Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса инженерного анализа кузова легкового и малотоннажного грузового автомобиля 9
Глава 2. Разработка методики подготовки геометрических данных для проведения конечно-элементного анализа 24
2.1. Источники геометрических данных для инженерного анализа в условиях современного производства 24
2.2. Анализ проблем и доработки трехмерной электронной геометрии деталей 29
2.3. Устранение конструктивных элементов, не оказывающих значительного влияния на исследуемые характеристики детали.. 30
2.4. Модификация участков со сложной проблемной геометрией 32
2.5. Структурное перестроение геометрии для улучшения формы и состава геометрических примитивов 34
2.6. Сопряжение смежных геометрических примитивов 40
2.7. Геометрическое моделирование сборок и областей контакта деталей в сборке 40
Глава 3. Виды и методы инженерного анализа кузова легкового и малотоннажного грузового автомобиля 47
3.1. Общая схема проведения инженерного анализа кузова легкового автомобиля 47
3.2. Учет условий проведения реальных испытаний деталей и конструкций при численном моделировании 49
3.3. Виды конечно-элементного анализа кузова легкового и малотоннажного грузового автомобиля 54
Глава 4. Комплексный инженерный анализ кузова легкового и малотанажного грузового автомобиля 68
4.1. Этапность проведения работ по подготовке электронной геометрической модели заднего крыла автомобиля ИЖ-21261 к численному моделированию процесса штамповки 68
4.2. Определение частот собственных колебаний крыши автомобиля ИЖ-21261 71
4.3. Определение частот собственных колебаний оконной рамки двери автомобиля ИЖ-2126 78
4.4. Статический прочностной анализ упрощенной модели кузова автомобиля ИЖ-27171 81
4.5. Численное исследование пассивной безопасности кузовов автомобилей семейства ИЖ 91
Глава 5. Экспериментальные исследования 115
Заключение и выводы 140
Литература 144
- Источники геометрических данных для инженерного анализа в условиях современного производства
- Структурное перестроение геометрии для улучшения формы и состава геометрических примитивов
- Учет условий проведения реальных испытаний деталей и конструкций при численном моделировании
- Определение частот собственных колебаний оконной рамки двери автомобиля ИЖ-2126
Введение к работе
Современный легковой автомобиль - сложное высокотехнологичное изделие с широким набором потребительских свойств. Год от года растут требование к этому транспортному средству. Привлекательный внешний вид, топливная экономичность, низкий уровень шума, хорошие тягово-скоростные качества, безопасность - вот далеко не полный их перечень. Одни требования (по экстерьеру, комфортности, технологичности изготовления, тягово-скоростным качествам и т. п.) являются корпоративными и определяются коньюктурой рынка в данной отрасли промышленности. Другие требования, относящиеся к экологической безопасности транспортных средств, безопасности водителя, пассажиров и пешеходов регулируются государственными органами и оформляются в нормативные законодательные акты. В условиях постоянно растущих скоростей и плотности движения на дорогах транспортный комплекс автомобиль-водитель-дорога должен обеспечивать максимально возможную безопасность всех участников движения.
Создание сложных технических устройств, к которым относится автомобиль, при наличии большого количества эксплутационных требований требует тщательной инженерной проработки. Инженерному анализу подвергаются практически все узлы и детали автомобиля.
