CC BY
17
УДК 629.3.01
В. И. Таричко, П. И. Шалупина К вопросу о динамической нагруженности несущих конструкций специальных колесных шасси
Рассмотрен метод оценки динамической нагруженности рамы специального колесного шасси при движении по дорогам различных категорий. На основе разработанной конечно-элементной модели рамы получены и проанализированы полноразмерные картины напряженно-деформированного состояния рамы и осциллограммы эквивалентных напряжений в наиболее нагруженных зонах рамы. Ключевые слова: специальные колесные шасси, тягачи, вооружение, военная техника, военная автомобильная техника, динамическая нагруженность, напряженно-деформированное состояние.
Особое место в структуре парка военной автомобильной техники (ВАТ) занимают специальные колесные шасси и тягачи (СКШТ), предназначенные для установки мобильных наземных установок и других видов вооружений и военной техники (ВВТ). В тяжелых условиях эксплуатации к СКШТ в целом и их несущим системам в частности предъявляются высокие требования в части прочности, долговечности и надежности. В связи с этим в современных условиях перед конструкторами СКШТ стоит сложная задача в кратчайшие сроки спроектировать изделие, отвечающее требованиям заказчика. При этом немаловажными являются вопросы проходимости СКШТ, поскольку доступность мест несения службы может быть серьезно ограничена. А в связи с постоянным совершенствованием и усложнением конструкций ВВТ растет необходимость в повышении грузоподъемности СКШТ.
При этом особую актуальность приобретает применение методов математического моделирования для исследования влияния различных факторов на эксплуатационные свойства СКШТ, что позволяет значительно снизить затраты на проведение испытаний и экспериментальных исследований разрабатываемой техники на этапе проектирования.
В данной статье рассмотрим вопрос оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) несущих систем СКШТ (рам), которые воспринимают нагрузки при движении по неровностям дороги и служат основанием для закрепления узлов и агрегатов. Очевид-
© Таричко В. И., Шалупина П. И., 2019
но, что при выходе рамы из строя дальнейшая эксплуатация СКШТ невозможна, однако в условиях ограниченности ресурсов требуется поддерживать оптимальное соотношение прочностных, жесткостных и прочих характеристик с требованиями, предъявляемыми заказчиком. В связи с этим предпочтительным методом исследования НДС рам СКШТ является имитационное моделирование, позволяющее с достаточной точностью оценить степень их динамической нагруженности [1].
Для начала рассмотрим вариант конструкции рамы лонжеронного типа, применяемой в СКШТ семейства «Вощина-1» производства АО «Брянский автомобильный завод». Рама состоит из двух лонжеронов (1), соединенных друг с другом посредством поперечин (2) (рис. 1), и имеет постоянное сечение с сужением в передней части для закрепления бампера (6). Лонжероны представляют собой сварные конструкции из Z-образных профилей, дополнительно усиливаемые накладками (5) переменного сечения с целью увеличения жесткости конструкции. Соединение поперечин с лонжеронами выполняется в основном болтами, дополнительно применяются электрозаклепки. Косынки (3) закрепляются на поперечинах посредством сварных соединений.
Особенностью данной рамы является наличие «выреза» (4) (см. рис. 1), необходимого для размещения дополнительного оборудования заказчика. «Вырез» (4) дополнительно усилен обечайками, имеющими толщину основного профиля лонжерона. Для передачи усилий от дороги на раму применяется независимая торсионная подвеска на поперечных рычагах.
ф о о.
