Методика совершенствования конструкции корпусов амфибийных колесных машин на стадии проектирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Ван Ичжоу

• Ван Ичжоу
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Ван Ичжоу

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Анализ состояния вопроса по созданию и особенностям колесных амфибийных машин

1.1. Классификация колесных амфибийных машин

1.2. Обзор конструкций кузовов колесных амфибийных машин

1.2.1. Формы кузова

1.2.2. Материалы кузова

1.2.3. Виды несущих систем

1.2.4. Типы панелей

1.2.5. Структура каркаса

1.3. Обзор условий эксплуатации и нагрузочных режимов

1.3.1. Условия эксплуатации

1.3.2. Нагрузочные режимы

1.3.2.1. Нагрузочные режимы при движении по суще

1.3.2.2. Нагрузочные режимы при движении по воде

1.3.2.3. Нагрузочные режимы при входе и выходе из воды

1.3.3. Расчетно-экспериментальные методы исследований

1.3.3.1. При движении по суше

1.3.3.2.При движении по воде

1.3.3.3. При входе и выходе из воды

1.4. Обзор методов оптимизации

1.4.1. Топологическая оптимизация

1.4.2. Параметрическая оптимизация

1.4.2.1.Прямой метод

1.4.2.2.Метод поверхности отклика

1.4.2.3. Взвешенный метод TOPSIS

1.5. Выбор объекта исследований

1.6. Выводы по Главе

Глава 2. Разработка рациональных моделей для гидродинамического анализа, моделирования движения и КЭМ кузовов, предназначенных для определения предельных нагрузочных режимов, исследования НДС и оптимизации

2.1. Разработка моделей кузова амфибийной машины для

определения нагрузочных режимов

2.1.1. Геометрические модели амфибийной машины

2.1.2. Динамическая модель для расчетов нагрузочных режимов при движении на суше

2.1.3. КЭМ для расчетов нагрузочных режимов при движении по воде

2.2. Моделирование эксплуатационных нагрузочных режимов

2.2.1. Движение по суше

2.2.1.1.Квазистатические режимы

2.2.1.2. Движение по синусоидальным дорогам

2.2.1.3. Движение по дорогам со случайными профилями

2.2.2. Движение при входе и выходе из воды

2.2.3. Движение по воде

2.2.3.1. Прямолинейное движение по спокойной воде (50 км/ч)

2.2.3.2.Поворот на спокойной воде (50 км/ч)

2.2.3.3. Движение против волны (50 км/ч)

2.2.3.4.Удары волн о борт (0 км/ч)

2.3. Предварительные расчеты кузова из алюминиевого сплава для нахождения экстремальных режимов

2.3.1. КЭМ и граничные условия для предварительных расчетов

2.3.2. Экстремальный режим для передней части кузова

2.3.3. Экстремальный режим для днища кузова

2.3.4. Экстремальный режим для боковой части кузова

2.4. Разработка КЭМ кузова

2.4.1. КЭМ всего кузова

2.4.2. КЭМ передней части кузова

2.5. Верификация результатов моделирования МКЭ

2.5.1. Цель и задачи

2.5.2. Составление моделей

2.5.3. Анализ результатов моделирования

2.6. Верификация моделей

2.6.1. Цель и задачи

2.6.2. Составление моделей

2.6.3. Экспериментальное оборудование и его описание

2.6.4. Режимы проведения эксперимента

2.6.5. Анализ результатов эксперимента

2.7. Выводы по Главе

Глава 3. Методика поиска оптимальных параметров каркаса и панелей кузовов скоростных колесных амфибийных машин

3.1. Введение

3.2. Нахождения наилучших параметров панелей кузова

3.2.1. Выбор типа и материала панелей кузова

3.2.1.1.Постановка задачи

3.2.1.2.Панели передней части кузова

3.2.1.3. Панели днища кузова

3.2.1.4.Панели боковой части кузова

3.2.1.5. Заключение

3.2.2. Оптимизация углов и последовательности слоев обшивки сэндвич-панелей

3.3. Нахождения наилучших параметров каркасов

3.3.1. Структура каркаса

3.3.1.1.Введени е

3.3.1.2. Структура каркаса передней части кузова

3.3.1.3. Структура каркаса днища и боковой части кузова

3.3.2. Сечения каркаса

3.3.2.1.Введени е

3.3.2.2.Сечения каркаса передней части кузова

3.3.2.3.Сечения каркаса днища кузова

3.3.2.4.Сечения каркаса боковой части кузова

3.3.2.5. Заключение

3.3.3. Материалы каркаса

3.3.3.1.Введени е

3.3.3.2. Материалы каркаса днища кузова

3.3.3.3. Материалы каркаса боковой части кузова

3.3.3.4. Заключение

3.3.4. Наполнитель каркаса

3.3.4.1.Введени е

3.3.4.2. Применение наполнителя каркаса в днище кузова

3.3.4.3. Применение наполнителя каркаса в боковой части кузова

3.3.5. Соединение каркаса с панелями

3.3.5.1.Введени е

3.3.5.2.Соединение каркаса днища кузова с панелями

3.3.5.3. Соединение каркаса боковой части кузова с панелями

3.3.5.4. Заключение

3.4. Методика нахождения оптимальной топологии каркаса

кузовов амфибийных машин на основе взвешенного метода TOPSIS

3.4.1. Введение

3.4.2. Основные положения разработанной методики

3.4.3. Каркас передней части кузова

3.4.4. Каркас днища кузова

3.4.5. Каркас боковой части кузова

3.4.6. Сравнительное исследование

3.4.7. Заключение

3.5. Метод многокритериальной параметрической оптимизации на

основе усовершенствованного взвешенного метода TOPSIS

3.5.1. Введение

3.5.2. Основные положения разработанного метода

3.5.3. Особенность предлагаемого метода

3.5.4. Параметрическая оптимизация панели днища кузова

3.5.5. Сравнительное исследование

3.5.6. Заключение

3.6. Оптимизация кузова с учетом международных требований правил прочности и жесткости конструкций из полимерных композиционных материалов

