Метод оценки напряженно-деформированного состояния и квазистатической прочности несущих систем транспортных машин на стадии проектирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.02.06, кандидат технических наук Буцынский, Владимир Александрович

• Буцынский, Владимир Александрович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Буцынский, Владимир Александрович

Введение.

1. Обзор существующих методов проектирования рамных конструкций.

2. Анализ причин разрушений несущих элементов рамной конструкции троллейбусов и автобусов во время эксплуатации.

2.1. Гипотезы разрушения при сложном напряжённом состоянии.

2.2. Типичные повреждения рам в эксплуатации.

2.3. Статистические закономерности эксплуатационного ресурса.

3. Создание и расчёт модели несущей системы транспортного средства (на примере троллейбуса ЗиУ-682Г).

3.2. Описание создание модели с помощью системы конечноэлементного расчета «ИСКРА».

3.3.Формирование и редактирование модели.

3.4. Расчёт модели.

4. Оценка точности расчётов величин напряжений в несущих системах машин методом конечных элементов.

4.1. Анализ результатов исследования НДС конструкции троллейбуса полученных экспериментально и расчётом.

4.2. Методика позволяющая с использованием высоких информационных технологий выявить наиболее нагруженные места в конструкции на стадии проектирования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод оценки напряженно-деформированного состояния и квазистатической прочности несущих систем транспортных машин на стадии проектирования»

Одной из главных проблем машиностроения является снижение металлоемкости конструкций при обеспечении достаточного уровня их надёжности [1]. В решении этой проблемы наряду с разработкой и применением новых, более прочных материалов и созданием прогрессивных типов конструкций наибольшее значение имеет модернизация методов расчёта на прочность. Традиционный силовой метод расчёта на прочность по допускаемым напряжениям, идея которого была высказана Навье более 170 лет назад, уже подвергался усовершенствованиям с целью более эффективного использования конструкционных материалов. Усовершенствования были произведены в связи с использованием в строительстве и машиностроении пластичных сталей и сплавов, обеспечивающих более высокие уровни надёжности конструкций, чем высокопрочные, но малопластичные материалы. В результате были разработаны метод расчёта по разрушающим нагрузкам (идею метода предложил А.Ф. Лолейт в 1904 г.) и метод расчёта строительных конструкций по предельным состояниям (разработан под руководством Н.С. Стрелецкого в 1953 г.).

В последние годы достигнуты значительные успехи в изучении свойств материалов при циклическом нагружении в различных условиях. Несмотря на это в конструкторской практике преимущественно используются консервативные методики расчёта на прочность, носящие не проектировочный, а проверочный характер. С широким применением вычислительной техники появилась возможность использования методик оптимального проектирования, для которых характерна многовариантность расчётов, что расширяет выбор конструктора при принятии решения.

Одним из таких методов является метод конечных элементов (в дальнейшем МКЭ) [2-8]. МКЭ, реализованный в многочисленных коммерческих вычислительных системах. При современном уровне развития средств вычислительной техники МКЭ позволяет проводить численные исследования напряжённо-деформированного состояния (НДС) достаточно сложных объектов при разнообразных видах воздействия. Весьма эффективным было бы использование этого метода при разработке несущих систем автобусов и троллейбусов. Однако в практике отечественного машиностроения численное моделирование применяется очень ограничено. Одной из причин этого является существующее недоверие разработчиков к численным оценкам НДС конструкций, получаемых МКЭ. Хотя уже во второй половине девяностых годов работами [9-13] было доказано, что их недоверие неоправданно, и на примерах показано, что расхождение между экспериментальным НДС конструкции и НДС полученным расчётным методом не превышает 4%.

В настоящее время в мировом транспортном машиностроении доминирует принцип обеспечения ограниченного ресурса несущих машин с установленной вероятностью разрушения, т.е. обеспечение необходимой экономически целесообразной долговечности деталей, работающих в условиях периодического нагружения. В этой связи существенно повышаются требования к точности оценки долговечности рамных конструкций. Ошибка в оценке долговечности приводит либо к неоправданному повышению металлоёмкости рамы, либо к раннему возникновению отказов. Решение задачи повышения долговечности рам и снижения их металлоёмкости связано с разработкой новых конструкций, применением материалов с улучшенными свойствами, внедрением прогрессивных технологий. Эффективность таких разработок возможна лишь при введении научно обоснованных методов расчётно-экспериментальной оценки НДС рам на этапе опытно-конструкторских работ.

