую схему конструкции на первоначальном этапе проектирования. Это затрудняет проведение целенаправленного поиска безопасной и прочной конструкции при разработке автотранспортного средства.
Важное значение в настоящее время придается развитию разработок в области совершенствования расчетно-экспериментальных методов оценки безопасности и прочности кузовных конструкций при доводке, сертификации автомобилей и автобусов. Ограниченное применение расчетных методов оценки при сертификации существенно затрудняет и сдерживает процесс ее проведения в современных экономических условиях из-за высокой стоимости проведения натурных испытаний.
Поэтому разработка концепции комплексной оценки безопасности и несущей способности кузовных конструкций при проектировании, доводке, сертификации автотранспортных средств является одной из актуальных проблем автомобиле- и ав-тобусостроения. На основании этого сформулирована цель работы.
Цель работы
Решение научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, связанной с повышением безопасности, несущей способности кабин, кузовов автомобилей, автобусов на основе развития методов оценки и расчета кузовных конструкций на безопасность и прочность; практической реализации результатов.
Методы исследований
В теоретических исследованиях использованы методы математического моделирования, механики сложных пространственных статически неопределимых кон струкций, теорий упругости и пластичности, механики разрушения конструкций, численные методы решения систем дифференциальных уравнений и нелинейных алгебраических уравнений. В исследованиях использовались пакеты программ «Спринт», ANSYS, GIFTS, NASTRAN упругого расчета методом конечных элементов и пакет нелинейного расчета LS DYNA-3D. Экспериментальные исследования проводились лабораторными методами на натурных образцах кабин, кузовов, их секциях, участках и элементах, с применением специально спроектированного и изготовленного оборудования для статических и ударных испытаний конструкций. Прочность отдельных конструкций оценивалась также по результатам дорожных испытаний.
Научную новизну работы составляют:
- метод комплексной оценки безопасности и несущей способности кузовных конструкций автотранспортных средств с применением системного подхода при проектировании, обоснованных критериев оценки, методов расчета и математических моделей;
- метод расчета кузовов и кабин на безопасность; алгоритмы, программы расчета разрушающих нагрузок и пластических характеристик сечений; аналитические зависимости, устанавливающие взаимосвязь между ними с учетом упруго-пластических свойств конструкций;
- метод оценки пассивной безопасности автобусов при доводке и сертификации на соответствие требованиям Правил ЕЭК ООН № 66 на основе результатов расчетов и испытаний отдельных секций кузовов;
- расчетные модели кузовных конструкций, принципы их выбора и обоснования для решения практических задач повышения безопасности, несущей способности кузовов и кабин.
Квалификационная формула работы
В данной диссертационной работе на основе выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований осуществлено решение научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, связанной с вопросами оценки и повышения безопасности, несущей способности кузовов, кабин автомобилей, автобусов, основные теоретические положения которой могут быть распространены на все кузовные конструкции автотранспортных средств, а полученные результаты и рекомендации могут быть использованы при проектировании, доводке, сертификации новых и модернизированных конструкций.
Основные положения, выносимые на защиту Из теоретических разработок - метод расчета кузовов и кабин на безопасность; аналитические зависимости, определяющие взаимосвязь несущей способности конструкций по разрушающим нагрузкам и геометрических параметров их силовых элементов; математические модели рассматриваемого семейства кузовных конструкций.
Из научно-методических - методологические основы проектирования кабин, кузовов с применением комплексной оценки их безопасности и несущей способности, системного подхода в использовании расчетных и экспериментальных методов оценки, соответствующих моделей и образцов на всех этапах создания конструкций; разработанных критериев и методов расчетно-экспериментальной оценки безопасности и прочности кузовных конструкций.
Из научно-технических - результаты исследований безопасности, несущей способности семейства кузовных конструкций автомобилей, новых проектных разработок и конструктивных решений автобусов, практические рекомендации, направленные на повышение безопасности, обеспечение равнопрочности и снижение металлоемкости конструкций; комплекс оборудования и аппаратуры для проведения специальных испытаний кузовных конструкций по оценке безопасности, несущей способности.
Достоверность результатов
Проведенные испытания натурных образцов кабин и кузовов, их секций и силовых элементов в лабораторных условиях на специально разработанных и созданных стендах подтвердили основные теоретические положения, принятые гипотезы и допущения, обоснованность практического применения разработанных методов оценки и расчета безопасности, несущей способности кузовных конструкций.
Объекты исследования
В качестве объектов исследования выбрано семейство кузовных конструкций:
- кузова автобусов ПАЗ-3205, ПАЗ-5271, ПАЗ-4228; Семар-3234, Семар-3280, опытного образца полукапотной компоновки Семар-3228; вахтовых автобусов НЗАС-420801, НЗАС-42111, НЗАС-42112, НЗАС-42113; опытного образца городского автобуса КамАЗ-5262.