3.6.1. Введение

3.6.2. Оптимизация днища и боковой части кузова

3.6.3. Оптимизация передней части кузова

3.6.4. Результат оптимизации

3.7. Сравнительное исследование прочности и жесткости кузова на базе высокоточных КЭМ

3.7.1. Разработка высокоточной КЭМ кузова

3.7.2. Сравнение НДС передней части кузова

3.7.3. Сравнение НДС днища кузова

3.7.4. Сравнение НДС боковой части кузова

3.7.5. Заключение

3.8. Выводы по Главе

Глава 4. Методика совершенствования конструкций корпусов амфибийных колесных машин на стадии проектирования

4.1. Основные положения методики совершенствования конструкций корпусов амфибийных колесных машин

4.2. Применение разработанной методики к исследованию кузова скоростной амфибийной машины Quadski

4.2.1. Выбор объекта исследований для иллюстрации эффективности разработанной методики

4.2.2. Разработка моделей кузова скоростной амфибийной машины Quadski

4.2.3. Расчет экстремальных нагрузочных режимов

4.2.4. Предварительный расчет кузова из SMC стекловолокна

4.2.5. Нахождение оптимальной топологии каркаса средней и задней частей днища кузова

4.2.6. Нахождение оптимальной топологии каркаса передней части днища кузова

4.2.7. Параметрическая оптимизация панелей с учетом стандартов

4.2.8. Результат оптимизации

4.3. Выводы по Главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика совершенствования конструкции корпусов амфибийных колесных машин на стадии проектирования»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. При постоянном расширении назначений амфибийных машин и усложнении условий их эксплуатации эти транспортные средства не всегда могут отвечать требованиям по необходимой скорости и маневренности, прочности и жесткости в том числе из-за увеличенной массы.

Для проектирований кузовов амфибийных машин с минимальной массой при обеспечении необходимой прочности и жесткости прежде всего необходимо анализировать напряженно-деформированные состояния (НДС) кузова при всех эксплуатационных режимах. При этом анализ НДС для критических режимов нагружения играет особую роль и позволят более полно оценить соответствие конструкции требованиям по прочности и жесткости и, соответственно, еще на этапе проектирования принять необходимые решения о доработке конструкции. Поэтому поиск экстремальных режимов нагружения актуален с позиций использования их в расчетах для достижения достоверных результатов и обеспечения необходимых параметров конструкции при снижении ее массы.

С целью решения задачи снижения массы кузова часто применяют методы топологической и параметрической оптимизации, которые реализуются в ряде программ (ANSYS, Hypermesh, МАТЬАВ и др.). Однако они имеют ограничения, которые затрудняют их применение и, в том числе, для кузовов из композиционных материалов. Универсальные методы топологической оптимизации не могут эффективно учитывать влияние панелей и взаимодействие между ними и каркасом для достижения оптимальных параметров по массе, прочности и жесткости. Широко используемые методы параметрической оптимизации имеют ограничения в аспектах погрешности результатов расчетов, машинного времени, сходимости результатов оптимизации и др.

Разработка новой методики проектирования скоростных амфибийных машин актуальна для создания кузовов с минимальной массой при обеспечении

требуемых прочности и жесткости. Однако до настоящего времени вопрос разработки эффективных методик проектирования кузовов, способных удовлетворять требованиям прочности и жесткости конструкций, был изучен недостаточно, что подтверждает актуальность темы диссертации.

Научная новизна работы заключается в разработке методики совершенствования конструкций корпусов амфибийных колесных машин на стадии проектирования за счет нахождения оптимальных топологии и параметров каркаса и панелей из композитных/комбинированных материалов с заданными свойствами с целью минимизации массы и обеспечения прочности и жесткости кузова, включающей в себя:

1. Разработку рациональных моделей для гидродинамического анализа, моделирования движения и конечно-элементных моделей (КЭМ) кузовов, предназначенных для определения предельных нагрузочных режимов, исследования НДС и оптимизации, отличающихся обоснованно выбранными размерами конечных элементов (КЭ), обеспечивающих получение требуемой точности результатов расчетов при статическом и динамическом нагружениях с минимальными трудозатратами на подготовку и решение задач с помощью программных комплексов, что важно для многовариантных исследований (оптимального проектирования);

2. Определение на основе разработанных моделей расчетных научно-обоснованных экстремальных режимов нагружения кузовов скоростных амфибийных машин из эксплуатационных при движении по суше и воде, отличающихся тем, что позволяют получать силовые воздействия (квазистатические и динамические) в любой зоне кузова с высокой точностью;

3. Разработку методики нахождения оптимальной топологии каркаса на основе взвешенного метода TOPSIS, отличающейся учетом влияния панелей и взаимодействия между ними и каркасом кузова при оценке соответствия требуемым параметрам, определяющим прочность и жесткость;

4. Усовершенствование взвешенного метода TOPSIS для многокритериальной параметрической оптимизации, отличающегося снижением

машинного времени и повышением сходимости решений при оптимизации за счет устранения влияния количества критериев и весовых коэффициентов целевых функций при обеспечении эффективного снижения массы кузова.

Цель диссертационной работы состоит в улучшении параметров конструкций кузовов скоростных амфибийных машин (минимальная масса, прочность, жесткость) на стадии проектирования за счёт разработки и применения методики создания каркаса и панелей кузова с оптимальными параметрами, базирующейся на методах топологической и параметрической оптимизации при экстремальных режимах нагружения.

Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Научно-обоснованы расчетные экстремальные режимы нагружения скоростных амфибийных машин из эксплуатационных при движении на суше и воде;

2. Проанализированы типовые конструкции кузовов (панелей, каркасных элементов) скоростных амфибийных машин с целью выявления конструктивных особенностей, влияющих на прочность и жёсткость конструкции;

3. Решены модельные задачи по оценке прочности и жесткости панелей и каркасных элементов типовых конструкций кузовов скоростных амфибийных машин при действии нагрузок в виде давления и сосредоточенных сил, соответствующих экстремальным, с целью отработки принципов построения рациональных КЭМ применительно к оптимизационным задачам;

4. Разработаны методика нахождения оптимальной топологии каркаса кузовов скоростных амфибийных машин и метод многокритериальной параметрической оптимизации применительно к каркасно-оболочечным несущим конструкциям для снижения массы кузовов, позволяющие учесть влияние панелей и взаимодействие между ними и каркасом кузова и обеспечивающие сокращение машинного времени при проектировании конструкции по сравнению с существующими методами;

5. Проведена оптимизация кузовов скоростных амфибийных машин с

различными особенностями конструкций на базе метода конечных элементов (МКЭ) с целью снижения массы и подтверждения эффективности и универсальности разработанной методики.