I-
Ü о
Э
те
Рис. 1. Общий вид рамы: 1 - лонжерон; 2 - поперечина; 3 - косынка поперечины; 4 - «вырез»; 5 - накладка; 6 - бампер
Основные характеристики рамы и подвески следующие:
Рама
Материал.............................10ХСНД
Профиль лонжерона..........2-образный
Толщина лонжерона, мм.... 8 Высота профиля, мм..........600
Подвеска
Тип.......................................независимая, торсионная, на поперечных рычагах
о> Ход сжатия, мм...................130
Ход отбоя, мм.....................105
^ Материал торсионов..........45ХН2МФА-Ш-1ГП
^ Материал рычагов..............30ХГТ
| Рассмотрим методику имитационного
< моделирования для оценки НДС рассматрива-Д емой рамы. Данная методика основана на ме-5 тоде конечных элементов (МКЭ), применение которого позволяет в рамках единого подхода § решать широкий спектр задач по исследова-я нию рам практически любой конструкции. се На первом этапе разработана идеализиро-
х ванная пространственная конечно-элементная ^ модель (КЭМ) подвески, состоящая из одномер-| ных конечных элементов (КЭ). Такие КЭ учиты-ф вают характеристики материалов, из которых изготовлены элементы подвески, их инерционные ™ и жесткостные параметры, а также параметры с? демпфирования для упруго-диссипативных элементов. Нелинейная характеристика амортизатору
г ра задавалась в соответствии с типовой характе-
(Л „
ю ристикой, регламентированной конструкторской
документацией. Колесо в сборе с шинами и колесный редуктор с рабочими тормозами учтены в модели в виде элемента сосредоточенной массы, расположенном в геометрически определенном центре тяжести. Его соединение с элементами подвески выполнено специальным интерполяционным элементом распределения массовых нагрузок. Общий вид идеализированной модели подвески представлен на рис. 2.
Идеализированная модель рамы представляет собой оболочечную модель. Положение оболочек в ней соответствует расположению срединных поверхностей листовых элементов. При этом в идеализированной модели учитываются места крепления элементов подвески, навесного оборудования (кабины, силового агрегата, мотоотсека и пр.).
Для дискретизации геометрии рамы использованы 3- и 4-узловые плоские КЭ. КЭМ рамы учитывает отверстия в лонжеронах под приводные валы и элементы рулевого управления. Дополнительно моделируются места крепления элементов подвески к раме, а также кронштейны крепления навесного оборудования. Средний размер КЭ в данной КЭМ составляет 40 мм со сгущением в местах возможной концентрации напряжений. Размер КЭ выбран после проведения предварительных тестовых расчетов, выполненных при последовательном сгущении сетки для оценки точности получаемых результатов. В результате удалось значительно снизить итоговую размерность КЭМ и при этом сохранить необходимую точность расчетов.
Рис. 2. Общий вид идеализированной модели подвески: 1 - торсионы; 2 - соединение центра масс подвески с ее элементами; 3 - масса подвески; 4 - амортизатор; 5 - рычаги
Болтовые соединения между составными частями моделируются с помощью специальных объектов моделирования, представляющих собой совокупность одномерных элементов. При этом выполняется «паутинное» соединение абсолютно жесткими элементами узлов отверстий болтового соединения с их центрами, после чего центральные узлы отверстий соединяются упругим одномерным элементом, имеющим свойства болта. Сварные соединения в модели также моделируются с использованием специальных объектов моделирования и представляют собой упругие соединения, выполненные из одномерных КЭ и имеющие свойства материала свариваемых частей.
Для учета масс тяжеловесного оборудования применяются КЭ сосредоточенной массы. Их расположение в модели соответствует данным весовой ведомости шасси. Соединение центров масс оборудования с элементами крепления на раме осуществляется посредством интерполяционных одномерных элементов распределения весовых нагрузок. В реальной конструкции соединение элементов подвески с рамой осуществляется с помощью кронштейна подвески. В разработанной модели для передачи усилий со стороны подвески на раму применены абсолютно жесткие одномерные КЭ. В целом разработанная КЭМ содержит 88 520 узлов и 147 677 элементов (рис. 3).
Корректность применяемых КЭМ рамы и подвески подтверждена рядом аналитических расчетов и лабораторных исследований, проведенных на базе предприятия в рамках различных работ и испытаний. В качестве тестовых расчетов в статической линейной постановке рассмотрены статическое положение СКШ на поверхности земли и различные варианты вывешивания осей. Полученные в рамках тестовых задач результаты в части возникающих реакций на осях в целом согласуются с результатами аналитических расчетов и лабораторных работ по взвешиванию аналогичных изделий.