С бурным развитием компьютерной техники и ее интенсивным внедрением во все отрасли промышленного производства изменилась и специфика работ конструкторов-проектировщиков, специалистов, занимающихся инженерными расчетами конструкции. Без специализированных компьютерных систем в настоящее время не обходится создание ни одного современного автомобиля. Методики проведения инженерных расчетов с применением систем компьютерной поддержки проектирования развивались параллельно с развитием самих систем. Для вновь проектируемых образцов автомобильной техники в настоящее время разработаны высокоэффективные
5 методики, которые описаны в ряде изданий. Но наряду с созданием новых
моделей легковых автомобилей у инженеров проектировщиков существует
значительный пласт работ, связанных с модернизацией уже существующих
конструкций. Обычно такие работы связаны с приведением конструкций в
соответствие с постоянно изменяющимися потребительскими требованиями на
данный вид транспортного средства. Реальностью зачастую является дефицит
(или полное отсутствие) электронной геометрической информации о
модернизируемых изделиях, а также отсутствие четко организованного подхода
к их комплексному компьютерному инженерному анализу. Для быстрого и
качественного решения инженерных задач прочностного анализа требуется
разработка эффективных методик подготовки исходных данных.
В диссертационной работе исследуются варианты формирования исходных данных задач по прочностному исследованию модернизируемых деталей кузова легкового и малотоннажного грузового автомобилей. Разрабатываются методики прочностного анализа, базирующийся на современных компьютерных системах и технологиях. Приведены примеры применения данного метода в условиях реального автомобильного производства.
Кратко основную цель диссертационной работы можно сформулировать следующим образом: разработка методик прочностного анализа при создании новых и модернизации выпускаемых кузовов легкового и малотоннажного грузового автомобилей.
В период 2000-2005 г.г. автор диссертации принимал участие в работах по модернизации кузовов автомобилей семейства «ИЖ». Разработанные методики были применены и показали свою эффективность при инженерном анализе передней части кузова автомобиля ИЖ-2126 (работы по повышению энергопоглащающей способности), передней боковой двери автомобиля ИЖ-2126 (анализ деформационной стойкости), крыши автомобиля ИЖ-21261 (анализ устойчивости к пограничному внешнему воздействию) и др.
Основные положения диссертационной работы докладывались и
обсуждались: on the 21st CAD-FEM Users' Meeting 2003 International Congress on FEM Technology (Potsdam, Germany, 2003 y.); on the XII International Confererce of aerophisical research (Novosibirsk, 2004 у.); на VI Всероссийской научно-технической конференции «Новые информационные технологии» (Москва,
г.); на XX юбилейном международном семинаре по струйным, отрывным и нестационарным течениям (Санкт-Петербург, 2004 г.); на Третьей, Четвертой и Пятой конференции пользователей программного обеспечения CAD-FEM GmbH (Москва, 2003, 2004, 2005 г.г.); на III Международной конференции «Математическое моделирование в образовании, науке и производстве 2003» (Тирасполь, 2003 г.); на II Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2003 г.); на Международной научно-технической конференция «Современные информационные технологии» (Пенза, 2003 г.); на Региональной научно-технической конференции «Экологическая и эксплуатационная безопасность подвижных транспортных средств» (Чайковский, 2004 г.); на Всероссийской конференции с участием стран СНГ «Современные проблемы машиностроения и транспорта» (Ульяновск, 2003 г.); на 3-й Международной научно-практической конференции «Конкуренция и конкурентоспособность. Организация производства конкурентоспособной продукции» (Новочеркаск,
г.); на Международной научно-технической конференция «Современные информационные технологии» (Пенза, 2004 г.); на Ежегодной XVII Международной Интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (Москва, 2005 г.); на Международном научном симпозиуме, посвященном 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2005 г.); на Международном научном симпозиуме, посвященном 140-летию МГТУ «МАМИ» (Москва, 2005 г.); на 53-ей Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров «Проблемы и перспективы автомобилестроения в России» (Ижевск, 2006 г.).
Диссертация неоднократно докладывалась и обсуждалась на кафедре ИжГТУ «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование», на кафедре
7 УдГУ «Дизайн промышленных изделий», а также на научно-технических
совещаниях в Управлении главного конструктора и в отделе компьютерных
систем и технологий ОАО «ИжАвто».
