CC BY
20
На рисунке 3 представлен результирующий стенд для отладки и тестирования микроконтроллеров.
Рис. 3. Разработанный стенд
Для работы со стендом студенту достаточно включить сервер, перейти по адресу "localhost:HOMep порта" и подключить элемент на VHDL к тестируемой схеме.
В результате проделанной работы разработана структура программы и все основные классы, проведено тестирование отдельных модулей и системы в целом. Также был разработан графический интерфейс системы, позволяющий работать со стендом. Стенд может использоваться для демонстрации работы различных цифровых устройств. В частности, стенд может использоваться для отладки и тестирования схемотехнических и микропроцессорных систем. Разработанная стенд является кроссплатформенным и может работать как под Windows, так и под Linux.
Список литературы
1. Угрюмов Е.П. Программируемые логические матрицы, программируемая матричная логика, базовые матричные кристаллы. Цифровая схемотехника. Учебное пособие для вузов. / Угрюмов Е.П. БХВ-Петербург, 2004. 357 с.
2. Bress T. Effective LabVIEW Programming. NTS Press, 2013. 72 p.
3. Xilinx // Техническая документация на FPGA серии Spartan-6. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.xilinx.com/products/inteUectual-property/vio.html/ (дата обращения: 05.05.2017).
КОНСТРУКЦИИ КУЗОВА ИЗ ЛЕГКОГО МАГНИЯ ПРИ АВАРИЙНЫХ И ВИБРАЦИОННЫХ ОГРАНИЧЕНИЯХ Шушурихин В.В.
Шушурихин Вадим Вадимович - студент магистратуры, кафедра эксплуатации и организации движения автотранспорта, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород
Аннотация: конструкция кузова с учетом структурных характеристик и облегчения веса является сложной задачей из-за всех показателей производительности, которые должны быть выполнены, таких как безопасность транспортных средств и качество езды. В этой статье предлагается заменить материал вместе со стратегией оптимизации дизайна, чтобы разработать легкую конструкцию кузова автомобиля, которая удовлетворяет критериям крушения и вибрации при минимизации веса. Производительность оптимальной конструкции с магниевыми частями показывает значительное снижение веса и лучшую производительность по сравнению с базовым дизайном.
Ключевые слова: кузов, автомобиль, кузов автомобиля, применение магния, снижение веса, топливная экономичность
С ростом промышленного развития и опоры на ископаемые виды топлива, выбросы газа стали серьезной проблемой. Существует много источников для парниковых газов, включая выбросы от легковых автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. В Соединенных Штатах Америки агентство по охране окружающей среды (EPA) и Национальная администрация безопасности дорожного движения (NHTSA) выпустили совместное постановление в августе 2012 года [1] . Это новое регулирование наложено на легковые автомобили в 2017 году и действует до 2025 года для улучшения стандартов топлива для автомобилей. Исходя из этого нового правила, выбросы для легковых и грузовых автомобилей должны быть уменьшены с 151 г / км в 2017 году до 101 г / км в 2025 году; кроме того, экономия топлива должна быть улучшена с 6,43 л/100км в 2017 году до 4,32 л/100км в 2025 году. Однако автопроизводителям приходится разрабатывать свои продукты не только для того, чтобы выполнять новые правила, но и оставаться в конкуренции с другими производителями. Независимо от различных успешных подходов к улучшению экономии топлива, таких как повышение качества топлива, разработка высокоэффективных двигателей и системы впрыска топлива, снижение веса является одним из перспективных подходов, так как снижение веса на 10% в легковых автомобилях улучшает экономию топлива как 6-8%[2].
Применение легких материалов не только дает возможность автопроизводителям снизить вес автомобиля, но и одновременно удовлетворять новым правилам экономии топлива и выбросов. Несколько легких материалов были внедрены в автомобильной промышленности, таких как алюминий, магний и композиционные материалы. Согласно «Dieringa» и «Kaineretal.», магний считается наиболее перспективным материалом среди других легких материалов[3]. Конструкция кузова из магниевого автомобиля с равной жесткостью может быть на 60% или на 20% легче, чем сталь или алюминий, соответственно. Среднее использование магния в автомобилях увеличилось с 0,1% (1,8 кг) в 1995 году до 0,2% (4,5 кг) в 2007 году. Будущее видение магния показывает, что использование этого материала в автомобилях к 2020 году увеличится на 15% (около 227 кг). В этом исследовании оценивается 5,5 кг среднего использования магния в текущей структуре кузова для автомобилей, произведенных в США.