- кабины грузовых автомобилей ГАЗ-3302, ГАЗ-3307, ГАЗ-53-12; КамАЗ-4320;
- кузова легковых автомобилей ГАЗ-3102, 2410, 31029, опытных образцов перспективного легкового автомобиля (ГАЗ-3105);
- кузова автомобиля-самосвала КамАЗ-55111 и его модификаций; кузов прицепа НЕФ A3 к легковому автомобилю; кузов специального фургона.
Практическая ценность заключается в создании теоретических и методологических основ оценки безопасности и несущей способности, предназначенных для использования при проектировании, доводке, сертификации автомобилей, автобусов. Разработанные аналитические зависимости разрушающих нагрузок от параметров конструкций являются необходимым инструментом для конструктора, позволяющим оперативно решать практические задачи выбора рациональных по условиям безопасности кузовов и кабин. Практическую значимость составляют результаты проведенных исследований и разработанные рекомендации по повышению безопасности, несущей способности кабин и кузовов при обеспечении заданной долговечности, снижении металлоемкости.
Реализация результатов работы
Результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде методов расчета и испытаний, конкретных практических рекомендаций по повышению безопасности, несущей способности кузовов и кабин, снижению их металлоемкости, внедрены на заводах ОАО «Павловский автобус», ОАО «ГАЗ», ОАО «СЕМАР», ОАО «НЕФA3» и реализованы:
- при разработке, создании и производстве автобусов Семар-3234; при разработке и изготовлении опытных образцов автобусов полукапотной компоновки Семар-3228 на шасси автомобиле ГАЗ-3307, ГАЗ-3309 «Садко»;
- при доводке кузовов автобусов ПАЗ, НЗАС, кабин грузовых автомобилей ГАЗ, кузова автомобиля-самосвала КамАЗ-55111 и его модификаций, грузовой платформы прицепа НЕФ A3, специального фургона, кузовов легковых автомобилей среднего класса.
Апробация работы
Основные положения работы и результаты исследований докладывались я обсуждались на региональных и международных научно-технических конференциях, проводимых ежегодно в НГТУ и НТОМашпром (г. Нижний Новгород, 1983 - 2000 гг.), на совещаниях и международных научно-технических конференциях «Динамика и прочность автомобиля» (Москва, Институт машиноведения РАН им. А.А. Бла-гонравова, 1984 - 2000 гг.), на всесоюзной научно-технической конференции в г. Челябинске (1984 г.), на XXX международной научно-технической конференции «Безопасность конструкции автотранспортных средств» (г. Дмитров, ГУП «НИЦИ-АМТ», 2000 г.), на республиканских научно-технических конференциях (г. Николаев, 1985 г.; г. Ташкент, 1986 г., г. Кутаиси, 1989 г.), на научно-технических конференциях (г. Москва, МАДИ, 1989, 1990 гг.; г. Таллинн, ТТУ, 1990 г.), на международной и всероссийской научных конференциях (г. Волгоград, ВГТУ, 1999 г.; г. Тольятти, ТПИ, 2000 г.) и международных научных симпозиумах (г. Москва, МГТУ «МАМИ», 1999, 2000 гг.).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 62 научные работы, 9 методических разработок, написано 60 научно-технических отчетов по госбюджетным и хоздоговорным НИР с участием автора в качестве руководителя или ответственного исполнителя темы. В число научных работ входят 3 авторских свидетельства на изобретения. Автор работы является научным редактором учебных пособий «Законодательные и потребительские требования к автомобилям» объемом 400 страниц [75],
«Курсовое и дипломное проектирование колесных и гусеничных машин» объемом 124 страницы [30] и соавтором учебного пособия «Шасси автомобиля. Атлас конструкций» объемом 23 п.л. [292].
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих результатов и выводов, списка использованной литературы из 368 наименований, приложения. Диссертация содержит 292 страницы машинописного текста, 160 рисунков, 26 таблиц и 25 страниц приложения с распечатками программ и актами внедрения результатов работы.
Структурное содержание и порядок изложения материала подчинены поставленной цели и решаемым задачам. Последовательное изложение материала в работе и главах построено таким образом, что каждая глава, раздел и подраздел являются частью комплексного и системного подхода к оценке безопасности и прочности кузовных конструкций, основой для последующей главы. Каждая глава имеет свои выводы, а в разделах дается краткое резюме.