По теме диссертации опубликовано 31 научная статья; 1 тезис доклада;
выпущено 2 отчета о научно-исследовательской работе, выполненной в
соответствии с подпрограммой "Транспорт" научно-технической программы
Минобразования РФ "Научные исследования высшей школы по приоритетным
направлениям науки и техники".
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов, списка литературы (126 наименований). Общее количество страниц в диссертационной работе 158. Основная часть содержит 158 страниц текста, в том числе 76 рисунков и 9 таблиц.
В первой главе рассмотрено современное состояние вопроса проблем инженерного анализа кузова легкового и малотоннажного грузового автомобиля. Сделан вывод о необходимости разработки методик применения современных компьютерных средств проведения инженерного анализа в рамках работ по модернизации выпускаемых моделей автомобилей для адаптации их к постоянно изменяющимся потребительским требованиям. Проведенный обзор и анализ материалов позволил определить цель и основные задачи диссертационной работы.
Во второй главе рассмотрены источники получения первичных данных о геометрии деталей кузова легкового автомобиля в условиях современного производства, анализируется вид и качество получаемой информации. В главе приведена блок-схема и описывается методика подготовки геометрических данных на базе разнообразных исходных данных о геометрии, обозначаются наиболее характерные проблемы, связанные с этой работой и пути их разрешения.
В третьей главе описываются общие вопросы формирования задачи для компьютерного прочностного анализа кузова легкового и малотоннажного грузового автомобиля. В главе представлена блок-схема и методика
8 применения данных об электронной геометрии деталей для различных видов
прочностного анализа. Затрагиваются темы сокращения количества конечных
элементов, задействованных в расчетной сетке, и задания корректных
граничных условий при анализе обособленных сборок в составе кузова и
отдельных деталей. В главе приведены примеры использования различных
видов прочностного анализа применительно к конкретным деталям
конструкции кузова автомобиля ИЖ-21261.
В четвертой главе представлены результаты применения методик подготовки и проведения компьютерного прочностного анализа при определении собственных частот колебаний кузовных деталей автомобиля ИЖ-21261, численного моделирования фронтальных ударных испытаний передней части автомобиля ИЖ-21261.
В пятой главе приведены результаты исследований натурных испытаний кузова автомобиля ИЖ-21261. Показана адекватность этих данных с данными, полученными в результате расчетов. На основании этого факта доказана работоспособность применяемой методики подготовки и проведения инженерного анализа в рамках работ по модернизации кузова легкового и малотоннажного грузового автомобиля.
Источники геометрических данных для инженерного анализа в условиях современного производства
Для листовых деталей с несложной поверхностной геометрией использование данных формул вполне оправдано. Это дает возможность определить наиболее неустойчивые к деформациям участки детали и своевременно изменить конструкцию, вводя элементы, увеличивающие жесткость. Такими элементами обычно являются дополнительные подштамповки.
Процесс глубокой вытяжки листового проката характеризуется значительным увеличением площади поверхности изготавливаемой детали по сравнению с площадью поверхности заготовки. При этом происходит неравномер 18 ное по площади детали утончение металлического листа. Это безусловно сказывается на отклонении прочностных характеристик реально изготовленных деталей от теоретически рассчитанных. Стоит также отметить, что варьирование листовой толщины по поверхности детали зависит не только от ее конечной формы, но также от соблюдения технологии изготовления, что учесть при расчетах практически невозможно. В [58] анализируется влияние листовой штамповки в расчетах автомобиля на фронтальный удар. В случае, когда детали изготовляются методом глубокой вытяжки, утончение металла может достигать значительных величин, что может быть причиной полной утраты их рабочих характеристик.
Вопросам штамповки листовых деталей посвящены [40, 89, 100, 101]. В этих изданиях приводятся теоретические выкладки проектирования деталей, изготавливаемых методом гибки, вытяжки и т.п. Рассматриваются аспекты качества исходного материала для операции штамповки и влияния этого фактора на прочностные характеристики изготовляемых деталей. Стоит отметить, что приводимые в работах формулы относятся к изделиям с простейшей геометрией и не могут быть напрямую применены к сложным кузовным деталям легкового и малотоннажного грузового автомобиля. Для их прочностного анализа необходимо применять современные методы инженерного расчета.