Практическая ценность результатов работы состоит в том, что:

1. Разработанная методика может быть использована при проектировании и доводке кузовов и каркасных элементов скоростных амфибийных машин для удовлетворения требованиям прочности и жесткости, а также уменьшения массы;

2. Проведенные исследования на основе разработанной методики позволили сформировать рекомендации по применению композитных/комбинированных материалов с заданными свойствами в панелях и каркасных конструкциях скоростных амфибийных машин (Humdinga и Quadski в данной работе) и найти оптимальную топологию каркаса для снижения массы кузова при обеспечении необходимой прочности и жесткости.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы заслушивались и обсуждались на: 1) Научных семинарах кафедры колесных машин МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2020-2024 г.); 2) 114-ой Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) (Нижний Новгород, 2023 г.); 3) XVI Всероссийской конференции молодых учёных и специалистов (с международным участием) «Будущее машиностроения России» (Москва, 2023 г.); 4) Международном автомобильном научном форуме (МАНФ-2023) (Москва, 2023 г.).

Реализация работы: материалы диссертационной работы используются в учебном процессе при подготовке инженеров на кафедре колесных машин МГТУ им. Н.Э. Баумана и в научно-исследовательской работе «Проектирование и внедрение амфибийного многовинтового аппарата для экологического мониторинга» (проект 2021JDRC0092, Юго-Западный университет науки и технологий, КНР).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научные работы общим объёмом 3,77 п.л. в рецензируемых журналах, рекомендуемых перечнем ВАК РФ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения,

четырёх глав, общих выводов и заключения, а также списка литературы и приложений. Работа выполнена на 220 листах машинописного текста, включает 130 рисунков и 74 таблицы. Список литературы насчитывает 103 наименование.

Глава 1. Анализ состояния вопроса по созданию и особенностям колесных амфибийных машин

При постоянном расширении назначений амфибийных машин и усложнении условий их эксплуатации эти транспортные средства не всегда могут отвечать требованиям по необходимой скорости и маневренности, прочности и жесткости, в том числе из-за увеличенной массы. Разработка новой методики проектирования скоростных амфибийных машин актуальна для создания кузовов с минимальной массой при обеспечении прочности и жесткости. С целью разработки эффективных методик проектирования кузовов, способных удовлетворять требованиям прочности и жесткости конструкций, необходимо провести подробную обзорную работу по проектируемым параметрам кузовов амфибийных машин. 1.1. Классификация колесных амфибийных машин В зависимости от области применения, амфибийные машины классифицируются как военные и гражданские. По своему назначению они могут быть разделены на пассажирские, грузовые и спасательные. В контексте степени защиты корпуса, военные амфибии подразделяются на бронированные и небронированные [1].

Рис. 1.1.

Классификация колесных амфибийных машин Военная пассажирская амфибийная бронированная машина предназначена для использования на поле боя, в основном для десантных операций. Её общая

масса может достигать 20-30 тонн, а вместимость составляет более 10 человек. Основным амфибийным транспортным средством, используемым в Корпусе морской пехоты США, является колесная амфибийная бронированная машина АСУ [2]. Ее габариты составляют 8,9 м в длину, 3,1 м в ширину и 2,8 м в высоту. Общая масса в боевой оперативной готовности составляет 30 тонн, при этом максимальная полезная нагрузка достигает 3,3 тонн. Это транспортное средство способно развивать максимальную скорость 105 км/ч на суше и 11 км/ч на воде. Российская боевая машина пехоты - амфибия БТР-90 представляет собой один из основных видов амфибийного транспорта России [3]. Она обладает габаритами: длина кузова составляет 7,64 м, ширина - 3,2 м, высота - 2,98 м, а полная боевая масса достигает 20,9 тонн. Для передвижения по различным типам дорог БТР-90 оснащен восемью колесами с полным приводом 8х8 и оснащен дизельным двигателем мощностью 510 лошадиных сил с турбонаддувом. Его максимальная скорость на суше достигает 100 км/ч, а на воде - 9 км/ч.

(а) (б)

Рис. 1.2.

Военные бронированные амфибийные машины: (а) ACV, (б) БТР-90 По сравнению с военными бронированными экипажными амфибиями, небронированные амфибии больше ориентированы на грузоперевозки и аварийно-спасательные операции. Например, немецкая военная амфибия Volkswagen Typ 166 Schwimmwagen имеет длину кузова 3,825 м, ширину 1,48 м, высоту 1,615 м, весит 910 кг и вмещает 4 члена экипажа [4]. Максимальная скорость на суше - 80 км/ч, на воде - 10 км/ч. В то время как небронированная военная медицинская амфибия ЛуАЗ-967 длиной 3,7 м, шириной 1,7 м, высотой 1,6 м и полной массой 1350 кг,

развивает максимальную скорость 75 км/ч на суше и 3-4 км/ч на воде [5].

(а) (б)

Рис. 1.3.

Военные небронированные амфибийные машины: (а) Volkswagen Typ 166

Schwimmwagen, (б) ЛуАЗ-967 Военные грузовые амфибии обычно лишены бронирования из-за ограничений в собственной массе и требований к грузоподъемности. Амфибийное транспортное средство Зил-4906 "Синяя птица", обладающее полным приводом и тремя осями, оснащено стеклопластиковым корпусом размерами 9,25 м (длина), 2,48 м (ширина), 2,9 м (высота), достигает скорости до 75 км/ч на суше и 10 км/ч на воде [6]. Alvis Stalwart (другая грузовая амфибия) имеет бескаркасный кузов размерами 6,35 м (длина), 2,62 м (ширина), 2,65 м (высота) и весом 8,6 т, достигает максимальной скорости 65 км/ч на суше и 11 км/ч на воде [7].

