CC BY
0
УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ. СТАНДАРТИЗАЦИЯ. ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА
УДК 629.113
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-9-424-425
НЕКОТОРЫЕ АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА АВТОМОБИЛЕЙ НА СТАДИИ
РАСЧЕТНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
И.А. Беляева, В.Н. Козловский, С.А. Шанин
В статье представлены результаты анализа наиболее актуальных вопросов связанных с обеспечением качества конструкций новых автомобилей на стадии проектирования
Ключевые слова: автомобиль, качество, проектирование.
Особенностью моделирования и разработки автомобилей в последние годы стало растущее стремление ускорить процесс, повысить качество разрабатываемого транспортного средства и снизить стоимость разработки автомобилей, которые будут обладать меньшей массой. Это достигается благодаря широкому использованию высокопрочных сталей, алюминия, магния и пластмасс, а также с постоянно растущим использованием уникальных деталей и технологий [1].
Производство деталей кузова из этих материалов создает трудности, потому что процесс формовки сложнее, чем с мягкой сталью, и у производителей недостаточно опыта при работе с подобными материалами. Поэтому предварительное моделирование процесса формования на стадии разработки становится все более важным [2]. Сегодня существует ряд методов моделирования для достижения различных целей на каждом этапе.
Предварительное моделирование имеет большое значение для автомобильных деталей из листового металла. Моделирование процесса формования металла, такого как глубокая вытяжка, влияет технологический процесс и выбор материала. Моделирование процесса формования листового металла деталей кузова автомобиля может быть классифицировано в соответствии с используемым методом, таким как одношаговое или точное поэтапное моделирование конечных элементов и этапом процесса разработки, на котором реализуется метод [3].
Как правило, на начальных этапах в цикле разработки транспортного средства (например, во время разработки концепции или на ранней стадии разработки прототипа) предварительное моделирование может быть выполнено только с помощью одношаговых методов, поскольку технологическое проектирование или конструирование инструмента еще не было выполнено [4]. Одношаговые методы обычно обеспечивают предварительную обратную связь, такую как приблизительная оценка местоположения (но не абсолютного значения) критических зон деформации или складок на листе металла.Для получения более точных результатов требуются дополнительное моделирование. В процессе формования, такого как глубокая вытяжка, при моделировании необходимо правильно спроектировать инструменты (оснастка, штамп, заготовка) и параметры формования (форма заготовки, силы сопротивления, ребра жесткости и т.д.). Для этого требуется модель инструментального средства автоматизированного проектирования (САПР), которая обычно доступна только на более поздних стадиях прототипа или при создании производственного инструмента.
С помощью поэтапного моделирования конструкторы и инженеры автомобильной сферы могут очень точно моделировать и определять возможности изготовления таких деталей, как двери автомобиля, крылья, рама, стойки и т.д. Геометрия и параметры процесса изготовления также могут быть оптимизированы. В результате, использование различных методов предварительного моделирования может привести к экономии затрат при изготовлении инструмента и подготовительных этапах, если они полностью интегрированы в процесс разработки [5]. Затем моделирование может значительно сократить общее время разработки и повысить качество продукта.
В этой статье обсуждается интеграция моделирования формования листового металла в процессе разработки транспортного средства. В нем рассматриваются различные периоды разработки транспортного средства, различные применяемые методы моделирования и данные, необходимые для каждого из методов. Он также описывает результаты, которые могут быть достигнуты в результате моделирования [6].
В рамках данной научной работы будет использована процедура APQP, представляющая собой единую и унифицированную методику при перспективном планировании качества продукции автомобильного назначения. И здесь особая роль должна отводиться таким инструментам как CAD - проектирование, CAE моделирование, а также инструменты расчетов отдельных компонентов.
CAD - проектирование. Обеспечивает вскрытие проблемных зон (например, при проектировании компонентов и компоновке их в подкапотном пространстве позволяют уменьшить риск «нестыковки» компонентов, убрать или скорректировать зоны, где, к примеру, при трассировке кабеля происходит penetration ( не знаю как по-русски сказать), а это не только увеличивает качество автомобиля (при нестыковки, можно CAD модель компонента одной модели - поменять на другую или сделать незначительные технологические изменения, например, изменить геометрию или толщину, а можно просто подвигать геометрию в пространстве и определить оптимальный параметр распо-
Известия ТулГУ. Технические науки. 2023. Вып. 9
ложения друг относительно друга.), но и повысить безопасность автомобиля (при несоблюдении линейных расстояний компонентов, может произойти конфликт некоторых параметров, например взаимодействие магнитных полей в электромобиле, использование экранирования компонентов, что может привести к тем или иным последствиям)
CAE моделирование (все системе, подвергающиеся тем или иным расчетам). Которые я смогу использовать в ходе разработке реального прототипа авто и которые мне разрешат показать, не углубляясь в определенные марки и названия.