Определяющее влияние на нагрузочные режимы колесных машин оказывает микропрофиль дороги [2, 3]. Он в целом определяет динамическую нагруженность несущей системы машины и ограничивает возможность полной реализации скорости, мощности, маневренности и грузоподъемности. Путевые неровности можно определить с помощью спектральных плотностей мощности S(n), £(ю), которые являются функциями пространственной частоты n (цикл/м) или циклической пространственной частоты ю = 2пп (рад/м). Для генерирования о высот неровностей z используется алгоритм, <5 основанный на разложении Райса - Пирсона:
о
N __|
z(sk) = ^-sj 2S (n )2пДп cos(2 nnisk + pp-),
i=0 5
Рис. 3. КЭ модель рамы в сборе с подвеской
о сч
Ol
<
I
(0
О ü CQ те г
о.
ф
£
и ф
CQ
сч
■Clin
с?
сч
■Clin сч
(П (П
sk = к As, ni = n0 + ihn,
где N - число гармоник;
S(n) - спектральная плотность неровностей пути, м2 / (цикл/м);
n - шаг квантования по частоте; фг - случайная фаза, распределенная равномерно в интервале [- п, п]; As - шаг неровностей, м; к - порядковый номер гармоники; n0 - минимальная частота.
На основе этих данных реализованы микропрофили дорог различных категорий протяженностью 500 м в виде зависимостей высот неровностей от путевой координаты h(x). При этом будем рассматривать движение СКШ по дорогам следующих категорий:
• дороги с асфальтобетонным покрытием;
• грунтовые дороги (в удовлетворительном состоянии);
• разбитые булыжные дороги.
На рис. 4 приведены примеры реализации микропрофиля различных категорий дорог.
Внешнее возмущение для оценки динамической нагруженности представим в виде кинематического перемещения точек контакта колес согласно рассчитанным параметрам микропрофиля. Для оценки влияния скорости на НДС рамы имитацию движения предлагается проводить на скоростях движения 5, 10 и 20 м/с. При этом примем следующие допущения:
• контакт колеса с дорогой является точечным;
• нагрузочные характеристики торсио-нов и амортизаторов линейны, коэффициенты жесткости и сопротивления постоянны;
• шины идеализированы в виде упруго-демпфирующей модели с постоянными коэффициентами жесткости и демпфирования;
• грунт недеформируемый;
• заданный микропрофиль симметричен относительно продольной плоскости СКШ для левого и правого бортов;
• скорость движения на протяжении времени моделирования примем постоянной (влияние продольных ускорений не учитывается).
S 0,03
ñ 0,02
о 0,01
я о 0
и i -0,01
я R -0,02
U Я -0,03
И
50 100 150 200 250 300 350 Путевая координата х, м
400
450
500
150 200 250 300 350 Путевая координата х, м
б
500
150 200 250 300 350 Путевая координата х, м в
500
Рис. 4. Микропрофили различных категорий дорог: а - дорог с асфальтобетонным покрытием; б - грунтовых дорог (в удовлетворительном состоянии); в - разбитых булыжных дорог
Таким образом, сформировано 9 расчетных режимов, информация о которых сведена в таблицу.
Режимы имитации движения СКШ для исследования НДС рамы
Режим Категория дороги Скорость движения, м/с
I а Асфальт 5
б 10
в 20
II а Грунтовая дорога (в удовлетворительном состоянии) 5
б 10
в 20
III а Разбитая булыжная дорога 5
б 10
в 20
Результаты расчетов представлены в виде динамически изменяющихся картин НДС рамы при имитации движения СКШ по заданному микропрофилю дороги.
Примеры результатов расчета в виде полей напряжений приведены на рис. 5. Проанализировав представленные данные (см. рис. 5), можно сделать вывод, что наиболее нагруженными в процессе движения СКШТ являются зоны:
1) кронштейна подвески правого колеса первой оси;
2) передней части выреза по обе стороны рамы;
3) кронштейна подвески правого колеса третьей оси.