В первой главе дан анализ состояния проблемы и работ по исследованию, оценке безопасности, несущей способности кузовных конструкций при проектировании, доводке и сертификации автотранспортных средств; поставлены основные задачи.
Во второй главе рассмотрены методологические основы проектирования кузовов и кабин по условиям обеспечения безопасности и прочности, включающие поэтапное применение отдельных методов оценки работоспособности конструкций. Дается обоснование критериев и методов оценки безопасности, несущей способности конструкций. Приведены основные этапы разработанных методов расчетной оценки безопасности кузовных конструкций при проектировании и расчетно-экспериментальной оценки при доводке и сертификации.
Третья глава посвящена теоретическим основам расчета и оценки безопасности, несущей способности кузовных конструкций. В ней приведены основные уравнения и зависимости, положенные в основу метода конечных элементов и исполь зуемые в данной работе при оценке прочности. Отмечены особенности применения МКЭ в суперэлементной постановке, используемой в данных исследованиях. Приведена разработанная автором теория оценки безопасности кузовных конструкций, основанная на инженерном методе и методе последовательных приближений. Рассматриваются алгоритмы расчета на безопасность кузовов автобусов и легковых автомобилей, кабин грузовых автомобилей. Выведены аналитические зависимости несущей способности конструкций по разрушающим нагрузкам от геометрических и физических параметров конструкций, необходимые конструктору для проектирования безопасных кузовов и кабин.
В четвертой главе приводятся материалы по практической реализации разработанной теории, методов расчета и оценки безопасности, несущей способности на примерах семейства кузовных конструкций, охватывающего все типы кузовов и кабин. В ней рассмотрены результаты комплексной оценки работоспособности кузовов автобусов и легковых автомобилей, кабин грузовых автомобилей, направленной на повышение их безопасности, прочности, при обеспечении заданной металлоемкости и долговечности.
В пятой главе рассмотрены способы экспериментальной оценки безопасности, прочности кабин и кузовов; несущей способности их секций и силовых элементов на основе разработанного метода; применяемое оборудование. Проведенные специальные исследования направлены на обоснование правомерности применения разработанных методов оценки и теоретических положений, на подтверждение обоснованности принятых гипотез и допущений, на доказательство достоверности полученных результатов и практических разработок. В последнем разделе пятой главы даны направления повышения безопасности, несущей способности кузовов, кабин при проектировании и доводке на основе выполненных исследований, полученных результатов и разработанных практических рекомендаций.
В заключение приведены основные результаты и выводы.
В приложении помещены распечатки разработанных программ и копии актов внедрения результатов работы.
Автор выражает глубокую признательность своему учителю профессору В.Б. Цимбалину.
Автор благодарит сотрудников кафедры «Автомобили и тракторы» и соавторов трудов за оказанную помощь в выполнении и оформлении работы.
Состояние работ в области экспериментальной оценки безопасности и несущей способности кузовных конструкций
Проблема оценки безопасности, несущей способности кузовов и кабин автотранспортных средств неразрывно связана с вопросами их повышения, обеспечения долговечности, снижения металлоемкости при проектировании и доводке. Она затрагивает и особенности проведения оценки при сертификации автомобилей и автобусов. Повышению несущей способности кузовных конструкций автотранспортных средств всегда уделялось большое внимание. Не случайно кузова и кабины относят к несущим системам, призванным воспринимать эксплуатационные и аварийные нагрузки. Исторически сложились определенные требования к проектированию кузовов и кабин, методы оценки их несущей. На каждом этапе развития автомобиле- и автобусостроения применяемые методы определялись соответственно уровнем совершенствования науки, техники, технологии производства, материалов.