Как уже отмечалось, возможность расчета прочностных свойств кузова автомобиля аналитическим путем ограничена. Не учитываются многие факторы, оказывающие существенное влияние на прочностные свойства конструкции. Сложная геометрия и технология производства накладывают на них свой отпечаток. В настоящее время, в период бурного развития вычислительной техники и программного обеспечения проведение инженерного анализа появилась возможность при расчетах учитывать многие факторы, влияющие на прочностные свойства изделия. Для этих целей широко применяют приближенные итерационные методы нахождения решения [99]. Широко применяется метод конечных элементов [10, 28, 85, 112]. С момента своего появления метод конечных элементов стал активно использоваться для инженерного анализа кузов автомобилей. В основе метода лежит моделирование исследуемого объекта набором связанных между собой простейших по форме конечных элементов, внутри которых применяются известные аналитические уравнения различных видов инженерного анализа. В результате чего исследуемые свойства анализируемой конструкции описывает система матричных уравнений. Объемы применения метода конечных элементов при инженерных расчетах кузова автомобиля ограничена лишь вычислительными возможностями, которыми располагает инженер-аналитик.
Существует множество способов математического решения матричных систем [24]. Размерность матричной системы, решаемой без применения компьютерной техники незначительна, и применение метода конечных элементов в данном случае возможно только простейших деталей и конструкций. Прочностное конечно-элементное исследование сложных конструкций, каковыми являются кузова легкового и малотоннажного автомобилей, требует использования высокопроизводительной вычислительной техники и специализированного программного обеспечения. Но в любом случае, одной из главных задач, которая стоит перед инженером, является задача подготовки исходных данных для расчета.
Вопросам подготовки данных для инженерного анализа и подготовке конечно-элементной модели на основе электронной геометрии посвящены такие публикации, как [3, 8, 25, 33, 34, 70 и др.]. Автоматизация геометрического построения и создание рациональной с точки зрения количества и качества конечных элементов расчетной сетки является важным элементом инженерного анализа, т.к. это в сильной степени влияет на скорость и точность проведения инженерных расчетов. В публикациях описываются инструментальные средства, которые использовались для создания электронной геометрии на разных уровнях развития компьютерной техники, начиная со «скалывания» геометрии расчетных моделей с чертежной документации и заканчивая современным трех 20 мерным компьютерным геометрическим моделированием и сканированием трехмерной геометрии с реальных деталей.
Программному обеспечению инженерных расчетов посвящены публикации [1, 22, 34, 33, 102, 105, ПО, 122 и др.]. В них в частности затрагиваются вопросы использования специализированного программного обеспечения для построения электронных геометрических моделей, которые являются основой для создания конечно-элементной расчетной сетки. Такие программные продукты носят общее название «CAD-системы» («Computer Aids Design»). «CAD-системы» по инструментальным возможностям условно делятся на «легкие», «средние» и «тяжелые». «Легкие CAD-системы» предназначены в основном для создания двухмерной геометрии и чертежной документации. К таким системам относится «Avtocad». «Средние CAD-системы» наряду с аналогичными возможностями позволяют дополнительно производить несложное трехмерное твердотельное геометрическое моделирование, например, система «Компас». Самыми обширными по инструментальным средствам построения сложной трехмерной электронной геометрии являются «тяжелые CAD-системы». Они позволяют проводить как сложное твердотельное геометрическое моделирование, так и моделирование поверхностей различного порядка. К таким специализированным геометрическим системам относятся программные продукты «CATIA», «PRO-E», «UNIGRAPHICS». Для нужд инженерного анализа деталей кузова легкового и малотоннажного грузового автомобиля актуальным является использование «тяжелых CAD-систем» с их обширными возможностями построения различных поверхностей. Это связано с тем, что большинство деталей кузова являются листовыми штамповками сложной формы.
