Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния работ по исследованию и оценке безопасности кузовов автобусов 12
1.1. Анализ экспериментальных и расчетных исследований
по кузовам автобусов 13
1.2. Анализ требований безопасности к кузовам автобусов 18
1.3. Задачи исследования 22
1.4. Структура работы 23
2. Теоретические разработки вопросов оценки безопасности кузовов при проектировании, доводке и сертификации автобусов 25
2.1. Критерии оценки безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания 26
2.2. Методика расчетной оценки безопасности кузовов в условиях опрокидывания 29
2.3. Методика инженерного расчета кузовов автобусов на безопасность в условиях опрокидывания 33
2.3.1. Алгоритм расчета кузова 38
2.3.2. Алгоритм и программа вычисления разрушающей нагрузки для силового сечения кузова 43
2.3.3. Алгоритм и программа вычисления пластического момента сопротивления сечения тонкостенного элемента 50
2.4. Особенности применения метода конечных элементов при оценке безопасности кузовов автобусов 53
2.4.1. Основы метода конечных элементов 55
2.4.2. Основные положения программного комплексаМКЭ, используемого в работе 64
2.5. Основы выбора расчетных моделей кузовов автобусов 67
2.5.1. Выбор упрощенных моделей секций и силовых сечений 67
2.5.2. Выбор уточненной конечно-элементной модели кузова 69
2.6. Методика расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов в условиях опрокидывания при проведении сертификации автобусов 72
2.7. Выводы по главе 76
3. Расчетная оценка несущей способности секций и силовых сечений исследуемых кузовов. оценка безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания 78
3.1 Расчет несущей способности по разрушающей нагрузке силовой схемы оконного проема боковины кузова автобуса ПАЗ-3205 79
3.2. Анализ несущей способности секций кузова и оценка безопасности автобуса ПАЗ-3205 81
3.3. Анализ работоспособности кузова, его силовых сечений и оценка пассивной безопасности автобуса ПАЗ-5269(71) 98
3.3.1. Анализ прочности кузова в условиях опрокидывания 98
3.3.2. Анализ несущей способности силовых сечений кузова по разрушающим нагрузкам 101
3.3.3. Оценка пассивной безопасности автобуса 108
3.4. Выводы по главе 109
4. Экспериментальная оценка несущей способности по разрушающим нагрузкам кузова, секций и отдельных силовых элементов автобуса 111
4.1. Методологические основы проведения экспериментов. Оборудование и аппаратура 112
4.2. Анализ результатов разрушающих испытаний образцов элементов и участков каркаса кузова 117
4.3. Анализ результатов испытаний кузова и секций автобусов 121
4.4. Выводы по главе 141
Общие результаты и выводы 145
Рекомендации по выбору безопасной конструкции
кузова в условиях опрокидывания автобуса 147
Внедрение результатов исследований 150
Список использованной литературы
- Анализ требований безопасности к кузовам автобусов
- Методика инженерного расчета кузовов автобусов на безопасность в условиях опрокидывания
- Выбор уточненной конечно-элементной модели кузова
- Анализ результатов разрушающих испытаний образцов элементов и участков каркаса кузова
Введение к работе
Актуальность работы. Совершенствование конструкций автобусов и, в том числе, повышение их безопасности является задачей сегодняшнего дня. В настоящее время безопасность кузова, заложенная в конструкции при проектировании, оценивается по результатам натурных полномасштабных испытаний автобуса. В современных экономических условиях это создает определенные трудности для заводов. Поэтому внедрение в практику конструкторских отделов заводов и органов по сертификации методики расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов является задачей своевременной и важной. Предпосылки для этого были заложены уже в дополнении к Правилам ЕЭК ООН № 66 Однако, они не нпшли практической реализации до настоящего времени из-за отсутствия общепринятых методов расчета, наработок по результатам расчетов и стендовых испытаний кузовов, их секций и силовых сечений. Таким образом, изучение и практическое решение этих вопросов относится к актуальным проблемам автобусостроения.
Цель работы. Разработка методик расчетной и расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания по результатам анализа несущей способности секций и силовых сечений , их практическая реализация.
Задачи исследования.