ш о о.
I-
Ü о
Э
те
о
см
О!
X <
I
со га
С <
О ^
со
а ф
^
х
О
о ф
со
см ^
ш о
см ^
ш см
о
МПа
Рис. 5. Картины напряженно-деформированного состояния рамы при имитации движения по заданному микропрофилю (масштаб деформаций 1:1): а - дорога с асфальтобетонным покрытием, Ф = 5 м/с, t = 47 с, ^ = 235 м; б - грунтовая дорога (удовлетворительное состояние), Ф = 5 м/с, t = 63,2 с, ^ = 316 м
05 С/5
Для удобства анализа представим результаты расчетов в виде осциллограмм изменения динамических напряжений (рис. 6) в указанных выше зонах рамы. Полученные значения напряжений рассчитаны в соответствии с четвертой (энергетической) теорией прочности.
Из рис. 6 видно, что наибольшие динамические напряжения среди рассмотренных режимов возникают в зоне 3 - крепления кронштейна подвески правого колеса третьей оси при движении на скорости 20 м/с по разбитой булыжной дороге. Отметим, что в действи-
тельности реализация подобного режима движения крайне маловероятна, однако для целей анализа в рамках обсуждаемой темы его рассмотрение возможно. При оценке полученных результатов можно отметить значительно более высокую динамическую нагруженность рамы при движении СКШ по дорогам в плохом состоянии. Так, динамические напряжения в раме при движении СКШ по разбитой булыжной дороге в среднем выше на 26 %, чем при движении по грунтовой дороге, и на 32,5 % при движении по асфальтобетонной дороге.
20 30 40 50 60 70
Время моделирования t, с а
200
. 150 §
К
О)
I 100
М 50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Время моделирования t, с б
10 15
Время моделирования г, с в
Рис. 6 (начало). Осциллограммы изменения динамических напряжений при имитации движения СКШ
по принятым режимам: а - режим I, а (зона 2); б - режим I, б (зона 2); в - режим I, в (зона 2)
v о о.
I-
Ü о
Э
те
Время моделированияс г
15 20 25 30 35 Время моделирования г, с Д
45 50
о см
■ч-
О!
<
I
(0
0 ^
СО те
1
о.
<и
3
и <и со
см ■ч-ю
с?
см ■ч-ю см
(П (П
10 15
Время моделирования г, с е
Рис. 6 (окончание). Осциллограммы изменения динамических напряжений г - режим II, а (зона 1); д - режим II, б (зона 1); е - режим II, в (зона 1);
Сравнив результаты по режимам, реализующим движение СКШ по дорогам одной категории на различных скоростях, можно сделать вывод и о некотором влиянии скорости движения СКШ на динамическую нагруженность рамы. Наиболее ощутимая разница заметна при сравнении результатов по режимам со скоростями движения 5 и 20 м/с - в среднем разница напряжений в этих режимах составляет порядка 20...25 %. Если сравнивать результаты по режимам со скоростями движения 10 и 20 м/с, то разница уже не столь заметна - 9.11 %.
Проиллюстрированный подход, несмотря на высокую трудоемкость подготовки моделей для имитационного моделирования, оправдан с точки зрения широты спектра исследований, в которых его можно использовать. К примеру, СКШТ в настоящее время все чаще применяются в составе самоходных артиллерийских орудий для нужд обороны в качестве технологической платформы. В процессе эксплуатации и применения таких изделий по назначению возникают нагрузки различного характера, в том числе динамического,
10 20 30 40 50 60 70
Время моделирования t, с ж
80 90 100
10 15 20 25 30 35 Время моделирования t, с з
45 50
10 15
Время моделирования с и
при имитации движения СКШ по принятым режимам: ж - режим III, а (зона 3); з - режим III, б (зона 3); и - режим III, в (зона 3)
ударного. Их учет становится критически важным не только при проектировании переходных элементов (так называемых надрамников, осуществляющих передачу усилий от изделия непосредственно на раму СКШТ), но и самих несущих конструкций СКШТ. В связи с этим показанную в статье КЭМ рамы и примененный подход в целом можно считать базовыми. При различных направлениях доработки их можно использовать и для исследования стойкости изделий к внешним воздействиям в части вибропрочности и вибростойкости,
более глубокого исследования влияния скорости движения транспортного средства на НДС несущей конструкции с учетом возникающих линейных ускорений.