Структурное перестроение геометрии для улучшения формы и состава геометрических примитивов
Перед численным исследованием конструкции обычно ставят узкие задачи изучения конкретной характеристики детали под действием определенного вида нагрузки. При построении электронной геометрии подвергаемого инженерному анализу изделия инженер должен руководствоваться принципам минимизации временных затрат по геометрическому моделированию и максимальному сокращению количества конечных элементов, которые впоследствии будут наложены на исследуемую геометрию, т.к. от этого напрямую зависят временные затраты на вычисления. С этих позиций для достижения требуемых результатов в инженерном анализе использование полной геометрической модели детали не всегда целесообразно. Все несущественные с точки зрения инженера-расчетчика элементы конструкции необходимо удалить из электронной геометрической модели. Также необходимо исключить из расчета области, влияние которых можно учитывать, используя соответствующие граничные условия (симметричность и т.д.).
Рассмотрим эту процедуру на примере подготовки электронной модели внутренней панели передней двери автомобиля ИЖ-2126 для численного моделирования статических испытаний на кручение (рис. 2.2) [55].
Согласно технологии натурных испытаний [62] дверь жестко закрепляют на стенде в области верхней петли и замка. Таким образом, нижняя часть двери жестко фиксируется и детали этой области в ходе экспериментов не испытывают деформирующих нагрузок. Силовому воздействию со стороны стендового оборудования подвергаются детали, находящиеся выше закрепления и образующие рамку оконного проема. Исходя из этого, при подготовке к инженерному анализу электронной геометрической модели внутренней панели двери целесообразно отбросить ее нижнюю часть по линии «верхняя петля - замок».
При формировании исходных данных задачи на эту область впоследствии необходимо наложить граничные условия жесткого закрепления (рис. 2.2).
Помимо выделения из общей геометрии областей, которые должны быть подвергнуты инженерному анализу, из геометрической модели двери также были исключены незначительные конструктивные элементы, вклад которых в исследуемые свойства детали являлся незначительным: технологические отверстия, наплывы, штамповочные и литьевые радиусы малого диаметра, а также места нежесткого крепления навесных деталей (рис. 2.2). На геометрической модели были смоделированы области сварочных соединений с другими деталями сборки двери. Проведение этих работ также имело целью упростить геометрию и уменьшить количество элементов, моделирующих ее при конечно-элементном анализе, и подготовить геометрическую модель к инженерному анализу в составе сборки.
Обширный выбор CAD-систем и их богатый инструментарий геометрического построения дает широкий выбор проводить геометрические построения различными путями. Алгоритмов построения трехмерной геометрии множество. В результате чего, электронные геометрические модели одной и той же детали, построенные разными специалистами, могут существенно отличаться друг от друга, как по точности построения, так и по составу примитивов, формирующих геометрическую модель. При этом на характеристики электронной модели накладывает свой отпечаток и ее функциональность, заложенная при построении автором.
Например, главная задача конструктора при электронном геометрическом моделировании - точность передачи формы детали, поскольку такая модель является базой для создания конструкторской и технологической документации. Состав и форма геометрических примитивов, из которых состоит модель, не имеют для конструктора принципиального значения. Но для модели, создаваемой для инженерного анализа, состав и форма геометрических примитивов является важной характеристикой модели, т.к. от этого зависит качество конечно-элементной сетки, которая будет накладываться на модель. Неудовлетворительная конфигурация примитивов может привести к образованию элементов с проблемной (сложной) топологией или невозможности нанесения сетки.
На рис. 2.3 отражены работы по геометрической модификации электронной модели центральной области средней стойки автомобиля ИЖ-2126. На рисунке представлены модель до модификации, и после модификации, выполненной в CAD-системе.