Анализ вопроса показывает, что методы комплексной оценки НДС сложных несущих систем нуждаются в дальнейшем усовершенствовании.

Целью настоящей работы является разработка метода оценки НДС и квазистатической прочности, позволяющего с использованием современных программных комплексов выявить наиболее нагруженные места в конструкции на начальной стадии проектирования, внести необходимые коррективы, обеспечивающие снижение затрат и время на проектирование.

На защиту выносятся:

- результаты систематизации и обработки данных по типичным разрушениям несущих систем автобусов и троллейбусов в эксплуатации;

- статистические закономерности параметров распределения эксплуатационного ресурса различных типов разрушений и установление их сечений в конструкции;

- новые расчётные модели несущих систем автобусов и троллейбусов;

- оценка напряжённо-деформированного состояния несущих систем автобусов и троллейбусов, выполненная МКЭ для различных вариантов загрузки машины;

- результаты сравнительного анализа напряжённо-деформированного состояния элементов несущих систем пассажирских транспортных средств, полученных расчётным путём и экспериментально;

- методика проектирования несущих систем машин на ранней стадии разработки конструкции.

Заключение диссертации по теме «Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры», Буцынский, Владимир Александрович

Общие выводы:

1. Предложена новая методика разработки несущих систем машин на ранней стадии проектирования, в основу которой положена оценка уровня касательных напряжений в сечениях элементов при кручении конструкции, определяющих вероятность её разрушения. Установлено, что уровень касательных напряжений в 10МПА обеспечивает неразрушение конструкции в эксплуатации.

2. Анализ результатов расчёта и эксперимента величин нормальных напряжений показал их качественное и количественное совпадение, что свидетельствует о достоверности принятой расчётной модели.

3. Исследование напряжённо-деформированного состояния несущих систем транспортных машин, выполненное методом конечных элементов для различных вариантов загрузки машины при изгибе и кручении, позволило выявить характер распределения касательных и нормальных напряжений по элементам конструкции и оценить напряжённое состояние в местах разрушения элементов конструкции.

4. Проанализирован обширный материал по поломкам элементов несущих систем автобусов и троллейбусов в эксплуатации, имеющих разную конструкцию несущей системы. Установлено, что наиболее частыми разрушениями конструкции 49% являются разрушения элементов в районе заднего моста и крепления двигателя. Эксплуатационные распределения ресурсов при коэффициенте вариации последнего v=0.5.0.8 хорошо аппроксимируются законом Вейбулла.

5. Анализ величин средних ресурсов несущих систем машин до поломки показал, что большинство конструкций имеют ресурс меньше требуемого. Внедрение предлагаемой методики позволит снизить вероятность разрушений конструкции в эксплуатации и тем самым обеспечить нормативный срок службы машины.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Буцынский, Владимир Александрович, 2009 год

1. Дмитриченко С. С. Методы обеспечения требуемых показателей металлоемкости и долговечности мобильных машин /С.С. Дмитриченко //Вестник машиностроения. 2003, №9. С. 23-28.

2. Стренч Г. Теория методов конечных элементов. /Г. Стренч М.: Мир, ■ 1977-325 с.

3. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. /Р. Галлагер М.: Мир, 1984-279 с.

4. Сегерлинд Л.Д. Применение метода конечных элементов. /Л.Д. Сегерлинд- М.: Мир, 1979-255 с.

5. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. /О. Зенкевич М.: Мир, 1975-289 с.

6. Меченков В.И. Расчёты машиностроительных конструкций методом конечных элементов. /В.И. Меченков, В.П. Мальцев М.: Машиностроение, 1989-350 с.

7. Горбачёв К.П. Метод конечных элементов в расчётах прочности. /К.П. Горбачёв Л.: Судостроение, 1985 - 255 с.

8. Черников С.К. О достоверности оценок напряжённо-деформированного состояния рамы грузового автомобиля. /С.К. Черников, Ю.В. Садчиков //Проблемы машиностроения и надёжности машин. 1998. - №3 - С. 117- 121.

