ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 2, 2014
УДК 264.016.004.14:269.1/.7
© 2014 г. Бычков А.В., Осипов Н.Л., Парахони А.А.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТРЕХСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИЙ В НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЕ
КУЗОВА АВТОБУСА
Излагается концепция усовершенствования уже разработанных и проектирования перспективных конструкций кузовов автобусов путем использования в них слоистых композиций в виде панелей, оболочек и трехмерных объектов, образующих несущую систему. На основе результатов численных экспериментов на специально разработанных математических моделях доказано преимущество таких конструкций по критериям снижения веса, прочностной надежности, ресурса и безопасности.
Обоснование проблемы. Кузов является основой функционального назначения автобуса как средства транспортировки. Он предназначен для размещения пассажиров, багажа и обслуживающего персонала и должен обеспечивать прочность и безопасность эксплуатации при минимальной массе. Кузов представляет собой замкнутую пространственную систему, включающую каркас и скрепленные с ним панели внешней обшивки и внутренних переборок.
В настоящей статье исследуется возможность усовершенствования автобусных кузовов путем использования в их несущих системах трехслойных конструктивных элементов вместо традиционных каркасно-листовых систем. В настоящее время в мировой практике появляются все новые схемы, среди которых доминирующей является вагонная компоновка автобуса с несущим кузовом. Такая схема позволяет уменьшить его массу при одновременном улучшении жесткостных и прочностных параметров.
Актуальность этой проблемы состоит в концептуальной разработке методов проектирования перспективных и усовершенствования существующих конструкций кузовов автобусов, формирующихся из слоистых композиций [1—4].
Использование слоистых конструкций особенно эффективно в рамках современных тенденций к созданию кузовов типа "монокок", где все силовые элементы в равной степени интегрированы в несущую схему. Эта концепция позволяет создавать кузова с существенно меньшей массой и значительно большей жесткостью, прочностью и долговечностью по сравнению с традиционными каркасно-листовыми силовыми схемами.
В то же время следует отметить недостаточную конкурентоспособность продукции отечественного автобусостроения на внешнем рынке, сохраняющуюся за счет отставания по таким важным позициям как инновационное проектирование, низкая механическая прочность силовых систем, слабая коррозионная стойкость и т.д. Слабая нормативная база, отсутствие надлежащих научно обоснованных критериев оценки прочностных и технологических качеств конструкций кузовов приводит к несовершенству отечественных конструкций по сравнению с зарубежными аналогами.
При создании прогрессивных конструкций кузовов высокой прочности трехслойные композиции можно использовать как панели пола, крыши, боковин, дверей,
крышек люков, частей декора, так и энергопоглощающие приспособления системы пассивной безопасности типа бамперов.
Вместе с тем задачи совершенствования конструкций несущих автобусных кузовов относятся к наиболее трудоемким и сложным, требующим серьезных капиталовложений. Это обусловлено тем, что стоимость кузова составляет в среднем до 60% от общей стоимости автобуса. Здесь можно выделить три основных этапа решения этих задач. Во-первых, проектирование и расчет силовой системы кузова автобуса методом конечных элементов, который позволяет ставить вполне адекватные численные эксперименты, не уступающие по достоверности натурным испытаниям [5, 6]. Во-вторых, дорожные испытания, являющиеся дорогим и длительным процессом. В-третьих, стендовые испытания, которые требуют и много времени, и создания весьма сложной и дорогостоящей базы. Для успешной разработки автобуса требуется определенный комплекс указанных мероприятий, но серьезный перевес должен быть на стороне численного эксперимента. Использованные в настоящей работе методологические приемы и способы исследования являются наиболее эффективными современными средствами достижения поставленных выше целей и повсеместно применяются в отечественной и зарубежной практике научного исследования [7, 8].
Одним нетрадиционным для отечественного машиностроения способом получения качественной конструкции кузова автобуса является применение высокопрочных и антикоррозионных легированных сталей. Многие зарубежные литературные источники прямо указывают на это. Такие материалы дороже, однако их долговечность настолько увеличивает ресурс изделия, что их применение полностью оправдано [3, 4].
Интерес к слоистым композициям типа панелей и оболочек вызван также повышенными значениями напряжений потери их устойчивости по сравнению с традиционными каркасно-листовыми конструкциями [7—9]. Это обусловлено высокой цилиндрической жесткостью их поперечных сечений при чрезвычайно тонких несущих слоях. Весовой анализ обнаруживает, что масса несущей трехслойной конструкции оказывается значительно ниже каркасно-листовой.
Слоистые конструкции в целом обладают следующими главными техническими преимуществами [8, 9].
1. Большая удельная прочность и устойчивость. Например, на панелях типа 12 "8расете(аГ с пенозаполнителем достигнута прочность при продольном сжатии 560 МПа, а жесткость по отношению к эквивалентному по весу листу из того же материала увеличена в 235 раз [3, 4].