Модель, состоящая из множества примитивов, с точки зрения последующего наложения конечно-элементной сетки имела следующие недостатки: 1. Область 1 содержала узкую и длинную поверхность. Часть ее ребер имеют незначительную длину: на практике минимальный размер минимальных ребер подобных поверхностей может доходить до инструментальной погрешности геометрического построения CAD-системы (UNIGRAFICS, для примера, имеет минимальную погрешность построения до 0.01 мкм). Другая часть ребер имеет длину, сопоставимую с размером детали. Разбить такую поверхность на конечные элементы, не прибегнув к существенному загущению сетки в районе прилегания микроребер, практически невозможно. Увеличение количества конечных элементов приводит к увеличению размерности решаемых матричных уравнений, что является крайне нежелательным. 2. Область 2 содержала треугольную поверхность. Один из углов поверхности имеет незначительную величину. При геометрическом моделировании величина подобных углов может доходить до инструментальной погрешности построения CAD-систем. В этом случае можно характеризовать эту ситуацию как вырождение на вершине угла поверхности в линию. Конечно-элементное разбиения подобных поверхностей без модификации геометрии не представляется возможным. 3. Область 3 содержала множество миниповерхностей, возникших в результате автоматических процедур скруглення кромок в процессе геометрического моделирования. Для упрощения структуры геометрии детали их целесообразно суммировать. Из рис. 3 видно, что структура и форма геометрических примитивов после модификации геометрии претерпела значительные изменения и модель не вызовет проблем при конечно-элементном разбиении. Стоит отметить, что такая модификация обычно приводит к появлению незначительных отклонений геометрии по сравнению с исходной моделью. На практике такое отклонение не превышает 0,2 мм и является вполне допустимым, т.к. финальная конечно-элементная модель, для построения которой производятся геометрические построения, является приближенной моделью кузовной детали с большим допущением по геометрии.
Учет условий проведения реальных испытаний деталей и конструкций при численном моделировании
Как показывает практика, из-за проблем неудовлетворительного построения сетки конечных элементов на участках моделей сложной геометрии, характерных для большого количества кузовных деталей автомобиля, приходится многократно возвращаться со стадии конечно-элементного разбиения на этап геометрической подготовки в CAD-системах с целью проведения дополнительных геометрических перестроений.
Процедура наложения сетки на подготовленную для таких целей электронную геометрию в настоящее время не представляет сложностей. С применением современных программных средств эта процедура носит автоматический и полуавтоматический характер. Для выполнения этой работы большинство САЕ-систем (ANSYS, NASTRAN) имеют специализированные модули. Так же существует и множество самостоятельных программных продуктов под общим названием FEMB-системы («Finite Element Model Building»), которые ориентированны исключительно на наложение конечно-элементной сетки на импортированную в их интегрированную среду геометрию. Большое количество алгоритмов разбиения, реализованных в таких программах, представляют инженеру широкие возможности варьирования густотой и формой конечных элементов. Этим достигается возможность получения при вычислениях точных и подробных результатов на интересующих исследователя областях геометрической модели.