Общие вопросы, связанные с проектированием, испытаниями, прочностью, долговечностью кузовов, кабин и рам автотранспортных средств достаточно широко освещены в отечественной и иностранной литературе. В работах К.М. Атояна [23], Л.В. Барахтанова [30], [179], Н.Ф. Бочарова [113], М.С. Высоцкого [51], [52], С.С. Дмитриченко [69], Ю.А. Долматовского [70], О.И. Гируцкого [68], Б.В. Гольда [62], [63], А.М. Кац [100], В.Н. Кравца [75], [118], [119], А.П. Куляшова [131], А.Г. Малышева [137], Е.В. Михайловского [149], В.В. Осепчугова [196], А.Н. Островцева [202], [203], Ю.И. Палутина [150], [214], А.А. Петрова [220], А.А. Полунгяна [113], В.Ф. Платонова [221], В.Ф. Родионова [238], Р.В. Ротенберга [239], Е.Я. Тура [150], И.Н. Успенского [272], Б.М. Фиттермана [238], В.Б. Цимбалина [293], Н.Н. Яценко [309], [310], Дж. Фентона [247], В.К. Штробеля [308] и других даются основы традиционных методов проектирования, испытания, сертификации кузовных конструкций с учетом предъявляемых к ним требований. Опыт многих из них нашел применение на ведущих автомобильных заводах в практической деятельности конструкторских отделов под руководством известных главных конструкторов Ю.В. Кудрявцева, Г.К. Мирзоева, А.П. Дорохова, Б.К. Кузнецова, Н.Б. Софонова. Примерно до восьмидесятых годов проектирование кузовов, кабин в отечественном кузовостроении практически велось без применения САПР, расчетных методов оценки безопасности и прочности, за исключением отдельных работ, проводимых заводами в рамках совместных договоров с исследовательскими институтами и организациями. Создание кузовных конструкций осуществлялось на основе опыта и интуиции конструкторов, наработанных данных по аналогам, результатов испытаний опытных образцов и рекомендаций исследовательских разработок. Основной акцент делался на доводку конструкций в процессе производства с учетом результатов, получаемых при испытаниях и эксплуатации. Не секрет, что в конструкцию заранее закладывался излишний металл для того, чтобы обеспечить гарантированный первоначальный запас прочности. В последующем, по мере изучения ее несущих свойств при испытаниях и эксплуатации, проводились мероприятия по снижению ее металлоемкости. Применение только аналоговых и эмпирических методов оценки несущих свойств кузовных конструкций существенно снижало эффективность процесса создания рациональных конструкций по условиям безопасности и прочности. Сокращению сроков разработки и создания автотранспортных средств, отвечающих предъявляемым требованиям способствовало внедрение на автомобильных заводах САПР и применение расчетных методов оценки работоспособности несущих систем автомобилей и автобусов, которые имеют свою историю развития.
Начало развитию расчетов несущих систем автомобиля и автобуса положено СИ. Котляром, Д.Б. Гельфгатом [56], [57], [58], [59], Н.Ф. Бочаровым [41], К.М. Атояном [21], [23], 3. Бржоска [348], Б. Шамо [349], Я. Павловским [213]. Применяемые ими в период 50-х - 60-х годов методы оценки прочности конструкций кузовов и рам базировались на теории изгиба балок, которыми представлялись отдельные части несущих систем.
Основоположником теории расчета и норм прочности кузовов автобусов является Д.Б. Гельфгат. Им разработана теория упругого расчета несущих автомобильных кузовов на базе методов расчета тонкостенных конструкций, используемых в судостроении [42], [43], авиастроении [109], [ПО], вагоностроении [298], в основу которой были положены работы В.З. Власова [44], М.В. Винокурова, Н.А. Кузьмина [129], Е.И. Никольского [156], А.А. Уманского [259], Д. Аргириса [313], Е. Тессейра [271], А. Лукаса [329] и других ученых.
Дальнейшее развитие расчетный анализ прочности кузовов автобусов и легковых автомобилей, основанный на методах строительной механики и теории упругости, получил в работах М.Б. Школьникова [301], [302], [304], [305], [340], Н.И. Воронцовой [49], [50], Н.И. Белякова [39], Г.М. Багрова [27], [26], А.А. Крылова [120], О.И. Гируцкого [61] и других ученых школы НАМИ. Результатом их работ явилось создание теоретической и экспериментальной базы в НАМИ и на Автополигоне, необходимой для проведения оценки прочности кузовов, кабин, рам автомобилей и автобусов. На материалах этих работ М.Б. Школьниковым были разработаны основы теории строительной механики автомобиля [303], проведена доводка несущих систем кузовов ряда отечественных автобусов с целью получения рациональных конструкций по условиям равнопрочности и снижения массы элементов О.И. Гируцким [61], [62].
Определенный вклад в развитие теоретических и экспериментальных исследований несущей способности кузовных конструкций внесли ученые Львовской школы (кузова автобусов): В.В. Осепчугов [197], К.М. Атоян [22], [24], Р.А. Акопян [3], [23], С.А. Ташлыцкая [265]; Нижегородской школы (кузова легковых автомобилей и автобусов, кабины, рамы): В.Б. Цимбалин [287], [288], [289], [290], [292], СМ. Кудрявцев [121], [122], [127], [128], В.И. Песков [216], [217], [218], [219], В.А. Колтунов [105], [107], Р.А. Насурлаев [154] и другие; школы МГТУ им. Н.Э. Баумана (кузова автобусов, рамы): Н.Ф. Бочаров [42], В.Н. Зузов [80], [81], [82]; школы завода ВТУ- За (рамы грузовых автомобилей): М.Н. Закс [76], В.Н. Белокуров [40], [76]; Санкт-Петербургской школы (рамы грузовых автомобилей): В.Б. Проскуряков [227], А.А. Иванов [83]; школы МГТУ «МАМИ» (кузова автобусов): Э.И. Григолюк [66], Е.А. Коган [103], Н.А. Кулаков [130], [66], В.И. Еремин [72], А.Н. Любин [133], [134], Ю.А. Савостьянок [249]; ученые школы МАДИ и ПАЗа (кузова автобусов): И.Н. Порватов, A.M. Иванов [84], Н.Б. Софонов [257].
