Выбор безопасной силовой схемы кузова на начальных этапах проектирования автобуса Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

НАЗЕМНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ

УДК 629.113

Л.Н. Орлов, П.С. Рогов, А.В. Тумасов

ВЫБОР БЕЗОПАСНОЙ СИЛОВОЙ СХЕМЫ КУЗОВА НА НАЧАЛЬНЫХ ЭТАПАХ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОБУСА

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Приводятся алгоритм и программа расчета силовых сечений кузова по разрушающим нагрузкам в условиях опрокидывания автобуса. Дано обоснование применения стержневых конечно элементных моделей на ранних этапах оценки пассивной безопасности автобусов. На примере секций типового кузова автобуса выполнена сравнительная оценка значений энергоемкостей при динамическом и эквивалентном квазистатическом нагружении.

Ключевые слова: пассивная безопасность, конечно-элементный анализ, опрокидывание, квазистатическая нагрузка, проектирование автобуса.

Повышению безопасности дорожного движения и уменьшению тяжести последствий дорожно-транспортных происшествий (ДТП) всегда уделяется большое внимание. Из возможных типов дорожных происшествий с участием автобусов, последствия их опрокидывания оказываются самыми тяжелыми. Это подтверждают и проведенные ранее исследования [1-2]. Поэтому оценка пассивной безопасности автобусов при опрокидывании с уступа высотой 0,8 м, в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН №66, является основным регламентирующим требованием на данный момент (рис. 1, а). При этом в Правилах ЕЭК ООН №66 предусмотрена возможность проведения оценки посредством квазистатического нагружения кузова (рис. 1, б), а также по результатам расчетов и компьютерного моделирования.

В данной работе рассматривается процесс оценки несущей способности каркасов кузовов автобусов на ранней стадии проектирования с применением инженерного метода расчета по предельному состоянию [3], и метода конечных элементов в динамической и квазистатической нелинейных постановках.

а) б)

Рис. 1. Экспериментальные методы оценки пассивной безопасности автобусов:

а - опрокидывание с уступа; б - квазистатическое нагружение

© Орлов Л.Н., Рогов П.С., Тумасов А.В., 2013.

С помощью инженерного метода можно воспроизвести условия квазистатического нагружения сосредоточенной силой секции или силового сечения кузова. В качестве уравнения равновесия этот метод использует принцип равенства работ внешних и внутренних усилий на возможных вариациях перемещений, который в случае действия одной аварийной нагрузки может быть представлен в следующем виде

п+1

^ = 2МпЛ. рвг , (1)

пл.,

i=1

где Я - перемещение (деформация) конструкции по направлению действия внешней силы ¥р; Мпл - предельный пластический изгибающий момент; 9г- - угол относительного поворота силовых элементов в г-м пластическом шарнире; п - степень статической неопределимости схемы (рис. 2).

Всю конструкцию каркаса автобуса можно разбить на отдельные силовые сечения, на каждое из которых будет действовать сосредоточенная сила. Суммарная разрушающая нагрузка на кузов в этом случае складывается из разрушающих нагрузок, полученных для отдельных плоских схем силовых сечений.

Рис. 2. Пример расчетной схемы силового сечения кузова и ее механизма разрушения;

1...4 - характерные узлы; # - обозначение пластических шарниров

С целью автоматизации расчета несущей способности по разрушающим нагрузкам силовых сечений кузова автобуса, разработана программа на языке программирования VBA, блок схема которой приведена на рис. 3. С помощью этой программы автоматизируется определение выражений углов поворота в пластических шарнирах Пг и подстановка их в основное уравнение (1), а также определение значений разрушающих нагрузок путем подстановки в это уравнение числовых данных параметров конструкции для каждого силового сечения. В первом диалоговом окне происходит задание предела текучести (от) и угла наклона вектора силы (а) (рис. 4, а). Далее нужно выбрать направление приложения силы (горизонтальное под углом или вертикальное) и тип геометрической схемы силового сечения автобуса (рис. 4, б). Затем выбирается механизм разрушения. На рис. 4, в приведено диалоговое окно, в котором осуществляется выбор механизма разрушения. На примере двух рассматриваемых геометрических схем, которые являются наиболее характерными, рассмотрены все возможные варианты механизмов разрушения для средней, передней и задней секций кузова. Они учитывают также восприятие нагрузки раскосами боковин. Рассмотрен вариант конструкции передней секции с наличием вертикальной стойки в проеме лобового окна.

Далее для выбранного механизма необходимо ввести основные параметры расчета

(рис. 4, г). В этом диалоговом окне приведено итоговое выражение предельной разрушающей нагрузки, отображающее её зависимость от вводимых параметров конструкции. Более наглядно зависимость для схемы показана в следующем выражении:

¥1_ 2е С08 а = ог [ ^ + ЖП ( 1 + ^)) + М)( 1++ (■ 1

I

с - 2

7,

с - 2

I

3-4

)( ^)].