Разработка методики оценки безопасности кузовов при проектировании и доводке автобусов, алгоритма и программы расчета несущей способности (НС) по разрушающим нагрузкам (РН) силовых сечений кузова.
Разработка расчетных моделей исследуемых кузовов автобусов, их секций и силовых сечений; исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) кузовов в условиях опрокидывания автобусов. Анализ механизмов разрушения кузовов и оценка безопасности их конструкций.
Экспериментальные исследования НС по РН секций, отдельных силовых сечений и элементов кузова.
Разработка методики расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов.
Разработка практических рекомендаций по повышению безопасности кузовов автобусов.
Методы исследований. Исследования безопасности кузовов основывались на использовании методов математического моделирования. Расчеты НДС кузовов при упругих деформациях элементов проведены методом конечных элементов (МКЭ) с использованием программного комплекса GIFTS. В расчетах РН использованы основы расчета кузовов автомобилей по предельному состоянию, разработанные на кафедре «Автомобили и тракторы» НГТУ. Экспериментальные исследования проведены в стендовых условиях кафедры и лаборатории пассивной безопасности ГУЛ «НИЦИАМТ».
Научная новизна. В работе впервые разработана методика расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания по результатам анализа НС их секций и силовых сечений. На основе разработанных алгоритма и программы расчета разрушающих нагрузок для силовых сечений кузова получены закономерности определения их значений в
зависимости от конструктивных параметров силовых элементов. На примере разработанных расчетных моделей кузовов автобусов ПАЗ проведена оценка безопасности их конструкций в условиях опрокидывания. Обоснованность и правомерность разработанных методик подтверждена результатами проведенных специальных экспериментов.
Основные положения, выносимые на защиту.
Методики расчетной и раечетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований механизмов разрушения силовых сечений и секций кузова. Зависимости РН от конструктивных параметров секций.
Алгоритм и программа расчета разрушающих нагрузок силовых сечений.
Результаты оценки НДС кузовов в условиях опрокидывания.
Результаты оценки безопасности исследуемых кузовов автобусов.
Объектами исследования являются кузова автобусов ПАЗ-3205, ПАЗ-5269, ПАЗ-4223, отдельные секции и силовые элементы кузовов.
Практическая ценность. Разработанные методики позволяют на стадии проектирования создавать безопасную конструкцию кузова и в последующем оценивать безопасность автобуса при доводке и проведении сертификации без применения разрушающих испытаний. Материалы диссертации могут быть использованы в конструкторских и расчетных отделах автобусных и автомобильных заводов, в органах по сертификации автобусов, в ГУЛ «НИЦИАМТ».
Реализация результатов работы. Разработанные методики, расчетные модели и результаты исследований использованы:
- в ОАО «Павловский автобус» при доводке кузовов автобусов ПАЗ-3205,
ПАЗ-5269 и ПАЗ-4223 по условиям требований Правил ЕЭК ООН № 66;
- в ГУЛ «НИЦИАМТ» при проведении сравнительных стендовых
испытаний секций кузова ПАЗ-3205;
- в учебном процессе: в курсах «Строительная механика автомобиля»,
«САПР кузовов» на кафедре «Автомобили и тракторы» НГТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
научно-технической конференции «Проектирование, испытания, эксплуатация и маркетинг автотракторной техники», г. Н. Новгород, 1997 г.
международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России», г. Н. Новгород, 1998 г.
международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем», г. Волгоград, 1999 г.
международном научном симпозиуме «Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа». К 60-летию воссоздания МАМИ, г. Москва, 1999 г.
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 12 печатных работах.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих результатов и выводов, включающих рекомендации, материалы внедрения результатов, списка литературы и трех приложений. Содержит 128 страниц основного машинописного текста, 29 рисунков и 5 таблиц, библиографию из 111 наименований и трех приложений на '49 страницах. В приложениях представлены дополнительно 55 рисунков, распечатки программ расчета разрушающих нагрузок и пластических моментов сопротивления сечений, акты внедрения материалов работы.
