Исследование напряженно-деформированного состояния зон усталостного разрушения радиальных пневматических шин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Соколов, Сергей Леонидович

• Соколов, Сергей Леонидович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соколов, Сергей Леонидович

Введение.

1. Литературный обзор.

1.1. Обзор методов расчета НДС радиальных шин.

1.2. Обзор методов оценки усталостной прочности резиновой матрицы резинокордного композита.

1.3. Обзор методов выбора конфигурации профиля радиальных шин.

2. Метод расчета циклов изменения компонентов НДС в зонах усталостного разрушения радиальных шин при эксплуатационной нагрузке.

2.1. Метод конечных элементов.

2.2. Исследование влияния типов конечных элементов на НДС резинокордных образцов.

2.3. Исследование влияния размеров и типов конечных элементов на НДС радиальных шин.

3. Расчетный анализ НДС радиальных шин и зон их вероятного разрушения.

4. Определение предела усталостной прочности резиновой матрицы резинокордного композита при различных типах НДС.

5. Метода выбора конфигурации профиля радиальных шин с повышенной усталостной прочностью.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование напряженно-деформированного состояния зон усталостного разрушения радиальных пневматических шин»

Радиальные пневматические шины для легковых и грузовых автомобилей обладают неоспоримыми преимуществами по сравнению с диагональными, их удельный вес в общем объеме производства непрерывно увеличивается. Однако в их более сложной конструкции существуют зоны потенциальных разрушений, которые проявляются в процессе эксплуатации. Одним из основных видов отказов радиальных шин в эксплуатации, снижающих их доремонтный и полный ресурс, являются усталостные разрушения. Скрытые очаги усталостных разрушений, выявляемые в процессе восстановительного ремонта, снижают их ремонтопригодность, что также приводит к уменьшению полного ресурса шин.

В настоящее время в отечественной практике конструирования радиальных шин практически отсутствуют методы расчета усталостной прочности зон вероятного разрушения на стадии проектирования. Публикации зарубежных авторов по этому вопросу не выходят за рамки научных изысканий, что затрудняет использование предложенных в них теоретических положений при проектировании шин. Определяемые при проектировании радиальных шин статические запасы прочности нитей каркаса, брекера и проволочек бортового кольца при действии внутреннего давления не определяют действительную нагруженность материалов при качении шины и не являются характеристиками усталостной прочности резинокордного композита. Существующая методика расчета условной долговечности кромок брекера радиальных шин предназначена для расчетной оценки прочности на границе металлокорда брекера с резиной в этой зоне, усталостная прочность резиновой матрицы в зоне кромок не определяется.

Для определения усталостной прочности на стадии проектирования необходим расчет циклов изменения компонентов напряженно-деформированного состояния (НДС) для зон вероятного разрушения радиальных шин при эксплуатационной нагрузке. Существующие методики расчета напряженно-деформированного состояния радиальных шин недостаточно полно учитывают структуру шины, не позволяя рассчитать непосредственно вероятные зоны разрушения, усредняя величины деформаций по толщине шины или рассматривая только отдельные детали шины (например, прослойку «каркас-брекер» в применяемых в настоящее время методиках расчета радиальных шин как трехслойных оболочек).

Для резинокордных систем описаны критерии усталостной прочности только при двухосном НДС для покровной резины боковины и резинокордного слоя каркаса радиальных и диагональных шин, что затрудняет оценку усталостной прочности для общего случая трехосного НДС, наблюдающегося в местах разрушения радиальных шин.

Отсутствие рекомендаций по выбору конфигурации профилей радиальных шин с повышенной усталостной прочностью ограничивает возможности разработки перспективных радиальных шин с уменьшенным числом усталостных разрушений в эксплуатации.