Метод оценки безопасности кузовов автобусов при доводке и сертификации на соответствие требованиям Правил ЕЭК ООН № 66 по результатам расчетов и испытаний их отдельных секций
Испытания кузовных конструкций на безопасность проводятся с целью проверки соответствия автомобилей и автобусов приведенным международным и отечественным стандартам; проведения их сертификации. На данный момент они в основном проводятся в ГУП «НИЦИАМТ» или по согласованию с «САТР-фонд» на заводах, где имеется соответствующее оборудование. На центральном автополигоне накоплен богатый опыт работ в области натурных испытаний автомобилей и стендовых оценок их кузовных конструкций по условиям безопасности. Именно здесь разрабатывались методики испытаний и существующие нормативные документы при активном участии известных ученых и исследователей: А.И. Рябчинского [242], [245], [247], Р.К. Фотина [275], [246], Э.Н. Никульникова и А.В. Антипцева [18], В.В. Фролова [248], Ю.Ф. Благодарного [18], М.В. Лыюрова и О.В. Мельникова [244]. Опыт их работ обобщен в известных монографиях В.Н. Иванова и В.А. Лялина [85], А.И. Рябчинского [243]; учебном пособии Л.Л. Афанасьева, А.Б. Дьякова и В.Л. Илларионова [25]. Эти работы являются первыми в области разработки методологических основ исследования и оценки пассивной безопасности автотранспортных средств. В работе А.И. Рябчинского [243] впервые проведено нормирование экспериментальной оценки безопасности кузовов легковых автомобилей и автобусов, кабин грузовых автомобилей в соответствии с нормативными предписаниями, требованиями Правил ЕЭК ООН. В ней также большое внимание уделено вопросам планирования экспериментов, обработки результатов испытаний; рассмотрению расчетно-экспериментальных методов исследования безопасности кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей; разработке нормированных размеров жизненного пространства для автотранспортных средств. Уточнению размеров этого пространства посвящены также работы И.К. Коршакова [114] (МАДИ), М.А. Андронова, Ф.Е. Межевича, В.Н. Фридлянова [16] (НАМИ). Результаты этих работ нашли отражение в соответствующих ГОСТах и ОСТах, приведенных выше, а также в работе Э.И. Григолюка, Е.А. Когана, Н.А. Кулакова [66].
Определенный вклад в развитие экспериментальных методов оценки безопасности кузовов легковых и кабин грузовых автомобилей внесли М.Б. Школьников и Ю.Р. Тагунов [306], [307]. Их исследования были направлены на развитие стендовых ударных испытаний отдельных частей кузова легкового автомобиля на этапе проведения доводочных работ при оценке безопасности кузова в условиях лобового столкновения и опрокидывания автомобиля. Исследованию безопасности кабин гру» зовых автомобилей посвящена работа В.В. Фролова [248]. В ней рассмотрен расчет-но-экспериментальный метод оценки безопасности кабины на основе теоретического моделирования процесса бокового опрокидывания автомобиля и проведения эксперимента по нагружению кабины боковыми усилиями, определяемыми расчетом. Расчетом решалась задача по выявлению нагрузочного режима для кабины, возникающего при опрокидывании автомобиля. Подобные исследования проводились отечественными и иностранными учеными на примере изучения и моделирования процесса лобового столкновения легкового автомобиля с неподвижным препятствием. Известны работы в этом направлении ученых Г. Мацуоло [330], [331], [332], И. Фиала [312], М. Хамона, М. Камела, Ф. Корнаки [318], В. Лоуэ [328]. В области экспериментальных исследований процессов столкновения и опрокидывания автомобилей большой опыт накоплен в итальянском центре безопасности при участии И. Франкини [321], [322], Л. Локати [327], Ф. Гайя, А. Гарро [324], Ф. Фазолио и А. Рана [320].