После наложения на электронную геометрическую модель конечно-элементной сетки процесс формирования задачи инженерного анализа выходит на этап ее насыщения недостающими исходными данными об исследуемой детали, заданием начальных и граничных условий (см. схему на рис. 3.1): Специфика моделирования кузовных деталей легкового автомобиля заключается в преобладании использования поверхностной геометрии над объемной. В отношении листовых штампованных деталей для инженерного анализа нет необходимости моделировать листовую толщину. Эта характеристика электронных моделей листовых деталей задается в САЕ системах как параметр оболочечных конечных элементов, накладываемых на поверхностную геометрию. Узловая толщина элемента, как и параметры физических свойств материала изготовления детали, являются входной характеристикой, которой обладает анализируемая деталь. Варьируя геометрией детали и физическими свойствами материала, можно оценивать прочностные и иные свойства деталей в разных конструктивных исполнениях. После построения конечно-элементной модели следующим этапом формирования задачи инженерного анализа является задание граничных условий (см. схему на рис. 3.1). Исходя из условий соединения деталей в сборках конструкции кузова автомобиля или основываясь на данных условиях закрепления исследуемых образцов на испытательном стенде, на конечно-элементную модель накладывают граничные условия. При прочностном анализе - это ограничение узловых перемещений некоторых областей модели. Рассмотрим задание граничных условий, моделирующих влияние не участвующих в расчетах элементов конструкции на исследуемую модель. Для этого проанализируем процедуру формирования граничных условий на примере задачи по моделированию деформации левой части моторного отсека автомобиля ИЖ-2126 при столкновении с препятствием (рис. 3.2). Кузовные детали, которые подвергаются исследованию при моделировании деформации передней части кузова легкового автомобиля, располагаются между салоном и фронтальной областью кузова. Кузов является неравнопрочной конструкцией. Принимается допущение, что салонная часть кузова автомобиля, где размещается водитель и пассажиры, имеет заведомо более высокую стойкость к деформации, чем фронтальная область и область моторного отсека. Это допущение вытекает из общих принципов безопасности водителя и пассажиров, существующих на сегодняшний день и применяемых при проектировании легковых автомобилей [57]. Другими словами, предсалонная часть исследуемой модели кузова автомобиля не должна деформироваться при фронтальном силовом воздействии. Следовательно, для исследования деформационного поведения геометрической модели левой части моторного отсека можно допустить, что предсалонная область жестко закреплена. На перемещение узлов конечно-элементной модели этой области накладывается ограничение по трем координатным осям X, Y, Z. При наложении граничных условий на фронтальную область геометрической модели исходят из факта ее контакта с препятствием. Препятствие, с которым взаимодействует автомобиль при фронтальном столкновении и которое деформирует детали конструкции передней части кузова, внедряется в тело кузова автомобиля в направлении оси X его глобальной системы координат. Можно с уверенностью говорить, что торцевая область исследуемой модели после начала взаимодействия с препятствием должна двигаться в том же направлении под воздействием фронтальной силовой нагрузки. Возможные перемещения торца исследуемой модели в направлениях Y и Z незначительны. Исходя из этих рассуждений можно принять допущение о нулевых перемещениях фронтальной области модели в этих направлениях и наложить соответствующие ограничения на торцевые узлы модели (рис. 3.2). Таким образом, задавая определенные граничные условия на узлы конечно-элементной модели в предсалонной и фронтальных областях, инженер начинает формирование нагрузочной схемы, которая впоследствии будет продолжена определением силовых нагрузок.
При моделировании виртуальных аналогов натурных стендовых испытаний при правильном наложении граничных условий можно существенно уменьшить размерность решаемой задачи. При этом достоверность проводимых исследований и их точность не пострадает.
Рассмотрим схему проведения испытаний рамки передней двери автомобиля ИЖ-2126 на кручение (рис. 3.3). Дверь жестко закрепляется в средней части по линии «верхняя петля - замок», а также в нижней части у основания. Захват, прикрепленный к верхнему переднему углу рамки, передает усилие, направленное из салона автомобиля. Величина усилия постепенно увеличивается от 0 до 400 Н с шагом 50 Н.
Определение частот собственных колебаний оконной рамки двери автомобиля ИЖ-2126
Кузовные детали легкового и малотоннажного грузового автомобиля в настоящее время изготовляют по штампосварной технологии. В силу этого фактора работы, связанные с анализом деталей на штампуемость, и проектирование конструкций штампов являются одними из ключевых в процессе конструкторской и технологической проработки кузовных деталей автомобиля. Сложность и ответственность этого этапа подготовки производства в существенной степени обусловлены значительной стоимостью изготовления штамповочной оснастки. Ошибки конструкторов и технологов на данном этапе работ могут привести к необходимости доработки уже изготовленной оснастки, что влечёт за собой значительные финансовые потери.