Расчеты отдельных компонентов на соответствие требованиям (проверка качества входных и выходных параметров)
Например, расчет двигателя будет включать в себя :
1. Модальный анализ кронштейна крепления двигателя
2. Анализ жесткости опоры подвески двигателя
3. Анализ прочности кронштейна крепления двигателя
4. аэродинамика
5. тепловой расчет двигателя
6. анализ связей при монтаже узлов двигателя
Проблемные вопросы расчетного моделирования технологических аспектов производства.
Предварительное моделирование имеет большое значение для автомобильных деталей из листового металла. Моделирование процесса формования металла, такого как глубокая вытяжка, влияет технологический процесс и выбор материала. Моделирование процесса формования листового металла деталей кузова автомобиля может быть классифицировано в соответствии с используемым методом, таким как одношаговое или точное поэтапное моделирование конечных элементов и этапом процесса разработки, на котором реализуется метод.
Как правило, на начальных этапах в цикле разработки транспортного средства (например, во время разработки концепции или на ранней стадии разработки прототипа) предварительное моделирование может быть выполнено только с помощью одношаговых методов, поскольку технологическое проектирование или конструирование инструмента еще не было выполнено. Одношаговые методы обычно обеспечивают предварительную обратную связь, такую как приблизительная оценка местоположения (но не абсолютного значения) критических зон деформации или складок на листе металла.Для получения более точных результатов требуются дополнительное моделирование. В процессе формования, такого как глубокая вытяжка, при моделировании необходимо правильно спроектировать инструменты (оснастка, штамп, заготовка) и параметры формования (форма заготовки, силы сопротивления, ребра жесткости и т.д.). Для этого требуется модель инструментального средства автоматизированного проектирования (САПР), которая обычно доступна только на более поздних стадиях прототипа или при создании производственного инструмента.
Для оценки возможности возникновения разрыва при моделировании процессов недостаточно иметь информацию об относительном удлинении образца при разрыве, так как механизм разрушения при одноосном растяжении и сложном двухосном состоянии, характерном для любого реального различен. Имея для каждого материала определенной толщины диаграмму штампуемости, можно использовать ее для анализа результатов расчета, проведенного в программном продукте. Элементы, которые имеют главные пластические деформации, лежащие выше кривой предельных состояний, должны рассматриваться как попадающие в зону разрыва. При отсутствии диаграммы штампуемости расчет возможен, но оценить факт наличия разрыва в листе можно только по утонениям детали.
Очень важным при моделировании пластического течения является выбор правильной модели поверхности текучести. Для одноосного растяжения момент наступления пластического состояния описывается одной точкой — напряжением текучести. Но для сложного трехмерного напряженно-деформированного состояния текучесть наступает при различных комбинациях компонентов тензора напряжений. Описывает эту комбинацию так называемая поверхность текучести. Для двухосного состояния эта поверхность вырождается в замкнутую выпуклую фигуру, лежащую в осях главных напряжений.
Существуют различные математические модели, описывающие поверхность текучести для различных материалов. Именно от формы этой поверхности зависит, когда материал начнет деформироваться пластически. Для описания поверхности текучести чаще всего применяется формула Мизеса, не учитывающая анизотропию материала. В некоторых расчетах, например расчет на штампуемость, используется модель Хилла-90 с учетом анизотропии, которой нельзя пренебрегать в листовом металле. Она очень хорошо подходит для описания пластического течения высокопрочных сталей. Для обычных сталей применяется более простая модель Хилла-48. Разница между моделями наглядно выражается в том, что поверхность текучести по Хиллу-90 более вытянута и заострена. Расстояние от точки начала координат до поверхности текучести прямо пропорционально энергии, необходимой для начала пластических деформаций.
Одна и та же энергия пресса может перераспределяться по-разному: обычная сталь деформируется в зонах с двухосным растяжением лучше, чем высокопрочная. Меньше всего энергии для пластической деформации требуется, когда максимальное главное напряжение равно по модулю, но противоположно по знаку минимальному главному напряжению. Это состояние вытяжки — именно к нему и стремится проектировщик штампа путем изменения геометрии технологической надстройки, введения перетяжных ребер, изменения усилия прижима и т.д.
У алюминиевых сплавов форма поверхности текучести иная, близкая к шестиграннику — это объясняет, почему алюминий охотно течет в режиме плоской деформации, когда удлинение материала происходит в основном за счет его утонения, что приводит к раннему образованию разрывов. Поверхность текучести алюминия лучше описывается моделью Барлата. Применение для алюминия модели Хилла-48 приводит к повышенному утонению материала в результатах расчета, появлению разрывов там, где их нет в реальной детали.