Экспериментальным исследованиям энергопоглощающих свойств различных вариантов каркаса основания кузова автобуса и бамперной системы посвящены работы М.В. Цыцива и М.Д. Палюха [294], [295]. В этом же направлении выполнены исследования П. Стрифлером [341], В. Рейдельбахом [337]. Уникальные эксперименты по ударному воздействию на несущие конструкции колесной автомобильной техники при подрыве на фугасных зарядах проведены группой исследователей В.И. Ереминым, Н.А. Кулаковым, Ю.М. Лушниковым, Б.Н. Мальковским и А.Г. Худяковым [72]. На основании испытаний получен материал, необходимый для дальнейшего моделирования процессов расчетным путем и разработки рекомендаций по созданию безопасных конструкций рассматриваемых специальных грузовых автомобилей. Из анализа экспериментальных методов оценки безопасности кузовных конструкций установлено: - основным методом оценки безопасности кузовов и кабин остается на настоящий момент экспериментальный на этапе контрольных испытаний и сертификации; - наибольшее распространение при этом получили натурные полномасштабные испытания конструкций в составе транспортных средств на соответствие условиям и требованиям Правил ЕЭК ООН. Это относится к кузовам легковых автомобилей в условиях, имитирующих столкновения, и к испытаниям кузовов автобусов в случае опрокидывания [224], [225]; - стендовые испытания кузовов легковых автомобилей регламентируются только ОСТами в случаях опрокидывания и бокового удара; - безопасность кабин оценивается по результатам стендовых испытаний, предусмотренных Правилами ЕЭК ООН № 29; - стендовые контрольные испытания кузовов автобусов вместимостью более 22 пассажиров пока не получили распространения, хотя их возможность предусмотрена Правилами ЕЭК ООН № 66. Эти испытания предусмотрены также Правилами № 52 для транспортных средств общего пользования небольшой грузоподъемности (вместимостью до 22 пассажиров).
Проведенный анализ методов испытаний автотранспортных средств на пассивную безопасность показывает, что в настоящее время ведущими автозаводами страны не уделяется должного внимания заводским доводочным испытаниям кузовных конструкций на безопасность в лабораторных условиях, за исключением ОАО «АвтоВАЗ». Не используются возможности расчетно-экспериментальнои оценки безопасности конструкций по результатам анализа несущей способности их отдельных частей, секций и силовых элементов.
Инженерный расчет кузовов легковых автомобилей на безопасность
Анализируя многолетний опыт работ в области проектирования, доводки, испытания, расчетов и исследований кузовных конструкций автотранспортных средств, можно заключить, что в настоящее время на его основе многими ведущими отечественными заводами достигнуты значительные успехи в области применения системы автоматизированного проектирования и расчетов. Богатый опыт накоплен в области проведения доводочных работ на основании стендовых и дорожных натурных полигонных испытаний, по сертификации техники на базе результатов экспериментов, существующих нормативных документов, опыта работ ГУЛ «НИЦИАМТ».
Однако следует отметить, что все проводимые ранее исследования затрагивали только одну из сторон проблемы: или прочность, или безопасность какой-либо конструкции. Не известны работы, в которых бы комплексно рассматривались вопросы оценки безопасности и прочности на примерах семейств кузовов автобусов и легковых автомобилей, кабин грузовых автомобилей. Именно комплексный подход позволяет выявить общие закономерности работоспособности несущих систем в условиях действия эксплуатационных и аварийных нагрузок, наметить пути их совершенствования, выработать методологию их проектирования.
Анализ проблемы показывает, что наряду с широким внедрением на ведущих заводах современных зарубежных программных комплексов прочностных расчетов и начинающимся использованием пакетов нелинейного расчета, остается нерешенной проблема применения системного подхода в проектировании и доводке кузовных конструкций. Его основу составляет последовательное применение различных расчетных и экспериментальных методов оценки безопасности, прочности конструкций на всех этапах создания транспортных средств, включая их сертификацию, при проведении которой должны учитываться расчетные и экспериментальные наработки, полученные на заводе-изготовителе. Это требует разработки методологических основ проектирования кузовных конструкций по условиям обеспечения безопасности и прочности, систематизации методов расчета.
Анализ существующих требований прочности и безопасности, предъявляемых к кузовам и кабинам, наработок по нормированию прочности несущих систем автотранспортных средств свидетельствует о том, что до сих пор в кузовостроении недостаточно проработана нормативная база по оценке прочности, практически отсутствуют обоснованные критерии оценки безопасности кузовных конструкций при проектировании. Существующие требования Правил ЕЭК ООН по пассивной безопасности нормируют в основном энергию удара, размеры внутреннего остаточного пространства, необходимого для выживания водителя и пассажиров, перегрузки участников дорожно-транспортного происшествия. Эти критерии являются необходимыми для оценки безопасности транспортных средств по результатам натурных испытаний, но недостаточными для проведения расчетной и расчетно-экспериментальной оценок безопасности. Они не дают конструктору-расчетчику полной информации для проектирования безопасной конструкции кузова или кабины. Конструктору трудно представить способ и средства конечного результата по автомобилю в целом, если отсутствуют нормируемые характеристики по кузову или кабине. Он должен иметь дополнительные, более конкретные критерии, которые можно легко оценивать и контролировать в ходе проектирования конструкции доступными для него методами. Поэтому становится актуальным вопрос о создании теории расчета кузовов, кабин на безопасность и разработке необходимых критериев ее оценки.