Предварительные работы по применению магниевых сплавов в структуре кузова автомобиля включают Parrishetal., где 22 стальные детали были заменены аналогами магния (AZ31). Эта замена в сочетании со структурной оптимизацией сэкономила 54,5 кг, в то время как большая часть характеристик нового кузова оставались аналогичными базовой конструкции. Loganetal показывают, что структура кузова из магния не только обеспечивает снижение веса более чем на 40% по сравнению с обычной стальной конструкцией, но также значительно улучшает структурные характеристики.
Продолжая предыдущие исследования, проведенные в Parrishetal., в этом документе исследуется снижение веса автомобиля путем комбинирования материалов конструкции и замены исходной стали на магниевые аналоги, чтобы характеристики шума и вибрации новой конструкции можно было улучшить или, по крайней мере, сохранить аналогично базовой конструкции. Оптимизация дизайна основана на минимизации массы в качестве целевой функции. Моделирование сбоев настраивается только для подмножества сценариев сбоя, обычно используемых в автомобильной промышленности. В этом исследовании используются три наиболее важных сценария катастрофы: «Полное фронтальное воздействие» (FFI), смещение фронтального удара (OFI) и побочное воздействие (SI). Несмотря на то что, сочетание критических нагрузок и характеристик вибрации ограничивает минимизацию массы, контраст между жесткостью для вибрации и размягчением для аварийных реакций решает важные соображения для применения магния в конструкции кузова автомобиля.
Обзор проблем и настройка оптимизации
Рассмотрены критерии надежности и вибрации полномасштабной модели конечного элемента (FE) модели Dodge Neon. Набор из 22 стальных деталей выбирается в зависимости от их влияния на такие свойства, как внутреннее поглощение энергии и жесткость. Эти выбранные детали заменяются магниевым сплавом AZ31, чтобы продемонстрировать влияние замены материала на снижение веса автомобиля. Количество выбранных частей составило 22, но из-за симметрии в дизайне проектные переменные были уменьшены до 15. Кроме того, для минимизации количества деталей, замещенных магнием, была задана задача оптимизации конструкции с учетом требований аварийности в трех сценариях сбоя (FFI, OFI, SI) и требований к вибрации в качестве конструктивных ограничений. Толщины стенок выбранных деталей определялись как проектные переменные.
Чтобы изучить влияние магния на структурную жесткость, оптимальный дизайн с одной целью (SO), рассмотренный Parrishetal., был выбран для сравнения. Рисунок 1показывает 22
45
стальные детали, которые заменяются магниевым сплавом, подвергнутым ограничениям оптимизации конструкции, которые извлекаются из реакций на ударную вязкость и вибрацию стальной базовой линии. Ограничения позволяют получить более легкую конструкцию, не ставя под угрозу разрушительное или вибрационное поведение модели базового автомобиля со стальными деталями. Чтобы облегчить этот процесс, пространство дизайна было расширено за счет изменения границ проектных переменных для деталей, замещенных магнием. Чтобы ограничить общую вычислительную работу, было выбрано только 22 части для замещения магнием; однако, если в качестве проектных переменных следует выбрать большее количество деталей, можно сохранить больше массы. Части с более темным оттенком, показанные на рисунке 1, являются симметричными частями конструкции.