Анализ требований безопасности к кузовам автобусов
Достаточно большой опыт экспериментальной оценки безопасности автобусов накоплен на автополигоне НАМИ при участии известных ученых и исследователей: А.И. Рябчинского, Р.К. Фотина, Э.Н. Никульникова, В.П. Антипцева, В.В. Фролова, М.В. Лыюрова, Ю.Ф. Благодарного, О.В. Мельникова [4], [34], [62], [64], [68], [69], [70]. Их опыт положен в основу разработки ГОСТ 27815-88. Важную роль в разработке Правил № 66 ЕЭК ООН сыграли ученые Венгрии, Германии [99], Швеции, Франции.
Работа по уточнению внутреннего остаточного пространства на основании результатов статистических исследований ДТП проведена на кафедре «Безопасность дорожного движения» в МАДИ И.К. Коршаковым [27]. Определенный вклад в этом направлении внесен лабораторией пассивной безопасности НАМИ. Обобщающие результаты этих исследований отражены в трудах В.Н. Иванова [22], Л.Л. Афанасьева [6], А.И. Рябчинского [67]. Опыт по проведению отдельных видов испытаний автобусов используется непосредственно и на автобусных заводах при проведении заводских испытаний.
Полномасштабные испытания автобусов на безопасность, как правило, проводятся при сертификации продукции. Результаты этих испытаний и отчеты имеют ограниченный характер информации о детальном поведении конструкции и не содержат руководящих данных для конструктора о причинах несоответствия и способах повышения безопасности кузова. Поэтому возникает необходимость в проведении специальных испытаний.
Известны работы по проведению специальных испытаний с целью более детального изучения работоспособности кузовЫ Автобусов в аварийных ситуациях. К этому направлению относятся работам, проводимые на Протяжении многих лет на АО «Павловский автобус» совместно с кафедрой «АіШййШйли и тракторы» Нижегородского Государственного Технического Университета (НГТУ) под руководством В.Б. Цимбалина, Л.Н. Орлова, Л.В. Барахтанова при поддержке главного конструктора Б.К. Кузнецова и участии В.А. Колтунова [24], СМ. Кудрявцева [28], В.И. Пескова [59]. При их активном участии на кафедре сложилась школа кузовщиков-прочнистов, выпускающая специалистов для автомобильных заводов. К этому же направлению относятся работы, проведенные НГТУ совместно с Нефтекамским заводом автосамосвалов (НЗАС) по исследованию безопасности вахтовых автобусов [19]. Определенную роль, особенно при разработке Правил и ГОСТов, играют и статистические методы исследования по выявлению условий нагружения кузова в аварийных ситуациях, слабых мест конструкции, травмоопасных элементов, проводимые МАДИ [27].
Важность полномасштабного эксперимента очевидна и неоспорима. Но как уже отмечалось, в настоящее время масштабы его ограничены из-за относительно высокой стоимости, включая стоимость образцов. Кроме того, экспериментальная оценка безопасности автобуса не позволяет конструктору оперативно вмешиваться в процесс проектирования безопасного кузова, т.к. проводится после завершения этого процесса. Бесспорно, конструктору нужен инструмент в виде методики расчета, позволяющий с самого начала проектирования кузова прогнозировать его безопасность, своевременно корректируя его несущую силовую схему с учетом требований прочности, долговечности при обеспечении заданной металлоемкости. В настоящее время такой общепринятой и утвержденной методики расчета не существует. Не изучены особенности разрушения отдельных секций, силовых сечений и элементов, эмпирические зависимости деформаций конструкций от разрушающих нагрузок.