AutoForm поставляется пользователям с достаточно широкой, пополняемой библиотекой материалов. Однако один и тот же материал от разных поставщиков имеет различные характеристики. Даже в одном рулоне материал в начале ленты может быть немного другим, чем в середине. Многие материалы появились на рынке совсем недавно (например, частично мартенситные PM-стали — в 2001-2002 годах, остаточно аустенитные TRIP-стали — в 1998 году, двухфазные DP-стали — в 1996 году), и в открытых источниках не всегда есть их исчерпывающие механические характеристики. Возникает естественный вопрос: где найти такие характеристики? Наша компания занимается программным обеспечением и не проводит испытания образцов материалов. В последние годы многие произ-
Управление качеством продукции. Стандартизация. Организация производства
водители стального листа начали предоставлять информацию о характеристиках производимой продукции в формате AutoForm. Сработали законы рынка: если хочешь продать больше продукции, чем конкуренты, предложи покупателю дополнительный сервис.
AutoForm имеет встроенный редактор материалов, позволяющий вводить новые материалы по результатам испытаний и графически визуализировать экстраполированную кривую течения, диаграмму штампуемости, а со следующей версии — и поверхность текучести. Постоянно развивающиеся средства оптимизации и анализа чувствительности к параметрам процесса, включая характеристики материала, позволяют пользователям AutoForm оценить безопасность, устойчивость техпроцесса к колебаниям характеристик материала от партии к партии.
Правильный выбор программных средств для моделирования листовой штамповки и грамотное их применение позволяют внедрять в производство новые материалы, изменяя подходы к проектированию деталей, используя минимум технологических операций и затрачивая совсем немного времени на отработку техпроцесса. Таким образом, программное обеспечение AutoForm помогает сделать автомобили более экономичными, безопасными и красивыми.
С помощью поэтапного моделирования конструкторы и инженеры автомобильной сферы могут очень точно моделировать и определять возможности изготовления таких деталей, как двери автомобиля, крылья, рама, стойки и т.д. Геометрия и параметры процесса изготовления также могут быть оптимизированы. В результате, использование различных методов предварительного моделирования может привести к экономии затрат при изготовлении инструмента и подготовительных этапах, если они полностью интегрированы в процесс разработки. Затем моделирование может значительно сократить общее время разработки и повысить качество продукта.
В этой работе рассматривается интеграция моделирования формования листового металла в процессе разработки транспортного средства. В нем рассматриваются различные периоды разработки транспортного средства, различные применяемые методы моделирования и данные, необходимые для каждого из методов. Он также описывает результаты, которые могут быть достигнуты в результате моделирования.
Список литературы
1. Козловский, В.Н. Развитие проектов электромобилей и автомобилей с комбинированной энергоустановкой / В.Н. Козловский, Д.В. Айдаров, М.М. Васильев, В.В. Дебелов // Грузовик. 2018. № 6. С. 18-21.
2. Козловский, В.Н. Модели аналитических исследований качества и надежности легковых автомобилей в эксплуатации / В.Н. Козловский, В.И. Строганов, С.И. Клейменов // Автомобильная промышленность. 2013. № 9. С. 1-5.
3. Козловский, В.Н. Аналитический комплекс прогнозирования надежности электромобилей и автомобилей с комбинированной силовой установкой / В.Н. Козловский, Н.И. Горбачевский, А.Г. Сорокин, В.Б. Кислинский, Л.Х. Мифтахова // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 3. С. 227-229.
4. Инновационные механизмы управления потенциалом сферы сервиса в регионе / Л.И. Ерохина, О.Н. Наумова, Л.С. Любохинец и др. // Монография, 452 с., Тольятти, 2013.
5. Козловский, В.Н. Моделирование энергоемких накопителей автомобильной комбинированной энергоустановки / В.Н. Козловский, В.И. Строганов, В.В. Дебелов, С.В. Петровский // Грузовик. 2018. № 11. С. 13-14.
6. Дебелов, В.В. Моделирование электронной системы регулирования скорости движения легкового автомобиля в режимах поддержания и ограничения скорости / В.В. Дебелов, В.В. Иванов, В.Н. Козловский, В.И. Строганов // Электроника и электрооборудование транспорта. 2013. № 6. С. 2-7.
Беляева Ирина Александровна, канд. техн. наук, доцент, научный сотрудник, toe_ [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Шанин Сергей Адольфович, канд. техн. наук, заместитель директора департамента технического контроля, toe_ [email protected], Россия, Набережные Челны, ПАО «КАМАЗ»
SOME TOPICAL QUESTIONS OF CAR QUALITY MAINTENANCE AT THE STAGE OF COMPUTATIONAL
SIMULATION
I.A. Belyaeva, V.N. Kozlovsky, S.A. Shanin
The article presents the results of the analysis of the most pressing issues related to ensuring the quality of new car structures at the design stage.
Key words: car, quality, design.
Belyaeva Irina Alexandrovna, candidate of technical sciences, docent, toe [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Shanin Sergey Adolfovich, candidate of technical sciences, deputy director of the technical control department, [email protected], Russia, Naberezhnye Chelny, KAMAZPJSC