(а) (б)

Рис. 1.4.

Грузовые амфибийные машины: (а) Зил-4906 «Синяя птица», (б) Alvis Stalwart

В сравнении с военными колесными амфибийными машинами, гражданские варианты обладают более широким спектром применения. Автобус-амфибия

АтйЬш достигает максимальной скорости 97 км/ч на суше и 12 км/ч на воде [8]. Спортивная амфибийная машина Aquada имеет корпус для водных лыж с возможностью достижения максимальной скорости 160 км/ч на суше и 48 км/ч на воде [9]. Вездеходная амфибийная машина ARGO 8*8 LX оснащена системой привода 8*8 и может развить максимальную скорость 40 км/ч на суше и 5 км/ч на воде [10]. Вездеходная амфибийная машина ХЛеШи также имеет привод 8*8 и включает два комплекта водных движителей [11]. Ее максимальная скорость на суше составляет 45 км/ч, а при использовании шин для гребли на воде достигает 5 км/ч. При движении с использованием гребного винта ее максимальная скорость на воде достигает 12 км/ч.

(В) (Г)

Рис. 1.5.

Гражданские пассажирские колесные амфибийные машины: (а) автобус-амфибия Amfibus, (б) спортивная амфибийная машина Aquada, (в) вездеходная амфибийная машина ARGO 8x8 LX, (г) вездеходная амфибийная машина Xibeihu 8x8 Гражданские грузовые амфибии преимущественно применяются в патрулировании и аварийно-спасательных операциях. Среди них можно выделить такие модели, как внедорожная амфибия Humdinga [12], грузовая амфибия Phibian [12] и пожарная амфибия Iveco Magirus Marconi Duffy [13]. Варианты

конфигураций внедорожной амфибии Humdinga включают 3-местную и 6-местную версии, при этом 3-х местная версия оснащена грузовой платформой. Максимальная скорость на суше достигает 128 км/ч, а на воде - 48 км/ч [12]. Phibian имеет аналогичную форму кузова, но отличается большей длиной и грузоподъемностью. Её максимальная скорость на суше составляет 112 км/ч, а на воде - 48 км/ч [12]. Пожарная амфибия Iveco Magirus Marconi Duffy преимущественно применяется для спасательных операций в зонах с частыми наводнениями. Максимальная скорость на суше - 85 км/ч, на воде - 15 км/ч [13].

(а) (б) (в)

Рис. 1.6.

Гражданские грузовые амфибийные машины: (а) Humdinga, (б) Phibian, (в) Iveco

Magirus Marconi Duffy 1.2. Обзор конструкций кузовов колесных амфибийных машин

1.2.1. Формы кузова

(а) (б)

Рис. 1.7.

Амфибийные машины с водоизмещающим кузовом: (а) Volkswagen Typ 166

Schwimmwagen, (б) RMA Amphi Ranger Во время 2-й мировой войны появились амфибийные машины, предназначенные для транспортировки солдат на берег и перевозки военных грузов. Их эксплуатационные условия идентичны как у внедорожников, поэтому в них

используется водоизмещающий кузов, разработанный на тех же основах, как кузов внедорожника. Он имеет постоянную ширину, наклонную переднюю часть днища и плоскую среднюю и заднюю части, что придает ему форму ванны. Этот тип кузова обладает большой несущей способностью и хорошей устойчивостью на малых скоростях, но его максимальная скорость в воде ограничена. В начале в амфибийных машинах использовали колеса и гребной винт в задней части кузова, их общая тяга была невелика и скорость на воде обычно не превышала 10 км/ч [14]. Примерами таких машин являются Volkswagen Typ 166 [4] и RMA Amphi Ranger

[15].

После войны функции амфибийных машин были перераспределены на патрулирование и аварийно-спасательные операции. С развитием технических требований к этим машинам, таким как повышенная скорость и снижение сопротивления, появились быстрые амфибии с водолыжными корпусами. На низких скоростях стройный корпус эффективно преодолевает сопротивление воды, а на высоких скоростях изменяется угол дифферента кормы и носа. В воднолыжном режиме кузов практически не соприкасается с водой, что значительно снижает сопротивление. Однако для перехода в этот режим требуется достижение определенной скорости, что возможно для амфибий с водометным двигателем [16].

(а) (б)

Рис. 1.8.

Амфибийные машины с воднолыжным кузовом: (а) Gibbs Humdinga, (б) Черный

дрозд

Для дальнейшего снижения сопротивления при движении по воде была разработана складная подвеска. В момент движения амфибийного транспортного средства по водной поверхности она способна либо поднимать, либо втягивать

колеса в корпус, что придает более гладкий контур днища. Примерами таких систем являются Gibbs Humdinga (США) [12] и Черный дрозд (Россия) [17].

1.2.2. Материалы кузова

На ранних этапах кузова амфибийных транспортных средств изначально изготовляли из стали. Особенно это характерно для немецких моделей. Примерами таких машин являются Volkswagen Typ 166 Schwimmwagen [4] и Amphicar 770 [18].

С развитием технологий для снижения веса кузова инженеры постепенно начали применять алюминиевые сплавы вместо стальных [19]. Использование алюминиевых сплавов в колесных амфибийных машинах стало распространенным явлением с 1990-х годов. Например, в модели Amphi-Ranger 2800SR, выпущенной в 1986 году, для панелей кузова были использованы пластины из коррозионностойкого алюминиевого сплава толщиной 3-4 мм. Размеры кузова составляли 4650 мм в длину, 1860 мм в ширину, а масса - 1940 кг [15]. В 2003 году компания Gibbs выпустила амфибийное транспортное средство Aquada с кузовом из алюминиевого сплава [9].