Наибольшее внимание в области расчетов кузовов автобусов пока уделялось вопросам оценки прочности в условиях статического нагружеийк В основу этих исследований были положены общие теории В.В. Власова [12], А.А. Уманского [74], J.H. Argyris [88]. Применительно к автобусам следует отметить основоположника расчетных методов исследования прочности кузовов автобусов Д.Б. Гельгата [15], его учеников М.Б. Школьникова, Н.И. Воронцовой [82], [83], [13]; работы В.В. Осепчугова [54], [55]. Дальнейшее отражение исследования прочности нашли в трудах Н.Ф. Бочарова [11], Г.М. Багрова [7], К.М. Атояна [5], А.С. Ташлыцкой [75], В.Б. Цимбалина, В.А. Колтунова, В.Н. Пескова, СМ. Кудрявцева [26], Я. Павловского [58], основанных на применении упрощенных моделей кузовов и использовании в расчетах метода сил и перемещений. Последующее развитие расчеты получили в исследованиях прочности кузовов автобусов с применением метода конечных элементов в работах В.Н. Зузова [21], Ю.А. Сарычева [13], А.Н. Черного, Н.И. Белякова [8], [14], Э.И. Григолюка [IS], Н.А. Кулакова [30], А.Н. Любина [31], [32], Л.Н. Орлова [25], [42], [49], [50], СМ. Кудрявцева [29], Ю.А. Савостьянок [61]. Результаты этих исследований положили начало внедрению расчетных методов оценки прочности на автомобильных заводах страны. В настоящее время на ведущих заводах успешно работают расчетные отделы, в распоряжении которых имеются мощные и совершенные программные комплексы упругого расчета, такие как NASTRAN, GIFTS, ANSYS. Достаточно эффективно расчетные методы оценки прочности и безопасности используются в проектировании и доводке кузовов на АО «ГАЗ» при участии С.Г. Пургина, С.С. Никишина, СА. Сергиевского, В.Л. Дьяченко, С. Павинского, ЕВ. Кочанова [33], в проектировании двигателей на АО «Заволжский моторный завод» под руководством A.M. Нестеренкова. Важная диссертационная работа в области исследования вибронагруженности и расчетного модального анализа кузовов автобусов выполнена Н.Б. Сафоновым на АО «Павловский автобус» [71].
Следует заметить, что в настоящее время накоплен богатый опыт расчетных работ по исследованию и анализу прочности кузовов автомобилей. Несомненно, большой вклад в общую теорию расчета методом конечных элементов внесли О. Зинкевич [102], К. Батте и Е. Вилсон [9], Е. Hinton , D. Owen [93], В.А. Постнов [60], ученые НГУ - А.Г. Угодчиков, В.П. Малков, НГТУ - В.Г. Налоев, А.Н. Попов, АН. Дербасов и др. В развитии исследований прочности методом МКЭ в области кузовов автомобилей важную роль сыграли работы В. Atzori [87], по расчету кузовов легковых автомобилей, Н. Alaylioglu, R. Ali [85], исследователей Fiat: A. Garro и F. Fasolio [90], G. Mazzuolo [96], U. Sciffert [98], L. Locati [95], E. Franchini [91], H.J. Yim [110], R. Burdisso [104], V.U. Schramm [111]. Важные результаты по экспериментальному исследованию пластических характеристик стальных панелей приведены в работе С. Cali, A. Soprano [89].
В области нелинейных расчетов применительно к решению проблемы безопасности кузовов известны работы по упруго-пластическому нелинейному расчету методом конечных элементов кузова легкового автомобиля на лобовой удар, выполненные итальянскими учеными F. Gay, A. Garro [92]. Ими на примере уточненной модели кузова, состоящей из пластинчатых элементов получены характеристики разрушения конструкции, сопоставимые с экспериментом. Проведена сравнительная оценка результатов расчета этой модели с комбинированной, состоящей из стержневых и пластинчатых элементов. Показывается хорошая сходимость результатов. Приведены результаты экспериментов по разрушению стрежневых тонкостенных элементов при их продольном сжатии с диаграммами разрушения, полезными для рассмотрения в данной работе. Разработке безопасной рамы автомобиля с энергоемкими конструкциями передней и задней частей посвящена работа R. Baracos и А. Rlioder [103].
Методика инженерного расчета кузовов автобусов на безопасность в условиях опрокидывания
Для решения задач теории упругости методом конечных элементов используется метод минимизации интегральной величины, связанной с работой напряжений и внешней приложенной нагрузки. При решении задачи в перемещениях при заданных значениях на границе минимизируется потенциальная энергия системы при отыскании угловых значений вектора перемещений. После определения перемещений вычисляются компоненты тензоров деформаций и напряжений [72].
Особенностью расчетов МКЭ в данной работе является представление кузовов автобусов ПАЗ-5271, 4223 в виде уточненных моделей, состоящих из 62 суперэлементов (подконструкций), таких как: основание кузова, включающее шасси автобуса и надстройку пола, отдельно боковины, крыша, передок и задок.
В этом случае общая матрица жесткости всей конструкции формируется из матриц жесткости подконструкций, каждая из которых включает матрицы жесткости отдельных элементов.