с-2

I

3-4

(2)

Рис. 3. Блок - схема программы расчета несущей способности силовых сечений кузова автобуса по разрушающим нагрузкам

Подобные зависимости получены для всех возможных схем поперечных сечений кузовов автобусов и механизмов их разрушения. Они являются основой алгоритма расчета разрушающих нагрузок и выбора безопасных силовых схем кузовов, заложенного в разработанную программу. При выборе безопасной силовой схемы кузова необходимо ориентироваться на поиск такого механизма его разрушения, при соответствующем распределении размеров сечений элементов, который обеспечивал бы разрушающую нагрузку, превышающую регламентированное значение. В том случае, если выполняется

оценка пассивной безопасности уже спроектированной конструкции, следует определить действительный механизм ее разрушения по минимальному значению разрушающей нагрузки из всех полученных Аг для возможных механизмов разрушения:

К = тт {Д... ДЛ

(3)

Если это значение меньше регламентированного, то можно с уверенностью говорить, что данная конструкция не отвечает требованиям пассивной безопасности. А если больше, то окончательную оценку можно сделать только после уточненного расчета с использованием подробной конечно-элементной модели кузова. Инженерный метод целесообразно применять на начальном этапе проектирования, когда выбирается безопасная силовая схема кузова. После этого, по мере разработки его каркаса и панелей, формируется геометрическая модель кузова, на основе которой создаются комбинированная и подробная конечно-элементные модели [4].

в) г)

Рис. 4. Диалоговые окна программы расчета

С целью обоснования применения стержневых конечно-элементных моделей, а также оценки влияния скорости нарастания внешней нагрузки на энергоемкость конструкции были проведены специальные расчетные исследования. В качестве объектов исследований взяты передняя, средняя и задняя секции кузова автобуса (рис. 5). Для них разработаны два варианта конечно-элементных моделей: стержневые и подробные.

Условия нагружения для рассматриваемых моделей выбраны идентичными. Они нагружались движущейся поступательно жёсткой плитой с заданным перемещением на величину допускаемой деформации £доп.. Каждая модель закреплялась по основанию в нескольких зонах. Угол а между жёсткой плитой и секцией выбирается в соответствии с кинематикой опрокидывания автобуса с уступа высотой 0,8 м. Движение жёсткой плиты ограничивалось зоной остаточного пространства (рис. 6).

Рис. 5. Секции каркаса кузова автобуса:

а - передняя; б - средняя; в - задняя

Рис. 6. Схема нагружения расчетной модели:

1 - жесткая плита; 2 - расположение внешних опор; 3 - зона остаточного пространства безопасности;

5"доп - допускаемая деформация

Рассмотрено три варианта перемещения жесткой стенки на заданное расстояние, соответственно за время 0.1, 0.5, и 2 с. Возможное различие энергоемкостей моделей при квазистатическом и динамическом нагружениях заметно из сравнения уравнений равновесия для этих постановок. При статическом расчете внешняя нагрузка вызывает только перемещение узлов системы. При динамическом анализе кроме усилий обусловленных перемещениями, в уравнении присутствуют усилия, вызванные демпфированием конструкции и действием инерционных сил. Очевидно, что при ударе конструкции жесткой плитой, различие в энергоемкостях зависят от скорости ее движения, массы конструкции, и параметров вязкости материала. Для того, чтобы оценить порядок различия значений энергоемкости при динамическом и квазистатическом нагружении, имитирующих условия опрокидывания автобуса, был проведен сравнительный анализ. Сравнение выполнено посредством сопоставления графиков изменения разрушающей нагрузки в зоне контакта ударной плиты с конструкцией

(рис. 7). В табл. 1 приведены значения энергоемкостей секций, полученные при различных скоростях перемещения жесткой плиты. Заметно, что скорость нарастания нагрузки влияет также и на расхождение результатов между различными типами моделей - с увеличением времени перемещения расхождение становится более существенным.

F, Н

2250020000-

i

i —i— / \ ! 1 Л / \

1—Н— i \ ! 1 J -!- -!- i

¡1 j \ i Л 1 \ 1 i i \ A—i- i

i i ! 1 \ ! i V. r^- / ^—/— ч ) ! 1 l i Ii jt' 1ЛН i Л

i i ' i i ' ; i ■ ' , IL Ь i'Jn, KHt : i \ / 1-—4i m«* iiWI

; i i 1 1 i i! üi'i \?Я Irl J' 1 И™ - \! \ I V ' V*

Ж " J

S, мм

а)

б)

Рис. 7. Графики изменения усилия в зоне контакта в зависимости от перемещения жёсткой плиты, полученные для передней секции:

а - подробная модель; б - стержневая модель

Анализируя количественное значение полученных отклонений, можно сделать вывод, что разница энергоемкостей на 40% между результатами для времени 0,1 и 2 с перемещений плиты подтверждается зависимостью поглощаемой конструкцией энергии от скорости нарастания нагрузки. При опрокидывании автобуса скорость ударного нагружения близка по значению к скорости перемещения плиты на заданное расстояние за время 0,5 с. Энергия, полученная при квазистатическом нагружении, отличается от величины, полученной для времени перемещения 0,5 с в среднем на 3%. Этот результат требует дальнейшего уточнения, так как в рассматриваемых моделях не задавались характеристики демпфирования, и масса секций существенно отличалась от их массы в составе полнокомплектного автобуса.