Анализ работ, связанных с проектированием и оценкой безопасности кузовных конструкций, показал, что в практике кузовостроения отсутствует теория расчета и проектирования безопасных конструкций, не применяются инженерные методы оценки их безопасности, необходимые конструктору особенно на начальных этапах разработки и выбора силовой схемы несущей системы. Существующие разработки по нормированию прочности пока носят частный характер. Как правило, при проведении расчетной оценки прочности руководствуются параметрами оценки, используемыми при испытаниях. Наибольшей глубиной проработки в этом направлении отличается работа Э.И. Григолюка, Е.А. Когана и Н.А. Кулакова по нормированию прочности несущих систем автобусов, в которой изложен проект правил и норм для оценки несущей способности кузовов автобусов. В ней наиболее полно обобщен и систематизирован материал, касающийся норм и оценки прочности кузовов в условиях, имитирующих эксплуатационные нагрузки. В отношении нормирования безопасности рассмотрены только концептуальные вопросы, связанные с оценкой безопасности кузовов по результатам упругого расчета и некоторыми рекомендациями по учету пластических шарниров. Последние не доведены до конкретного практического применения, поскольку они не учитывают возможность полного пластического разрушения конструкции, а только рассматривают ее поведение в начальной фазе пластического течения, когда в каждом силовом сечении появляется по одному пластическому шарниру. Такой метод может применяться только в случае, когда при упругом деформировании энергоемкость конструкции превысит энергию удара. Если этого нет, требуется проведение дальнейших уточнений и расчетов в области пластических деформаций, о чем практически не говорится в данном проекте правил. Таким образом, в области оценки безопасности проект требует серьезных доработок. Можно сказать, что в нем даны только некоторые рекомендации для проведения расчетной оценки, базирующиеся на рекомендациях дополнения № 5 Правил ЕЭКООН№б6.
Оценивая состояние теоретических исследований безопасности кузовных конструкций в отечественном кузовостроении, следует отметить недостаток информации и наработок по влиянию отдельных элементов, геометрических и физических их характеристик, отдельных конструктивных решений силовых схем на повышение безопасности конструкции в целом. Отсутствуют аналитические зависимости между конструктивными параметрами, определяющими безопасность и несущей способностью конструкции по разрушающим нагрузкам, то есть тот инструмент, который необходим конструктору для выбора безопасной силовой схемы кузова и кабины.
Из анализа следует также, что пока еще недостаточно изучены закономерности поведения конструкций в упругой и упруго-пластической фазах деформирования, закономерности между нагрузками и деформациями характерных участков, общие особенности поведения силовых элементов, в том числе тонкостенных стержневых, в условиях разрушения. Это требует проведения обширных теоретических и экспериментальных исследований на примерах различных видов и типов кузовных конструкций, которые необходимы для оценки правомерности и достоверности применяемых методов.
Повышение безопасности и несущей способности кабины грузового автомобиля ГАЗ-3302 при проектировании
Расчетные методы оценки безопасности и прочности, безусловно, являются единственными и незаменимыми при разработке конструкторской документации до создания опытного образца. В последнее время их роль заметно возросла также при доводке и проведении сертификации автотранспортных средств. Остановимся на краткой характеристике методов расчета для представления в дальнейшем их роли в общей структуре процесса создания кузовной конструкции. Более подробное их описание рассматривается в главах 3,4 и 5.
Инженерный метод расчета кузовных конструкций на безопасность основан на теории расчета конструкций по предельному состоянию. Этот метод впервые разработан и реализован автором работы [165] для оценки безопасности кузовов и кабин автотранспортных средств. В его основе лежит известная теорема кинематического равновесия [55], [157], [278] несущих конструкций. Он используется для расчетов за пределами упругости, для определения несущей способности конструкции по разрушающим нагрузкам. При этом конструкция рассматривается в начальный момент разрушения, превращения в кинематический механизм. В дальнейшем считается, что разрушающая нагрузка остается постоянной. Метод не учитывает упругие деформации элементов расчетной модели (схемы). В расчетной модели учитываются все элементы силовой схемы, которые представляются в виде тонкостенных стержневых элементов. Принимаемые гипотезы и допущения метода, выбора расчетных моделей позволяют определять верхние границы разрушающих нагрузок с погрешностью до 30% в зависимости от рассматриваемой конструкции. Для конструкций, состоящих из трубчатого каркаса, погрешность расчетов меньше в сравнении, например, с кузовами (кабинами), имеющими силовые элементы, образованные сваркой нескольких панелей.