Собранная подконструкция (суперэлемент), как самостоятельная единица, описывается через свои узловые параметры системой вида:
Общее уравнение равновесия имеет вид, представленный в выражении (2.66). Системы уравнений метода суперэлементов МСЭ имеют меньший порядок, в отличие от МКЭ. Диагональные коэффициенты матрицы жесткости преобладают над побочными. Это способствует сокращению числа неизвестных и дает возможность решения относительно сложных конструкций, таких как кузов автобуса ПАЗ-5271 на персональных ЭВМ класса «Pentium II».
Расчет напряженно-деформированного состояния конструкции в упругой фазе методом МСЭ осуществляется в следующей последовательности.
Разработанная конечно-элементная модель конструкции разбивается на подконструкции, например как указано выше. Принятое разбиение модели кузовов ПАЗ-5271 и 4223 выбиралось исходя из возможности расчета на ЭВМ Pentium II. Для всех базисных конечных элементов по известным геометрическим, физическим параметрам и нагрузкам составляются матрицы жесткости и векторы узловых усилий.
Отдельные группы базисных элементов, входящие в подконструкции, посредством узловых точек и топологии элементов, собирают в суперэлементы. Их жесткостные свойства описываются в зависимости от значений функции перемещений во всех внутренних узловых точках соответствующей матрицей жесткости (2.69). Суперэлемент обладает только той частью свойств подконструкции, которая необходима для адекватного описания его взаимодействия с остальными суперэлементами. Стыковка всех суперэлементов в полную модель осуществляется по граничным узлам. В результате решения системы уравнений равновесия находятся значения функции перемещения в этих узлах. После этого каждый суперэлемент (подконструкция) рассчитывается отдельно до получения значений перемещений во всех узловых точках. Далее по заданной аппроксимации функции перемещений на базисных конечных элементах находятся компоненты их деформаций и напряжений. Рассмотренный принцип заложен в используемый программный комплекс GIFTS. 2.4.2. Основные положения программного комплекса МКЭ, используемого в работе.
В работе использовался программный комплекс GIFTS [94], который может успешно применяться в расчетных исследованиях безопасности кузовов автобусов на начальных этапах в области упругих деформаций элементов. Он включает в себя предпроцессор, процессор и постпроцессор. Предпроцессор состоит из программ (процессоров): BEAMS - для задания характеристик сечений стержневых элементов модели кузова; EDITM - для ручного генерирования геометрии модели; LOADBC - для задания внешних граничных условий (опор) и нагрузки; BULKF - для формирования внутренних граничных условий (связей элементов в узлах моделей). В данной работе использовался ручной ввод информации в режиме редактора, поэтому другие возможности пакета не рассматриваются.
Процессор состоит из ряда программ, обеспечивающих непосредственный расчет задачи (матричные операции) в режимах статического и динамического действия нагрузок. В данной работе исследования проводились в режиме статического нагружения конструкции, поэтому последовательность процедуры расчета соответствовала содержанию макропроцессора MSTATIC:
Выбор уточненной конечно-элементной модели кузова
В табл. 1 в строке эксперимент приведены максимальные значения нагрузок, полученных при статических испытаниях на стенде. Реальные зависимости изменения разрушающих нагрузок в процессе деформирования конструкций имеют, как правило, убывающий характер (рис. 4.2, 4.5). Поэтому энергоемкость кузова, определенная расчетным путем, является завышенной. Это должно учитываться при выполнении расчетной оценки безопасности конструкции. Следует иметь в виду и возможные расхождения зависимостей статических и динамических испытаний, связанные с характеристиками конструкции кузова, например, сравнение результатов статического и динамического (на маятниковом копре при скорости удара 8 м/с) испытаний кабины (рис. 3.8) по данным работы [43] свидетельствует об изменении жесткости конструкции в упругой фазе деформирования. На рис. 3.8 линии 1 и 3 соответствуют результатам статических испытаний, а 2 и 4 - динамических (ударных) нагружений. Наблюдающиеся расхождения данных необходимо учитывать при сертификационных оценках безопасности конструкций на основании проведения выборочных динамических и статических испытаний отдельных секций.
Выполненные исследования несущей способности секций кузова показывают хорошую сходимость результатов расчетов и экспериментов, что дает основание рекомендовать разработанную методику для практического использования при оценке пассивной безопасности автобусов в условиях опрокидывания.