Рис. 1. Конструктивные переменные и соответствующие части модели Dodge Neon FE Таблица 1. Конструктивные переменные и соответствующие части модели Dodge Neon FE
№ Наименование Вес детали из магниевого сплава (кг) Вес стальной детали (кг)
1 Стойка 1,611 2,561
2 Передний бампер 1,956 2,987
3 Панель кузова 0,735 0,867
4 Пол кабины 0,705 1,211
5 Нижняя панель багажника 0,706 0,569
6 Заднее крыло 0,829 1,482
7 Усилитель сиденья кабины 0,682 1,649
8 Усилитель порога 1,050 1,792
9 Переднее крыло 1,524 1,810
10 Внутренний лонжерон 1,895 3,436
11 Наружный лонжерон 1,522 3,145
12 Боковой усилитель 1,895 4,805
13 Задняя панель 0,710 1,559
14 Крыша 0,702 0,739
15 Подрамник 2,606 4,367
Применение магниевого сплава в автомобильной конструкции
Растущий интерес к повышению эффективности использования топлива побудил автопромышленность придумать различные методы получения более легкого автомобиля. Одним из распространенных методов достижения этого требования является замена материала. Этот метод позволяет инженерам разрабатывать конструкцию кузова автомобиля, не ставя под угрозу безопасность и разрушительное поведение. Кроме того, исследования в легких материалах, таких как магниевые сплавы, легкие легированные стали, алюминий и композитные материалы, позволили инженерам разработать более легкую конструкцию автомобиля с улучшенной безотказностью и качеством езды. По сравнению с алюминием и сталью магний проявляет лучшую удельную жесткость и удельную прочность. Тем не менее,
высокая текучесть и низкая прочность, проявляемая магнием при повышенных температурах, должны быть разрешены для облегчения использования магния для конструкций кузова.
Для изучения снижения веса в качестве замещающего материала для стали был выбран AZ31, процесс изготовления деталей производится формованием листов. Экспериментально установлено, что при комнатной температуре поведение напряжений и деформаций сплавов AZ31 демонстрирует высокий предел текучести и меньшее удлинение. Следовательно, характеристики AZ31 низкие при комнатной температуре, но лучше при повышенных температурах. Кроме того, разница в анизотропной деформации отвечает за сплавы магния, имеющие разные точки отказа в испытаниях на растяжение и сжатие.
Поверхностно-деформированное поведение магния очень чувствительно к анизотропии материала и скорости деформации, но анизотропное поведение сплавов менее заметно при более высоких скоростях деформации.
В данной статье предложено замещение стандартных кузовных материалов автомобиля, для разработки легкого дизайна автомобиля с улучшенными структурными характеристиками. Всего было выбрано 22 стальных части модели автомобилей Dodge Neon и заменено магнием AZ31. Толщины стенок деталей были выбраны в качестве проектных переменных, а проблема оптимизации конструкции была сформулирована с учетом массы выбранных деталей в качестве целевой функции. Реакции на ударную вязкость и вибрацию модели FE рассматривались как конструктивные ограничения.
Чтобы получить ответы на ударную нагрузку, модель FE Dodge Neon была проанализирована для трех наиболее важных сценариев аварий (FFI, OFI и SI). Первые три основные собственные частоты были приняты в качестве откликов вибрационного анализа из-за их влияния на структурную жесткость.
Задача оптимизации структурного проектирования была решена с использованием технологии SQP для получения оптимальной конструкции с уменьшенной массой и улучшенного поведения при столкновении и вибрации. Полученные результаты продемонстрировали, что после замены материала и использования исходных данных стали в качестве конструктивных ограничений значительное снижение массы было достигнуто в оптимальной конструкции без ущерба для надежности и вибрации автомобиля. Дополнительное рассмотрение требований к вибрации в задаче улучшило структурную жесткость, а также эффективность калибровки автомобиля. Замена магниевого сплава и оптимизация конструкции привели к общей экономии веса 46,7 кг.
Список литературы
1. Кузов автомобиля: сталь, алюминий, карбон? // ITC.ua. [Электронный ресурс]. URL: https://itc.ua/articles/kuzov-avtomobilya-stal-alyuminiy-karbon-i-karton/ (дата обращения: 21.05.18).
2. Ben Barry «Каким будет кузов автомобиля будущего» // Car. 2011. № 09.
3. Детали автомобиля из карбона. Основные преимущества // [Электронный ресурс]. http://www.avtoexpert.pro URL: http://www.avtoexpert.pro/detali-avtomobilya-iz-karbona-osnovnye-preimushhestva/ (дата обращения: 21.05.18).