Неоспоримым преимуществом метода является простота и доступность пользования, возможность оперативного решения конструкторских задач на этапе выбора безопасной конструкции, возможность его использования при экспресс-анализе безопасности конструкций на этапе доводки и при проведении сертификации.
Метод оценки безопасности конструкций по результатам упругого расчета основан на использовании результатов прочностного (упругого) расчета при рассмотрении аварийных режимов нагружения. Имеет свои ограничения: им можно пользоваться только в том случае, если аварийная нагрузка не вызывает появления текучести материала, а деформации конструкции не выходят за пределы упругих. Наиболее целесообразно «упругий» расчет использовать для определения предельной по текучести нагрузки РТ и для нахождения предполагаемого механизма разрушения конструкции при действии того или иного вида нагружения, имитирующего аварийные условия. Расчет в пределах упругих деформаций может проводиться одним из известных методов строительной механики или МКЭ.
Метод последовательных приближений предложен впервые автором работы для расчета кузовов и кабин на безопасность [165]. Основан на применении одного из методов «упругого» расчета. Исключает недостатки предыдущего метода, так как позволяет оценивать поведение конструкции в упруго-пластической фазе до момента разрушения, превращения в кинематический механизм. Основан на проведении серии последовательных «упругих» расчетов производных схем, получаемых из заданной расчетной модели (схемы), путем последовательного введения в нее свободных шарниров в местах появления пластических зон. Этим постепенно снижается степень статической неопределимости схемы и предоставляется возможность наблюдения последовательного разрушения модели. Метод эффективен для несложных моделей, имеющих степень статической неопределимости не более девяти. Для более сложных моделей существенно увеличивается трудоемкость расчетных работ. Этот недостаток устраним в случае написания процедуры автоматизации управления переходом расчета от предыдущей схемы к последующей. Его применение оправдано на начальных и промежуточных этапах оценки несущей способности по разрушающим нагрузкам отдельных силовых сечений конструкции.
Оценка безопасности конструкций на основе результатов нелинейного расчета методом конечных элементов является наиболее совершенной на данный момент времени. Численный метод расчета МКЭ в нелинейной постановке на основе современных программных комплексов типа LS DYNA-3D позволяет наиболее точно оценивать безопасность кузовных конструкций в любых аварийных ситуациях, при статическом и ударном нагружении, с учетом физической и геометрической изменяемости характеристик конструкции [344]. Решение практических задач в такой постановке возможно при наличии достаточно подробной модели, содержащей десятки тысяч конечных пластинчатых элементов, и соответствующей вычислительной техники. Этот метод достаточно трудоемкий, требует высокой квалификации расчетчика и большого объема подготовительных работ по разработке и отладке расчетной модели. Его следует применять на завершающем этапе проектирования, а также при проведении контрольных оценок и сертификации кузовных конструкций. Безусловно, возможности применения пакетов нелинейного расчета большие. Пока они находятся в стадии апробации и адаптации. Имеющийся первый опыт работы с ними говорит о целесообразности их более эффективного применения.
Оценка прочности конструкций по результатам расчета в условиях статического нагружения основана на моделировании условий нагружения конструкций в режимах изгиба, кручения и их совместного действия. При этом на первоначальных этапах проектирования могут использоваться упрощенные расчетные модели и методы строительной механики. По мере разработки уточненной и подробной модели оценка ее прочности ведется методом конечных элементов с применением современных комплексов прочностных расчетов типа GIFTS, ANSYS, NASTRAN и других. В настоящее время они позволяют решать практические задачи, подобные тем, которые рассматриваются при стендовых испытаниях. При этом достоверность получаемых результатов достаточно высока. Погрешность находится в пределах 10....20%.
Расчетом в условиях динамического нагружения оценивается усталостная прочность (долговечность) и вибронагруженность конструкций. Указанные выше программные комплексы позволяют проводить такие расчеты и оценки с учетом экспериментальных данных по усталостным испытаниям отдельных образцов элементов, узлов или конструкции в целом.
Модальный анализ, основанный на результатах расчета спектра свободных колебаний конструкции, применяется для выявления резонансных режимов, анализа форм колебаний, выявления наиболее нагруженных участков, для оценки вибронаг-руженности конструкций. Выполняется он МКЭ с использованием тех же пакетов линейного расчета, что и в предыдущих случаях.