Расчетная оценка безопасности автобуса ПАЗ-3205 показывает, что его конструкция отвечает требованиям Правил № 66 ЕЭК ООН, что согласуется с результатами ранее проведенных сертификационных испытаний. Исследованиями установлено, что существенную роль в повышении пассивной безопасности автобуса играют конструкции сидений пассажиров, поручней салона, перегородки за водителем и их связей с кузовом. На рассмотренном примере автобуса ПАЗ-3205 и полученных результатах видно, что каркасы сидений повышают несущую способность кузова на 10% за счет собственных поглощающих свойств. Более того, они могут повысить стойкость кузова к разрушению еще на 16% при условии, если они создают упор (противодействие) для боковин, предотвращающий их перемещение на высоте расположения подоконного пояса. При этом обеспечивается желаемый механизм разрушения кузова, показанный на рис. 3.3, П 2.1. Это подтвердили результаты проведенных стендовых испытаний секций автобуса на автополигоне (рис. П 3.39,3.40,3.41).
Стойки поручней и перегородки способствуют повышению несущей способности кузова при опрокидывании автобуса при условии их прочного и надежного крепления к полу и крыше. В зависимости от конструкции этих связей эффект по увеличению разрушающей нагрузки может быть до 20%. Двери увеличивают боковую разрушающую нагрузку кузова примерно на 10%.
Несущая способность кузова существенно увеличивается при смещении верхних пластических зон (шарниров) с концевых участков дуг крыши на верхние концы стоек боковин. Это примерно в 1,5 раза увеличивает несущую способность средней секции кузова, включающей IV, V и VI силовые сечения, что повысит разрушающую нагрузку кузова на 15%. Конструктивно это возможно обеспечить за счет более прочной крыши, как, например, в кузове автобуса ПАЗ-5269 (71). 3.3. Анализ работоспособности кузова, его силовых сечений и оценка пассивной безопасности автобуса ПАЗ-5269 (71)
Исследования работоспособности кузовов автобусов ПАЗ-5269 (71), 4223 в условиях опрокидывания проведены расчетным путем. Работы проведены на этапе доводки конструкций. Поэтому применялись уточненные конечно-элементные модели кузовов (рис. 2.9, П 2.3), упрощенные модели их секций (рис. П 2.5 -V- 2.7) и силовых сечений (рис. 3.9), разработанные при участии автора. Модели и расчетные схемы учитывают реальные условия нагружения, идентичные тем, которые возникают при испытаниях. Эти условия воспроизведены в расчетах заданием внешних опор закрепления моделей (схем) и способом приложения нагрузки.
Конечно-элементная модель использовалась при расчетах в упругой фазе деформаций кузова под действием единичной боковой нагрузки, имитирующей аварийные условия в соответствии с требованиями Правил № 66. Эти расчеты произведены с целью определения предельной нагрузки по условию наступления текучести в крайних волокнах наиболее нагруженных сечений; выявления зон возможных пластических деформаций (шарниров) и их распределения; определения предполагаемого механизма разрушения кузова. По результатам этих исследований были разработаны расчетные модели секции и схем девяти силовых сечений кузова для анализа их несущей способности по разрушающим нагрузкам и последующей оценки безопасности кузова.
Анализ результатов разрушающих испытаний образцов элементов и участков каркаса кузова
Экспериментальные исследования проведены с целью изучения реального характера разрушения кузова и его отдельных частей при статическом нагружении в направлении действия аварийных нагрузок; сопоставления полученных данных с результатами расчетов; уточнения принятых в инженерном расчете гипотез.
Испытания проводились в стендовых условиях на кафедре «Автомобили и тракторы» и в лаборатории пассивной безопасности автополигона (ГУЛ «НИЦИАМТ») при участии автора, с использованием существующего оборудования в рамках договора о совместных работах с АО «Павловский автобус». Объектами испытаний были: кузов и отдельные секции автобуса ПАЗ-3205, силовые элементы каркаса кузова автобуса ПАЗ-5271. Условия нагружения и закрепления указанных образцов выбирались в соответствии с восприятием ими аварийной нагрузки, обусловленной требованиями Правил № 66 ЕЭК ООН и условиями нагружения при расчетах. Статический режим нагружения конструкций при испытаниях был выбран для обоснования результатов расчетов и разработанной методики расчета кузова автобуса на безопасность. Динамические стендовые испытания проведены для выполнения сравнительной оценки результатов с данными статических испытаний и определения переходных коэффициентов, необходимых для оценки безопасности кузовов по результатам их статических расчетов.