2. Слоистые панели, оболочки и трехмерные объекты имеют хорошие усталостные характеристики, и следовательно, эксплуатационную надежность и долговечность [10]. Сопротивление усталости обеспечивается за счет минимального количества крепежных деталей, вызывающих концентрацию напряжений при действии переменных нагрузок, а также большой изгибной жесткостью, определяющей низкие значения амплитуд колебаний [7, 8].
3. Слоистые композиции имеют высокий коэффициент внутреннего поглощения энергии и в этом смысле являются эффективными элементами пассивной безопасности.
4. Декремент собственных колебаний слоистых композиций на несколько порядков выше, чем у традиционных каркасно-листовых конструкций [7], что способствует шумопоглощению и виброизоляции салона автобуса.
5. Применение в конструкции автобуса слоистых панелей позволяет расширить внутреннее пространство салона за счет устранения массы подкрепляющих элементов, что служит повышению комфортности.
6. Слоистые композиции обеспечивают широкую интеграцию несущих, тепло- и шумоизолирующих функций. Это позволяет отказаться от применения специальных дорогостоящих мероприятий по улучшению комфортных условий.
Целью настоящей статьи является решение проблемы использования слоистых конструкций, имея в виду современные тенденции в мировом автобусостроении. Ак-
цент в работе делается на численные эксперименты, проводимые на основе разработанных математических моделей. Широко используются программные комплексы на базе метода конечных элементов. В связи с основной целью работы ставились и решались задачи по определению важнейших механических свойств слоистых композиций.
Поставленную задачу решали на примере исследования напряженно-деформированного состояния прототипа несущего кузова типа "монокок" автобуса туристического класса, выполненного по традиционной каркасно-листовой схеме. Путем численных экспериментов выявлены расчетные случаи и наиболее слабые звенья конструкции, найдены и предложены пути усиления корпуса. Доказано, что лучшей альтернативой этим мероприятиям является создание принципиально новой, каркас-но-панельной конструкции кузова, в которой используются трехслойные конструктивные элементы. В соответствии с принятой концепцией тонколистовая обшивка и стержневой подкрепляющий набор прототипа в большинстве мест заменяется трехслойными панелями, что значительно облегчает конструкцию.
Расчетные случаи нагружения. В соответствии с современной концепцией при проведении исследований эксплуатационной надежности кузов автобуса должен изучаться как основной элемент системы обеспечения пассивной безопасности и ресурса [2].
Приведем основные расчетные случаи, в рамках которых был исследован кузов автобуса с позиции вводимой концепции. К ним относятся: 1) опрокидывание автобуса; 2) наезд на препятствие передними колесами одновременно; 3) наезд передними колесами на препятствия разного уровня; 4) лобовое столкновение с неподвижным препятствием; 5) боковое столкновение с автомобилем.
По не вполне понятным причинам во многих официально изданных вариантах норм прочности автобусных кузовов не рассматривается весь комплекс расчетных случаев, определяющих несущую способность кузова автобуса и пассивную безопасность. Уделяется внимание лишь аварийной деформации кузова в первом случае. Остальные случаи, являющиеся наиболее частыми и опасными, не рассматриваются, поэтому предусмотрены не менее важные дополнительные остальные расчетные случаи.
Изгиб несущей конструкции в случаях 2 и 3 соответствует вертикальной перегрузке в 2,5§, действующей на автобус при его полной загрузке. Так как нормативные рекомендации на случаи 4 и 5 отсутствуют, то использованы статистические данные [2—4]: скорость в момент соударений равна 40 км/ч, масса налетевшего автомобиля равна 1 тонне.
Основные уравнения, определяющие математическую модель конструкции кузова автобуса. Приведем сводку основных уравнений, положенных в основу настоящего исследования напряженно-деформированного состояния кузова автобуса. Для краткости записи будем пользоваться традиционной тензорной символикой и правилами суммирования, принятыми в тензорном исчислении.
Подразумевая, что деформации в основных расчетных случаях большие, компоненты тензора деформаций определим соотношениями [11]
£у = 1 (и1,} + и, I + иш, ¡иш,]), ' = 1 2> 3; 1 = !> 2> 3,
где иI — компоненты вектора перемещения.
Уравнения равновесия в точке деформируемого тела с компонентами тензора напряжений стц записываются следующим образом [11]:
э2
д и(
ц,] + Х1 = Р --у,
дг
где X — компоненты вектора объемной силы; р — плотность материала; ? — время.
3 ПМ и нм, № 2
65
Обобщенный закон Гука записывается в виде [11] ^ - Ь</£о = ¿(^ - ^(г+^о),
где е0 = £,,/3, с0 = ай/3 — средние деформация
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.