В более поздний период в кузовах амфибийных машин наряду с алюминиевыми сплавами широко стали использоваться композитные материалы. В последние годы армированные волокном композиты (FRP) стали предпочтительным выбором для панелей кузовов из-за своей технологичности, низкой плотности, устойчивости к динамическим нагрузкам и агрессивным окружающим средам [20]. В 1980-х годах были первые примеры применения композитных кузовов. Например, спасательная амфибийная машина ЗИЛ-49061 «Синяя птица» имеет каркас из алюминиевого сплава и панели из стекловолокна, позволившие уменьшить массу кузова. Однако из-за высокой стоимости композитные материалы до 21 века не получили широкого распространения в амфибийных машинах [21]. Например, в 2006 году спортивная амфибийная машина Hydra Spyder, выпущенная CAMI, имеет алюминиевый кузов, хотя не все его детали сделаны из алюминиевого сплава [22]. Подводная часть кузова изготовлена из сплава алюминия 5052, а надводная часть - из легкого стекловолокна. В 2012 и 2014 годах компания Gibbs выпустила амфибийные

машины Quadski и Humdinga с композитным кузовом [23]. На Международном военно-техническом форуме «Армия-2020» была представлена российская специальная амфибийная машина «Черный дрозд», кузов которой изготовлен из волокнистого кевларового композитного материала [17].

(В) (Г)

Рис. 1.9.

Амфибийные машины с кузовами из разных материалов: (а) Amphicar 770 (со стальным кузовом), (б) Aquada (с алюминиевым кузовом), (в) CAMI Hydra Spyder (с композитным кузовом), (г) Quadski (с композитным кузовом)

1.2.3. Виды несущих систем

Рис. 1.10.

Панель и каркасные элементы кузова амфибийной машины Aquada Амфибийные машины классифицируются по типу кузова: каркасный и бескаркасный. Каркасный кузов широко распространен среди небронированных

амфибий. Обычно он изготавливается из металлических материалов и соединяется сваркой, склейкой или болтами. Например, амфибийная машина Aquada имеет кузов из алюминиевого сплава, главным образом сваренный. Если используется композитный материал, то каркас и панели соединяются болтами или специальными соединителями.

С развитием технологии изготовления композитных материалов для скоростных амфибийных машин каркасные элементы будут интегрированы в панели кузова. Процесс изготовления кузова включает наклеивание композитного препрега на модель под определенным углом, обеспечивая формирование кузова как единого целого. Каркасный кузов встраивается в местах, указанных на чертежах, и после отверждения материала панель на каркасе приобретает выступы, обеспечивающие целостность кузова. Примером такой технологии является амфибийная машина Черный дрозд, у которой кузов имеет полосообразные выступы, укрепляющие его и уменьшающие сопротивление при движении на воде.

Бескаркасные кузова преобладают в военных бронированных амфибиях. Например, российская бронированная амфибия БТР-90 имеет кузов из высокотвердой бронированной стали с монококовой конструкцией и кевларовой противоскользящей подкладкой внутри. Дополнительная пассивная броня может быть добавлена снаружи.

1.2.4. Типы панелей

Кузовные панели подразделяются на сплошные, слоистые и сэндвич-панели. Сплошные панели, обычно изготавливаемые из металла, основным образом из стали и алюминиевого сплава, широко используются в амфибийных военных машинах за счет высокой жесткости и прочности материала, а также простоты обработки. Например, военный амфибийный автомобиль Volkswagen Typ 166 Schwimmwagen, используемый во время Второй мировой войны, оснащался сплошными металлическими кузовными панелями. Современная колесная бронированная амфибийная машина ACV, находящаяся на вооружении ВМС США, также имеет алюминиевые сплошные панели, унаследованные от предыдущего поколения основной амфибийной машины AAV7. Российский БТР-90, также

являющийся основной амфибийной бронированной машиной, имеет сплошные панели из высокотвердой броневой стали, а его кузов представляет собой полностью сварную бронеконструкцию.

Слоистые панели обычно включают композитные материалы, такие как углеродное волокно, стекловолокно и кевлар. Например, в амфибийной машине ЗИЛ-49061 «Синяя птица» используется слоистая панель из стекловолокна [21]. В спортивной амфибийной машине Hydra Spyder также используется стекловолоконная слоистая панель для надводной части [22]. Скоростная амфибийная машина Gibbs Humdinga оборудована слоистой панелью из углеродного волокна. Специальная амфибийная машина «Черный дрозд» оснащена слоистой панелью из кевлара.

Среди сэндвич-панелей выделяют металлические и композитные. Металлические сэндвич-панели, включая пеноалюминиевые (AFS), имеют сталь или алюминиевый сплав в качестве обшивки и пеноалюминий в качестве наполнителя [24]. Композитные сэндвич-панели наиболее распространены с пеной ПВХ (где пена ПВХ используется в качестве наполнителя), а обшивка обычно выполнена из стекловолокна или углеродного волокна. Сэндвич-панели успешно применяются в автомобилестроении [25] и судостроении [26], [27], а также могут использоваться в производстве амфибийных машин.

1.2.5. Структура каркаса

Виды каркасных элементов амфибийных машин сильно зависят от формы кузова. В XX веке форма амфибийных машин была подобна внедорожникам, их несущая система и топология каркасных элементов были аналогичны. Например, спасательная амфибийная машина ЛуАЗ-967 имеет ненесущий кузов со встроенной рамой, силовые агрегаты устанавливаются на раму (Рис. 1.11). Каркасные элементы состоят из поперечных шпангоутов с продольными стрингерами на внутренних поверхностях панелей. Распределительной зоной поперечной рамы служит область между передними и задними колесами, стрингеры простираются в продольном направлении.

Амфибии XXI века имеют форму, приближенную к катеру, с аналогичной

топологией каркасных элементов (киль, борт и шпангоуты) (Рис. 1.12). Киль - один из основных несущих элементов, испытывает продольный изгибающий момент. Шпангоуты, находящиеся внутри кузова, подвергаются боковому давлению и поддерживают его борта, расположенные вдоль ватерлинии, укрепляют боковые панели. Киль простирается от носа к корме по центральной линии, борт - вдоль ватерлинии, а шпангоуты перпендикулярны килю и равномерно распределены вдоль корпуса. Эти элементы составляют основную каркасную конструкцию. Кроме них в кузове также присутствуют стрингеры между килем и бортом, а также в боковой части, которые воспринимают давление и поддерживают общую структуру.