В связи с этим актуальное значение приобретает разработка метода расчета усталостной прочности радиальных шин в зонах их вероятного разрушения на стадии проектирования и создание конструкций перспективных радиальных шин с повышенным ресурсом.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Соколов, Сергей Леонидович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведено исследование циклов НДС зон вероятного разрушения легковых и грузовых радиальных пневматических шин, приводящих к снижению их ресурса в эксплуатации. Показано, что в этих зонах возникает сложное трехосное НДС, все компоненты которого (относительные удлинения и деформации сдвига), должны учитываться при расчете усталостной прочности. Установлено, что расчетные величины относительных удлинений резиновой матрицы резинокордного композита достигают 0,2 ед. (20%), деформаций сдвига - 0,83 ед. (83%).

2. Разработан метод расчета НДС и усталостной прочности резиновой матрицы резинокордного композита в зонах вероятного разрушения радиальных пневматических шин при эксплуатационной нагрузке.

Метод основан на моделировании резинокордного композита как сочетания объемных изотропных конечных элементов различной жесткости, отдельно выделяющих резиновую матрицу и нити корда. Расчетным путем определены характерные размеры конечных элементов, обеспечивающие независимость результатов расчетов от сетки разбиения.

2. Для оценки нагруженности резиновой матрицы резинокордного композита в сложном НДС при циклическом деформировании предложен и обоснован критерий усталостной прочности - максимальное значение интенсивности деформации (Si max) за цикл нагружения (за оборот колеса).

3. С целью определения предела усталостной прочности резин в сложном НДС для предложенного критерия по результатам усталостных испытаний резинокордных образцов с различным типом НДС построена обобщенная кривая Велера усталостной выносливости обкладочной резины брекера. Определен предел усталостной прочности обкладочной резины брекера (шифр 2э2560) на базе испытаний образцов 5-106 циклов, который составляет 0,25 ед. (25%).

4 Для оценки усталостной прочности конструкций радиальных шин на стадии проектирования предложено использовать величину расчетного запаса прочности (прасч ), определяемого как отношение максимальной интенсивности деформаций резиновой матрицы при разрушении на базе испытаний образцов 5.106 циклов (si max разр.) к максимальному расчетному значению интенсивности деформаций ШИНЫ за оборот колеса (%тахрасч.):

Прасч. Sj max разр'-^Si max расч.

5. С целью проверки адекватности разработанного метода расчета проведено сопоставление расчетных величин деформаций радиальных шин с экспериментальными данными, полученными методами тензометрии и фотоупругости. Установлено соответствие областей максимальных расчетных значений интенсивности деформаций зонам усталостного разрушения радиальных шин в условиях стендовых и эксплуатационных испытаний.

6. На основе расчетных исследований циклов НДС и усталостной прочности радиальных пневматических шин разработан метод выбора конфигурации их профилей, обеспечивающий повышение усталостной прочности зоны кромок брекера на 10-15%. Технические решения по конструкциям радиальных шин, разработанных с использованием этого метода, защищены авторским свидетельством на изобретение и патентом РФ.

7. С применением разработанных в диссертации методов созданы конструкции легковых и грузовых радиальных шин, серийно выпускающиеся в настоящее время на шинных предприятиях России и стран СНГ. Девять моделей легковых и грузовых шин приняты на комплектацию автопредпниятиями России, в частности: 175/70R13 мод. Бц-20 (ОАО «АВТОВАЗ»), 195/65R15 мод. КС-4, 185/75R16C мод. 31В, VS-21 (ОАО «ГАЗ»), 9.00R20 мод. 40В (ОАО «ЗИЛ»).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соколов, Сергей Леонидович, 2003 год

1. Левковская Э.Я. Теоретическое и экспериментальное исследование напряжений и деформаций в брекере шин типа Р // Дисс.канд. техн. наук, М., НИИШП, 1970 г., 180 с.

2. Бидерман В.Л., Левковская Э.Я. К расчету радиальных и опоясанных диагональных шин. Сб. трудов НИИШП. М., 1974 г., с. 7-11.