По результатам проведенных исследований можно сделать вывод о том, что при сни-

жении скорости нарастания внешней нагрузки расчетная энергоемкость конструкции снижается. Поэтому использование квазистатических расчетов при проектировании может привести к получению завышенных значений энергоемкости.

С применением программы расчета несущей способности отдельных секций, временные затраты на получение и расчет уравнений разрушающей нагрузки значительно сокращаются. Это делает программу полезной на этапе выбора безопасной силовой схемы кузова, когда за короткие сроки нужно проанализировать несколько вариантов конструкции.

Таблица 1

Значения энергоемкости стержневых и подробных моделей секций

Время перемещения жесткой стенки, с. Энергоемкость, Дж

Передняя секция Средняя секция Задняя секция

Подроб--ная Стерж--невая Расхождение, % Подроб--ная Стерж--невая Расхож--дение, % Подроб--ная Стерж--невая Расхож--дение, %

0,1 3877 4079 5,2 5660 6049 7 3072 3574 16

0,5 2392 2960 23,7 3199 3474 8,58 2381 2976 25

2 2306 2907 26 3081 3366 9,25 2327 2965 27,4

Отклонение результатов, полученных для различных типов моделей, не превышает 28%, что позволяет использовать стержневые модели каркаса кузова автобуса на ранних стадиях проектирования. Сравнительная оценка результатов расчетов разрушающих нагрузок инженерным методом с использованием стержневых моделей с данными испытаний [5], а также с результатами нелинейного конечно-элементного анализа показывает, что они имеют завышенное, примерно на 30%, значение. Это необходимо учитывать при выборе безопасных силовых схем проектируемых конструкций. На этапе доводки кузова отдельные части конструкции могут моделироваться с помощью стержневых элементов, при условии, что потеря формы сечений в этих силовых элементах незначительна и не будет влиять на характер механизма разрушения. На окончательном этапе проектирования целесообразно использовать подробную модель кузова, состоящую из оболочек.

Библиографический список

1. Sandor, Vincze-Pap. Solutions and problems to be solved in bus/coach safety, 10th EAEC European Automotive Congress. - Paper EAEC05YU-PS02 - Page 11.

2. Kadir, Elitok. Guler and Bertan Byram / Elitok Kadir, A. Mehmet //An Investigation on the Rollover Crashworthiness of an Intercity Coach, Influence of Seat Structure and Passenger Weight, 9th International LS-DYNA User Conference, June, Dearborn, Michigan, USA, 2006.

3. Орлов, Л.Н. Пассивная безопасность и прочность кузовов, кабин автотранспортных средств. Методы расчета и оценки: учеб. пособие / Л.Н. Орлов; Нижегород. гос. техн. ун-т. -Н. Новгород, 2005. - 230 с.

4. Орлов, Л.Н. Основы разработки конечно-элементных моделей кузовных конструкций автотранспортных средств. Расчеты на безопасность и прочность: учеб. пособие / Л.Н. Орлов, А.В. Тумасов, Е.В. Кочанов [и др.] / под ред. Л.Н. Орлова; Нижегород. гос. техн. ун-т. им. Р.Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2009. - 153 с.

5. Орлов, Л.Н. Оценка пассивной безопасности, прочности кузовных конструкций автомобилей и автобусов: монография / Л.Н. Орлов; Нижегород. гос. техн. ун-т. - Н. Новгород, 2005. - 130 с.

Дата поступления в редакцию 17.01.2013

L.N. Orlov, P.S. Rogov, A.V. Tumasov

CHOICE OF A SAFE BODY STRUCTURE ON THE EARLY STAGES

OF BUSES DESIGNING

Nizhny Novgorod state technical university named after R.Y. Alexeev

Purpose: Comparative evaluation of dynamic and quasi-static loading, that simulate a rollover condition. Design/methodology/approach: Investigation is based on finite element method with using different element types, and analytical method that includes some simplification and assumption.

Findings: During the study, the program for calculation of bearing capacity based on above-mentioned analytical method, was received.

Research limitations/implications: The present study provides a starting-point for further research of bus bearing capacity on different stages of it designing.

Originality/value: As result of this research, the deviation between the results of dynamic and equivalent by energy quasi-static loading that was applied to the bus body sections, was obtained.

Key words :passive safety, finite element simulation, rollover accident, quasi-static loading, bus designing.