Рис. 1.11.

Каркасные элементы амфибийной машины ЛуАЗ-967

Рис. 1.12.

Каркас катера: 1) доска стапеля, 2) форштевень и киль, 3) привальный брус, 4) бортовой стрингер, 5) борт, 6) днищевые стрингеры, 7) шпангоуты 1.3. Обзор условий эксплуатации и нагрузочных режимов

1.3.1. Условия эксплуатации

Эксплуатационные режимы амфибийных машин подразделяются на сухопутные и водные, а также комбинированные (при входе и выходе из воды). Условия эксплуатации на суше включают движение по дорогам с твёрдым покрытием и бездорожью [28]. Дороги в основном является с асфальтовым и булыжным покрытием и грунтовыми, а широко используемым показателем оценки является неровность дороги [29]. При низкой неровности дороги кривая профиля покрытия гладкая, что свидетельствует о лучшем качестве дороги. Неровность дороги напрямую влияет на безопасность и комфорт вождения, поэтому в мире дороги обычно классифицируются по этому показателю. Бездорожье включает дороги с глубокими выбоинами или крутыми уклонами [30], [31]. Из-за сложных условий эксплуатации общего стандарта оценки бездорожья не существует, производитель автомобиля устанавливает испытания и стандарты с учетом требований к конструкции.

(а) (б)

Рис. 1.13.

Амфибийные машины движущиеся по воде: (а) с низкой скоростью и (б) в прибрежных районах с высокой скоростью Условия эксплуатации амфибийных машин на воде зависят в основном от максимальной скорости на воде. Низкоскоростные амфибийные машины обладают водоизмещающим корпусом и могут достигать скорости до 15 км/ч. Они предназначены для работ на озерах и реках с медленным течением. Скоростные амфибийные машины, оборудованные воднолыжным корпусом, способны развивать скорость по водной поверхности не менее 48 км/ч и предназначены для работ на реках с быстрым течением и вблизи береговой линии [32].

Амфибийные машины обычно «входят» и «выходят» из воды с искусственного склона или берега с низкой скоростью. Искусственный склон предпочтителен для этой цели из-за прочного покрытия, обеспечивающего поддержку, сцепление колес и легкость контроля скорости и положения кузова. Однако их количество ограничено, они существуют в основном в прибрежных городах или городах с внутренними реками. Берег часто является необходимым выбором, особенно во время военных действий, но его постоянное затопление и неровная поверхность, покрытая камнями и песком, предъявляют повышенные требования к шасси и колесам амфибийных машин [33].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Ван Ичжоу, 2024 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Еникеев Р.Д., Месропян А.В., Платонов Е.А., Рахматуллин Р.Р. К вопросу о создании перспективных технических средств преодоления водных преград // Вестник УГАТУ= Vestnik UGATU. 2019. № 4. С. 74-83.

2. Yeadon S.A. The Problems Facing United States Marine Corps Amphibious Assaults // Journal of Advanced Military Studies. 2020. No. 11. P. 141-173.

3. Евдокимов В.И. Бронетехника в локальных конфликтах // Защита и безопасность. 2014. № 3. С. 13-14.

4. Luparenko H. The front line transporter as the embodiment of the USSR military doctrine in the middle of the 20th century // History of science and technology. 2022. No. 1. P. 114-132.

5. Боевые Запорожцы и секретные военные вездеходы ЛуАЗа. URL: http://www.kolesa.ru/article/boevye-zaporozhcy-i-sekretnye-voennye-vezdehody-luaza-2016-03-17 (дата обращения 12.02.2024).

6. Арутюнян Г.А., Карташов А.Б. Анализ истории развития и актуальности применения несущих систем из композиционных материалов // Журнал автомобильных инженеров. 2015. № 5. С. 60-66.

7. Dunn M.R. The alvis 'stalwart' // Journal of Terramechanics. 1964. No. 1. P. 74-82.

8. Amfibus. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Amfibus (дата обращения 12.02.2024).

9. Zhang Y., Lv J., Lius J., Song B., Dai Z. Research Overview of Amphibious Platform Driving Device //IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2019. No. 3. P. 032152.

10. Вездеход Argo 8x8 AVENGER 700. URL: https://atvargo.ru/catalog/Kupit_vezdehod_argo_bez_problem_73/Vezdehod_Argo _8x8_AVENGER_700_247.html (дата обращения 12.02.2024).

11. Zhejiang Xibeihu Special Vehicle Co., Ltd. URL: https://www.chinaxbh.com/ (дата обращения 08.03.2024).

12. Pan D., Xu X., Liu B., Xu H., Wang X. A review on drag reduction technology: Focusing on amphibious vehicles // Ocean Engineering. 2023. No. 280. P. 114618.

13. Пожарный автомобиль - амфибия Iveco Magirus Marconi Duffy. URL: https://fireman.club/statyi-polzovateley/pozharnyiy-avtomobil-amfibiya-iveco-magirus-marconi-duffy/ (дата обращения 12.02.2024).

14. Макаров В.С. Разработка научно обоснованных технических решений по созданию подвижных комплексов мониторинга береговых зон : Диссертация ... доктора технических наук : 05.05.03. Нижний Новгород, 2017. 321 с.

15. KEEPING YOUR AMPHI-RANGER COOL. URL: https://zircotec.com/motorsport/resources/case-studies/keeping-your-amphi-ranger-cool/ (дата обращения 09.01.2024).

16. Цзюй П., Апухтин П.А., Войткунский Я.И. Водные лыжи // Судостроение Китая. 1955. № 3. С. 58-71.

17. Черный дрозд: амфибия будущего на выставке Армия-2020. URL: https://autoreview.ru/articles/gruzoviki-i-avtobusy/chemyy-drozd-amfibiya-buduschego-na-vystavke-armiya-2020 (дата обращения 12.02.2024).

18. Жиров Н.О., Королёв М.С., Свиридов С.А. Автомобили-амфибии // Будущее науки-2017. 2017. С. 57-61.

19. Stojanovic B., Bukvic М., Epler I. Application of aluminum and aluminum alloys in engineering // Applied Engineering Letters: Journal of Engineering and Applied Sciences. 2018. No. 2. P. 52-62.