9. Введение в компьютерный конструкционный анализ: метод, указания по курсу "Компьютерная диагностика" /О.М. Огородникова. Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2001 - 47 с.

10. Лебедев И.М. Расчетно-экспериментальное исследование НДС тонкостенной конструкции. / И.М. Лебедев, A.M. Файзуллин

11. Сергейкин О. А. Наложение взаимосвязей на параметры при оптимизации конструкций. / О. А. Сергейкин; МГТУ им. Н. Э. Баумана каф. "Металлорежущие станки", М., 2001. Режим доступа 05.10.2000. http://sergeykin.hotbox.ru

12. Курбатский М.И. Машинное проектирование рам грузовых автомобилей: автореф . канд. техн. наук. /М. И. Курбатский-М., 1977. 16 с.

13. Кириллов А.П. Методика оценки напряжённо-деформированного состояния и оптимизации деталей кузова легкового автомобиля с целью снижения их массы:: автореф. на сосик. уч. степени к.т.н. /А. П. Кириллов М., 1987.- 16 с.

14. Зузов В.Н. Исследование напряжённо-деформированного состояния кузова автобуса применительно к автоматизированному проектированию несущих систем автомобилей: автореф. на соиск. уч. степени к.т.н. /В.Н. Зузов -М., 1980.- 17 с.

15. Кирилов А.П. Методика оценки напряжённо-днформированного состояния и оптимизация деталей кузова легкового автомобиля с целью снижения их массы: автореф. на соиск. уч. степени к.т.н. /А.П. Кирилов М., 1987.- 16 с.

16. Кучерявый В.И. Расчёт элементов конструкций требуемой надёжности при изгибе с кручением. /В.И. Кучерявый, А.Е. Саргсян, В.Д. Чарков. //Проблемы машиностроения и надёжности машин. 2000. - №1. - С.41-45.

17. Атапин В.Г. Оптимальное проектирование несущих систем тяжёлых станков. / В.Г. Атапин //Проблемы машиностроения и надёжности машин. 1994. - №4. - С.65-67.

18. Токарева М.А. Обеспечение работоспособности транспортных средств путём уточнения метода расчёта несущих систем конструкций при их проектировании и ремонте: автореф. . канд. техн. наук. /М.А. Токарева -М., 1998.- 17 с.

19. Ласевич Л.Г Выбор оптимальных сечений элементов рамы грузового автомобиля. /Л. Г. Ласевич, М. Б. Школьников, Т. Д. Подлегаева // Автомоб. пром-сть. 1975. - №2. - С. 18-19.

20. Гельфгат Д.Б. Рамы грузовых автомобилей. /Д. Б. Гельфгат, В. А. Ошно-ков М., Машгиз, 1959. - 248 с.

21. Власов В.З. Расчёт тонкостенных стержней. /В. 3. Власов. М.: Машгиз. — 1959.-250 с.

22. Когаев В.П. Расчёты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность: справочник / В. П. Когаев, Н. А. Махутов, А.П. Гусенков. М:: Машиностроение, - 1985 - 224с.

23. Богомолов М.С. О долговечности деталей машин в условиях эксплуатации. /М. С. Богомолов // Вест, машиностроения. -1969.- №3. С. 68 - 75.

24. Вейбулл В. Усталостное испытание и анализ их результатов. /В. Вейбулл. -М.: Машиностроение, 1964. -358 с.

25. Кугель Р.В. Рассеивание долговечности деталей и агрегатов машин. /Р.В. Кугель //Вестн. машиностроения.- 1959.- №5. 55-60 с.

26. Лельчук Л.М. Исследование усталостной прочности новых и восстановленных сваркой рам грузовых автомобилей, эксплуатируемых в сельском хозяйстве: дисс. на соиск. уч. степени д.т.н. /Л.М. Лельчук. М., 1965. — 256 с.

27. Боровских В.Е. Анализ поломок рам троллейбусов /В. Е. Боровских, А. Н. Солянов, Ю. А. Пальм и др. //Сб. «Некоторые вопросы исследования дорожных и строительных машин»; Саратов, политехи, ин-т. Саратов: СПИ. - 1970.-С.25-31.30.