Методологические основы проведения экспериментов. Оборудование и аппаратура
Проведенные экспериментальные исследования носят специальный характер, направленный на детальное изучение зависимостей между разрушающими нагрузками, деформациями конструкций и напряжениями в элементах при разрушении отдельных секций, силовых участков и элементов кузовов автобусов. Этим, прежде всего, определялись методика испытаний, выбор необходимого оборудования и аппаратуры. В задачу экспериментальных исследований входило: - проведение разрушающих испытаний отдельных силовых элементов и участков каркаса кузова с целью изучения их характера разрушения, зон пластического течения металла, поведения при разрушении тонкостенных профилей; оценки влияния размеров, формы и толщины стенки профиля на картину разрушения элемента, например, оконной стойки; - определение разрушающих нагрузок Рр при испытании образцов элементов каркаса, участков боковины, включая два оконных проема кузова ПАЗ 3205. Оценка влияния косынок на повышение Рр, - изучение характера разрушения поперечных секций передка, задка и средней секции кузова автобуса ПАЗ-3205 при нагружении, имитирующем действие боковой аварийной нагрузки; - проведение анализа данных, ранее полученных на кафедре [19] при испытании кузова автобуса НЗАС-420801.
Эксперименты проводились в НИЛ кафедры «Автомобили и тракторы» на стенде для испытания кузовов автобусов и их секций (рис. П.3.1), стенде для испытания элементов кузова (рис. П.3.2 и П.3.3) и на автополигоне «НИЦИАМТ» (на стендах для статических испытаний, вертикальном и горизонтальном, и на маятниковом копре, рис. П 3.39 -г 3.41).
Стенд на рис. П.3.1 предназначен для прочностных и разрушающих испытаний кузовов в целом, их секций и участков. Его подробное описание приведено в работе [39]. На рис. П.3.4 показан общий вид аппаратуры для регистрации разрушающих процессов. На рис. П.3.5 показана схема установки датчиков перемещений и тензодатчиков, использованных при испытаниях. Блок-схема их подключения к измерительной и регистрирующей аппаратуре приведена на рис. П.3.6. Измерение больших упруго-пластических деформаций и перемещений кузова и секций осуществлялось комплектом струнно-кольцевых и реохордных датчиков, показанных на рис. П.3.5. При проведении неразрушающих испытаний кузова, в упругой фазе нагружения боковыми сосредоточенными силами с целью обнаружения зон пластических деформаций, распределение напряжений в элементах измерялись тензодатчиками, которые наклеивались по определенной схеме в характерных местах, в соответствии с данными предварительно проведенных расчетов. Усиление сигналов тензодатчиков производилось усилителями ПА-1. В качестве регистрирующей аппаратуры использовались цифровые вольтметры, шлейфовые осциллографы, многоканальный магнитограф, цифровая тензометрическая станция. Основой измерительного комплекса является контроллер высокой производительности. Он имеет общее число программируемых параллельных каналов ввода-вывода информации - 48. Тензоусилитель ПА-1 обеспечивает номинальный выходной сигнал ± 1В. Его основная приведенная погрешность составляет ± 1%. Дополнительная температурная погрешность на каждые 10 ± 0,5%. Выход с усилителя идет на анапогоцифровой преобразователь (АЦП-Ф707712). Он преобразует в цифровой код постоянные и быстроизменяющиеся детерминированные или случайные сигналы с широким частотным спектром. Его допускаемая статическая погрешность в процентах от измеряемой величины не превышает значений, определяемых по известной формуле:
Коммутатор адреса собран на базе герконовых реле РЭС-64, обеспечивающих частоту переключения до 100 Гц. Магнитный накопитель РК-1 служит для хранения записанной информации. Его емкость 360 кбайт. Разработанная схема комплекса (рис. П.3.6) обеспечивала проведение стационарных измерений при ступенчатом нагружении в пределах упругих деформаций конструкции, а также непрерывных измерений нагрузки и деформаций в процессе проведения разрушающих испытаний.