20. Lee J.M., Min B.J., Park J.H., Kim D.H., Kim B.M., Ko D.C. Design of lightweight CFRP automotive part as an alternative for steel part by thickness and lay-up optimization // Materials. 2019. No. 14. P. 2309.

21. ЗИЛ-49061 из состава поисково-эвакуационного комплекса ПЭК-490 «Синяя птица». URL: https://www.gruzovikpress.ru/article/18079-zil-49061-iz-sostava-poiskovo-evakuatsionnogo-kompleksa-pek-490-sinyaya-ptitsa-poka-ne-prervanniy-polet-ch-1/ (дата обращения 08.04.2024).

22. Hydra Spyder: A high speed & high-performance amphibious sports vehicle. URL: https://camillc.com/hydraspyder (дата обращения 05.10.2023).

23. Борисевич В.Б., Филатов В.В. Технический облик гидроквадроцикла // Символ науки. 2016. № 5-2. С. 21-24.

24. García-Moreno F. Commercial applications of metal foams: Their properties and production // Materials. 2016. No. 2. P. 85.

25. Fragoso-Medina O, Velázquez-Villegas F. Aluminum foam to improve crash safety performance: a numerical simulation approach for the automotive industry // Mechanics Based Design of Structures and Machines. 2023. No. 51. P. 3583-3597.

26. Divinycell H - Excellent mechanical properties to low weight. URL: https://www.diabgroup.com/products-services/divinycell-pvc/divinycell-h/ (дата обращения 05.10.2023).

27. Divinycell HCP - high performance PVC for subsea applications. URL: https://www.diabgroup.com/products-services/divinycell-pvc/divinycell-hcp/ (дата обращения 05.10.2023).

28. Гильманов В.С. Виды дорожного покрытия автомобильных дорог // Экономика и социум. 2020. № 11. С. 578-584.

29. Зузов В.Н. Разработка методов создания несущих систем колесных машин с оптимальными параметрами : Диссертация ... доктора технических наук : 05.05.03, 01.02.06. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 347 с.

30. Платонов В.Ф., Леиашвили Г.Р. Гусеничные и колесные транспортно-тяговые машины. М.: Машиностроение. 1986. 296 с.

31. Yan S. SUV Test Hall: Jeep Trail Rated Off-Road Road Rating Experience Tour // Automobile Magazine. 2014. No. 8. P. 124-129.

32. Тимофеев М.Ю. Гидродинамика глиссирующих амфибийных машин : Диссертация ... кандидата технических наук : 05.05.03. Москва, 2003. 173 с.

33. Степанов А.П. Расчет ходкости и управляемости амфибийных машин с колесными водоходными движителями : Учеб. пособие / А. П. Степанов, Н. Г. Давыдов; Моск. гос. автомобил.-дорож. ин-т (техн. ун-т). Москва : МАДИ (ТУ), 1996. 50 с.

34. ISO 8608:2016. URL: https://www.iso.org/standard/71202.html (дата обращения 05.10.2023).

35. ГОСТ 33101-2014 Дороги автомобильные общего пользования. Покрытия дорожные. Методы измерения ровности: национальный стандарт Российской Федерации: дата введения 2016-08-01. / Федеральное агентство по техническому регулированию. Изд. официальное. Москва: Стандартинформ. 2016. 23 с.

36. GB/T 7031-2005. URL: https://openstd.samr.gov.cn/bzgk/gb/newGbInfo?hcno=4D8A3F77B43EE93D9D6 FC7F4F67B00A5 (дата обращения 05.10.2023).

37. Wu K., Yang D., Zhao Y. Research on the water entry and exit characteristics of amphibious vehicles // Agricultural Equipment and Vehicle Engineering. 2008. No. 12. P. 20-22.

38. ГОСТ 31191.1-2004 Вибрация и удар. Измерение общей вибрации и оценка ее воздействия на человека. Часть 1. Общие требования: национальный стандарт Российской Федерации: дата введения 2008-07-01 / Федеральное агентство по техническому регулированию. Изд. официальное. Москва: Стандартинформ. 2008. 28 с.

39. СП 34.13330.2012. Автомобильные дороги. Актуализированная редакция СНиП 2.05.02-85*. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200095524 (дата обращения 06.04.2024).

40. Афанасьев Б.А. Проектирование полноприводных колесных машин: Учебник для вузов: В 3 т./Б.А. Афанасьев [и др.]; Под ред. А.А. Полунгяна. Т. 2-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2008. 528 с.

41. Войткунский Я.И. Сопротивление воды движению судов. Ленинград: Судостроение, 1964. 412 с

42. Tamura K. A Historical Review on the Study of Ship-Model Correlation and Powering Performance Prediction Method Made at the ITTC (1) // TRANSACTIONS OF THE WEST-JAPAN SOCIETY OF NAVAL ARCHITECTS 94. - THE JAPAN SOCIETY OF NAVAL ARCHITECTS AND OCEAN ENGINEERS, 1997. С. 235-249.

43. Huang G. Research on water speed of displacement amphibious vehicles // Journal

of Armored Forces Engineering Institute. 1995. No. 1. P. 35-43.

44. Havelock T.H. The theory of wave resistance // Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character, 1932. No. 138. P. 339-348.

45. Зайцев С.В. Гидродинамика двухзвенных плавающих транспортеров: Диссертация ... кандидата технических наук: 05.05.03. Москва, 1998. 118 с.

46. Liao Y., Li F., Li Z. Lightweight Design of Aluminum Rear Subframe in Conceptual Design Stage // Automotive Engineering. 2020. No. 12. P. 1737-1743.

47. Гончаров Р.Б., Зузов В.Н. Топологическая оптимизация конструкции бампера автомобиля при ударном воздействии с позиций пассивной безопасности // Известия МГТУ МАМИ. 2018. № 2. C. 2-9.

48. Козлов М.Ю., Аркатов В.Ю., Гроль М.С. Совершенствование подхода к проектированию внутреннего корпуса камеры сгорания с целью снижения массы с сохранением прочностной надежности на основе топологической оптимизации // Вестник УГАТУ. 2019. № 2. С. 98-105.