Предварительный компьютерный численный анализ позволяет сократить время работ по проектированию штампованных деталей и оснастки. В последние годы появились достаточно совершенные конечно-элементные пакеты прикладных компьютерных программ, помогающие инженерам и конструкторам проводить численный анализ напряжённо-деформируемого состояния, возникающего в листовой заготовке в процессе формообразования штамповочными инструментами. На примере заднего крыла автомобиля РІЖ «Универсал» рассмотрим этапность создания электронной геометрической модели для проведения прочностного анализа сложных кузовных деталей, в соответствии разработанным алгоритмов построения трехмерной геометрии, а также проблемы, возникающие при этом, и пути их разрешения. Специализированные программные продукты прочностного анализа работают с конечно-элементными моделями деталей и конструкций, так называемыми FEM-моделями (Finite Element Model). Такие модели создаются на основе электронных геометрических моделей различными процедурами сеточного разбиения на конечные элементы. Данная процедура носит название «меширование» ( MESH - сетка).
Построение сложных геометрических моделей инструментальными средствами препроцессоров расчётных пакетов (таких как ANSYS, NASTRAN, LS-DYNA) непростая, а зачастую и неразрешимая задача. Эти специализированные программные продукты инженерного анализа не располагают, да и не должны располагать всей палитрой инструментов построения геометрии, присущей CAD-системам.
Заднее крыло автомобиля имеет сложную поверхностную форму, поэтому построение его геометрической модели производилось в тяжёлой CAD-системе CADDS5 (рис. 4.1). При этом построение геометрической модели выполнялось на основе бумажной конструкторской документации.
Между технологическими операциями глубокой вытяжки из листовой заготовки и окончательной обрезки, обеспечивающей геометрические размеры, деталь проходит целую цепь трансформаций (начальная обрезка, пробивка, калибровка, отбортовка, формовка). В результате этих операций штамповка теряет лишний металл и приобретает окончательную форму. В силу этого, геометрические модели детали и штамповки существенно отличаются друг от друга. При построении штамповочной модели инженер пользуется геометрической информации с двух этапов производственного цикла -проектно-конструкторской документацией и технологической документацией о штампуемой детали.
Модель детали необходимо трансформировать приданием ей более простой геометрической формы, созданием зон снятия избыточного напряжения, возникающего в процессе «вытяжки», построением штамповочных уклонов и зон прижимного кольца. Модель заднего крыла прошла процедуру такой доработки в тяжёлой CAD-системе в результате чего появилась электронная геометрическая модель штамповки. Как отмечалось в главе 2, ввиду сложной формы, а также в результате ряда геометрических модификаций, некоторые составляющие геометрическую модель примитивы зачастую имеют неудовлетворительную геометрию с точки зрения дальнейшего конечно-элементного разбиения. Поэтому, согласно алгоритму подготовки геометрических данных (глава 2), над моделью штамповки крыла была проделана работа по модификации структуры и формы примитивов. В результате чего была получена окончательная модель для проведения инженерного анализа (рис. 4.2).
Сборку кузова автомобиля из деталей можно представить в виде следующей последовательности: сварка-сборка узлов, сварка-сборка кузова из узлов, навеска дверей, капота и других деталей. Качество кузовных деталей должно сохраняться и контролироваться по всему циклу изготовления кузова от штамповки до покраски. При транспортировке, установке, фиксации и снятии с оснастки сборочных единиц неизбежно происходит их деформирование. Поэтому перед операциями сварки деталей друг с другом и перед покраской технология изготовления кузова предусматривает проведение рихтовочных работ посредством которых деталям придают исходную конструктивную форму. Увеличение или уменьшение количества этих работ существенно влияет на стоимость изготовления кузова.