Продолжая тему оценки динамической нагруженности несущих конструкций транспортных средств, также отметим известные в сфере железнодорожного транспорта методики [4, 5], основанные на применении методов моделирования динамики многотельных систем [6], в которых тела могут полагаться как абсолютно твердыми, так и упругими. Обоб-
ф о
■
I-
о о
Э
те
Ж
щение подходов, описанных в этих работах, для оценки нагруженности несущих систем автомобильного транспорта позволит более глубоко раскрыть вопросы, затронутые в настоящей статье, однако это является вопросом для дальнейших исследований. Список литературы
1. Проектирование полноприводных колесных машин: в 3 т. Т. 1 / Б. А. Афанасьев, Б. Н. Белоусов, Г. И. Гладов и др.; под ред. А. А. По-лунгяна. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2008. 496 с.
2. Динамика системы дорога - шина - автомобиль - водитель // под ред. А. А. Хачатурова. М.: Машиностроение, 1976. 535 с.
3. Белоусов Б. Н., Шухман С. Б. Прикладная механика наземных тягово-транспортных средств с мехатронными системами / под общей ред. д-ра техн. наук, проф. Б. Н. Белоусова. М.: Агроконсалт, 2013. 612 с.
4. Шалупина П. И, Антипин Д. Я. Использование промышленных программных комплексов для исследования динамической нагруженно-сти конструкций рельсового транспорта // Сб. науч. трудов 5-й Междунар. науч.-практ. конф., 2015. С.342-345.
5. Тюбаева Т. А., Лазарев М. А., Антипин Д. Я. Исследование динамической нагруженности кузова вагона-самосвала методами математического моделирования // Материалы VII Все-рос. науч.-практ. конф., 2016. С. 145-149.
6. Михальченко Г. С, Погорелов Д. Ю., Симонов В. А. Совершенствование динамических качеств подвижного состава железных дорог средствами компьютерного моделирования // Тяжелое машиностроение. 2003. № 12. С. 2-6.
Поступила 05.11.19
Таричко Вадим Игоревич - кандидат технических наук, заместитель генерального директора, главный конструктор Акционерного общества «Брянский автомобильный завод», г. Брянск.
Область научных интересов: динамические процессы энергетических машин, колесных машин и специального транспортного оборудования.
Шалупина Павел Игоревич - начальник конструкторского бюро расчетов и надежности Акционерного общества «Брянский автомобильный завод», г. Брянск. см Область научных интересов: динамика и прочность наземных транспортных средств.
ТГ
<
I
(0
0 ^
СО те
1
о.
<и
3
и <и со
см ■ч-ю
с?
см ■ч-ю см
(П (П
№
On the issue of dynamic loading of supporting structures of special wheeled chassis
The paper focuses on a method for assessing the dynamic loading of the frame of a special wheeled chassis when it moves on roads of various categories. Based on the developed finite element model of the frame, we obtained and analyzed full-size patterns of the stress-strain state of the frame and oscillograms of equivalent stresses in the most loaded zones of the frame.
Keywords: special wheeled chassis, tractors, weapons, military equipment, tactical vehicles, dynamic loading, stress-strain state.
Tarichko Vadim Igorevich - Candidate of Engineering Sciences, Deputy General Director, Chief Designer, Bryansk Automobile Plant, Joint Stock Company, Bryansk.
Science research interests: dynamic processes of power machines, wheeled vehicles and special transport equipment.
Shalupina Pavel Igorevich - Head of the Design Bureau of Calculations and Reliability, Bryansk Automobile Plant, Joint Stock Company, Bryansk.
Science research Interests: dynamics and strength of land vehicles.