3. Robecchi Е. Mechanics of the Pneumatic Tire. Part 11. The Laminar Model under Inflation and Rotation. Tire Science and Technology, TSTCA, Vol. 1, No 4, Nov. 1973, pp. 382-438.

4. Мухин O.H. В сб. «Расчеты на прочность» №15, М., Машиностроение, 1971 г., с. 58-87.

5. Bohm F. Zur Mechanic des Gurtelreifens. Ingenieur-Archiv, Vol. 35,1966, pp. 82-101.

6. Hofferberth W. Zur Festigkeit des Luftreifens. Kautschuk und Gummi, Kunststoffe, 1956, No 9, pp. 225-231.

7. Акасака Т., Кабе К. Деформации и усилия в нитях корда в шине при контакте с дорогой/ЛПрепринты международной конференции «Rubber-78», Киев, 1978 г., Bi8.

8. Фотинич О.В. К расчету радиальных шин. Сб. трудов НИИШП. М., 1974 г., с. 45-58.

9. Бидерман B.JL, Гершензон М.М. Расчет радиальной пневматической шины как трехслойной ортотропной оболочки // Известия ВУЗов. Машиностроение. №6, 1979 г., с. 83-87.

10. Белкин А.Е. Разработка системы моделей и методов расчета напряженно-деформированного и теплового состояний автомобильных радиальных шин // Дисс.докт. техн. наук, МГТУ им. Н.Э.Баумана, М., 1998 г., 284 с.

11. И. Белкин А.Е., Чернецов А.А. Расчет оболочек, слабо сопротивляющихся поперечным сдвигам, методом конечных элементов // Расчеты на прочность. М., Машиностроение. 1986 г., Вып. 27, с. 274-281.

12. Белкин А. Е., Уляшкин А.В. Расчет деформаций в беговой части радиальной шины с учетом межслойных сдвигов в брекере // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1990 г., №1, с. 86-90.

13. Белкин А.Е., Чернецов А.А. Расчет радиальных шин по нелинейной теории трехслойных оболочек // Изв. ВУЗов. Машиностроение. 1988 г., №3, с. 86-91.

14. Белкин А.Е., Чернецов А. А. Методика расчета напряженно-деформированного состояния легковых радиальных шин понелинейной теории трехслойных оболочек // Вестник МГТУ. Машиностроение. 1993 г., №2, с. 114-125.

15. Уляшкин А.В. Разработка методик расчета радиальных пневматических шин на основе теории многослойных армированных оболочек//Дисс.канд. техн. наук, МГИУ, М., 1996 г., 173 с.

16. Гуральник В.Е. Расчетное и экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния каркаса и боковины радиальных шин // Дисс.канд. техн. наук, НИИШП, М., 1984 г., 185 с.

17. Контанистов М.П. Расчет шин Р как оболочки Кирхгофа-Лява при неосесимметричном нагружении. Сб. трудов НИИШП. М., ЦНИИТЭнефтехим, 1988 г., с. 66-77.

18. Белкин А.Е. Расчет деформаций в беговой части легковой радиальной шины с учетом межслойных сдвигов в брекере // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1990 г., №3, с. 6-11.

19. Григолюк Э.И., Куликов Г.М. Многослойные армированные оболочки. Расчет пневматических шин. М., Машиностроение. 1988 г., 288 с.

20. Носатенко П.Я. Исследование геометрически нелинейного напряженно-деформированного состояния анизотропных оболочек вращения методом конечных элементов // М., МАМИ, 1984 г., 38 с. Деп. В ВИНИТИ 11.03.84 №1526-84.

21. Григолюк Э.И., Куликов Г.М. Механика композитных материалов, 1981 г., №3, с. 443-452.

22. Скорняков Э.С., Кваша Э.Н., Хоменя А.А., Бойков В.П. Эксплуатация и ремонт крупногабаритных шин. М., Химия. 1991 г., 128 с.

23. Новичков Ю.Н., Кузьмин А.С. Исследование напряженно-деформированного состояния слоистых оболочек вращения с