Перед испытаниями производилось тарирование измерительных устройств. Тарировка тензодатчиков проводилась в режиме ручного управления при подключении к системе контрольной балки с тензодатчиками, аналогичными датчикам, наклеенным на кузове. Сначала при помощи цифрового вольтметра устанавливался «0» на выходе усилителя ПА-1. После этого контрольная балка нагружалась грузом, обеспечивающим определенное значение напряжения в наклеенном на ней тензодатчике. Ручкой «калибровка» устанавливали на выходе ПА-1 напряжение в соответствии с динамическим диапазоном нагрузки исследуемого узла. Полученный при этом тарировочный коэффициент вводился в программу контроллера. Примененная система измерительного комплекса дала существенный выигрыш по точности и по времени замеров напряжений, в сравнении с использованием прибора ЦТМ-5.
При испытаниях кузова автобуса НЗАС-420801 в условиях, имитирующих нагрузку по требованиям Правил № 66 он жестко крепился своим основанием, включая раму шасси автомобиля КАМАЗ, к опорному основанию стенда через дополнительно разработанные промежуточные опоры, количество которых соответствовало количеству поперечных силовых сечений кузова. Боковая нагрузка, имитирующая аварийную реакцию опорной поверхности, создавалась гидронагружающим устройством через динамометрическую балку. Расположенные на балке специальные тензометрические динамометры размещались в соответствии с расположением силовых сечений кузова. Нагрузка прикладывалась к надоконному поясу на высоте стыка крыши с левой боковиной под углом а = 16...20 к горизонтальной плоскости. Воспроизведение характера нагружения (статического или импульсного) обеспечивалось изменением скорости срабатывания системы выдвижения штоков нагружающих гидроцилиндров, перемещающих нагружающую динамометрическую балку. При дросселировании жесткости обеспечивалось плавное нарастание нагрузки. Резкое открытие управляющего крана создавало гидроударное резкое нарастание нагрузки, имитирующее характер действия опорной реакции на кузов при опрокидывании автобуса.
Испытания секций передка и задка кузова автобуса ПАЗ-3205 на стенде проводились при попарной их установке (два передка или два задка). При этом они соединялись между собой продольными трубами, имитирующими отсутствующую среднюю часть каркаса. Установка секций и их закрепление на опорном основании стенда осуществлялось с помощью специальных опор, воспроизводящих реальные условия закрепления секций в кузове. Эти условия обеспечивают характер разрушения секций, аналогичный их разрушению в составе всего кузова. На стенде (рис. П.3.1) проводились испытания секций, взятых из производства. Аналогичные секции задка были испытаны в лаборатории безопасности автополигона НИЦИАМТ (рис. П.3.39, 3.40) при проведении совместных исследований, в которых принимал участие автор данной работы. При этом, для получения механизма их разрушения идентичного расчетному, секции были подкреплены дополнительными усилителями, воспроизводящими связи с отсутствующими средними частями кузова. Кроме того, на полигоне были проведены статические испытания трех секций кузова автобуса ПАЗ-3205 (передней, средней, рис. П.3.41 и задней, рис. П. 3.16). Секции были получены после разрезания целого «черного» кузова на три части в местах, указанных автором данной работы. Границы частей были выбраны исходя из возможности их установки на стендах, удобства проведения испытаний и сопоставления с результатами расчетов. Для оценки влияния сидений на пассивную безопасность в среднюю секцию были установлены стандартные каркасы сидений. В каждой секции по границам разреза были установлены дополнительные усилители в местах стыковки силовых элементов с удаленной частью. Это было сделано для воспроизведения необходимого характера разрушения части, аналогичного ее характеру в составе целого кузова.
Испытания каркасов оконных проемов боковины проводились на стенде (рис. П.3.1). Установка конструкции с одним оконным проемом показана на рис. П.3.7. Установка конструкции с двумя оконными проемами и схемы нагружения показаны на рис. П.3.8, П.3.9, П.3.10. Как видно из рисунков, их закрепление осуществлялось на уровне подоконного пояса, а нагрузка прикладывалась к надоконному поясу.