49. Qian X., Zhou Y., Wang M., Cai L., Pei F. Structural design of composite stiffened panel for a flat wing micro-aircraft // SN Applied Sciences. 2020. No. 2. P. 1-12.

50. Ермоленко Н.А., Немов А.С. Параметрическая оптимизация сетчатых композитных конструкций // Неделя науки СПбПУ. 2016. С. 65-67

51. Myers R.H., Montgomery D.C., Anderson-Cook C.M. Response surface methodology: process and product optimization using designed experiments. М.: John Wiley & Sons, 2016.

52. Hwang C.L., Yoon K. Methods for multiple attribute decision making // Multiple attribute decision making: methods and applications a state-of-the-art survey. 1981. P. 58-191.

53. Shukla A., Agarwal P., Rana R.S., Purohit R. Applications of TOPSIS algorithm on various manufacturing processes: a review // Materials Today: Proceedings. 2017. No. 4. С. 5320-5329.

54. Chakraborty S. TOPSIS and Modified TOPSIS: A comparative analysis // Decision Analytics Journal. 2022. No. 2. P. 100021.

55. Liu X, Zhang W, Qu Z, et al. Feasibility evaluation of hydraulic fracturing in hydrate-bearing sediments based on analytic hierarchy process-entropy method (AHP-EM) // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2020. No. 81. P. 103434.

56. Gibbs Technologies And Lockheed Martin To Develop High Speed Amphibious Vehicles For Military Use. URL: https://news.lockheedmartin.com/2007-04-02-Gibbs-Technologies-and-Lockheed-Martin-to-Develop-High-Speed-Amphibious-Vehicles-for-Military-Use (дата обращения 05.10.2023).

57. Gibbs Humdinga amphibious truck sailing toward production. URL: https://www.foxnews.com/auto/gibbs-Humdinga-amphibious-truck-sailing-toward-production (дата обращения 12.02.2024).

58. Sudden! South Korean amphibious armored vehicles dispatched. URL: https://baijiahao.baidu.com/s?id=1743220907019407084&wfr=spider&for=pc (дата обращения 12.02.2024).

59. Jia X., Ma J., Yu K., Yang Z. Research on ultra-high-speed amphibious vehicle technology // Mechanical Research and Application. 2015. No. 28. P. 46-49.

60. Вольская Н.С., Левенков Я.Ю., Ресанов А.О. Моделирование автомобильной пневматической шины, взаимодействующей с твердой неровной опорной поверхностью // Наука и образование: научное издание. 2013. № 5. С. 107-124.

61. Взаимодействие колеса с опорной поверхностью. Труды НАМИ / ГНЦ РФ ФГУП "НАМИ". Сб. 4.. М. 1970. 93 с.

62. ГОСТ Р 52847-2007 Автомобильные транспортные средства. Тормозные механизмы. Технические требования и методы стендовых испытаний : национальный стандарт Российской Федерации : дата введения 2009-01-01. / Федеральное агентство по техническому регулированию. Изд. официальное. Москва: Стандартинформ. 2008. 12 с

63. Малахов Д.Ю. Разработка методики оценки гидродинамического воздействия на плавающие машины, входящие в прибойную зону : Диссертация ... кандидата технических наук : 05.05.03. Москва, 2009. 202 с.

64. Announcement of the Maritime Safety Administration of the People's Republic of

China on the issuance of the "Technical Rules for Statutory Inspection of Inland River Vessels (2019)". URL:

https://www.msa.gov.cn/page/article.do?articleId=2ED63311-23DE-4EA6-BF75-343220C726C9 (дата обращения 12.02.2024).

65. Филиппов М.Ю. Остойчивость амфибийных машин на волнении: Диссертация ... кандидата технических наук : 05.05.03. Москва, 2004. 133 с.

66. Sorensen R M. Basic wave mechanics: for coastal and ocean engineers. John Wiley & Sons, 1993. 304 pp.

67. Peng Y. Basics of ship seakeeping. Beijing: National Defense Industry Press, 1989. 33 pp.

68. Petacco N., Gualeni P. IMO second generation intact stability criteria: General overview and focus on operational measures // Journal of Marine Science and Engineering. 2020. No. 8. P. 494.

69. Лю И, Зузов В.Н., Численное моделирование клеевого соединения в автомобильных конструкциях при квазистатическом нагружении с использованием усовершенствованной модели его свойств // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2022. № 3. С. 84-97.

70. Гончаров Р.Б., Зузов В.Н. Проблемы поиска оптимальных конструктивных параметров бампера автомобиля при ударном воздействии с позиций пассивной безопасности // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2018. № 3. С. 130136.

71. Лю И, Зузов В. Н. Исследование влияния размеров конечных элементов на точность моделирования клеевого соединения в конструкциях // Известия МГТУ МАМИ. 2021. № 3. С. 31-41.

72. Клеман Э., Блаунт Д. Испытания на устойчивость систематического ряда планирующих форм корпуса // Trans SNAME. 1963. № 71. С. 491-579.

73. Чжан Ц., Инь Ч., У К. Сравнительное исследование методов приближенного расчета сопротивления глиссирующей лодки // China Ship Research. 2012. № 7. С. 25-29.

74. Clement E., Blount D. Resistance tests of a systematic series of planning hull forms

// Trans SNAME. 1963. No. 71. P. 491-579.

75. Чижиумов С.Д., Каменских И.В., Бурменский А.Д. Проблемы гидродинамики корабля (численное моделирование). Комсомольск-на-Амуре: ФГБОУ ВО «КнАГТУ», 2016. 122 с.

76. ГОСТ Р 70473-2022 Автомобильные транспортные средства. Безопасность перевозки грузов. Прочность структуры кузова. Технические требования и методы испытаний : национальный стандарт Российской Федерации : дата введения 2023-04-01. / Федеральное агентство по техническому регулированию. Изд. официальное. Москва: Стандартинформ. 2023. 20 с.

77. Капралов В.М., Осипов А.В., Нгуен Н.Т. Эксперименты по оценке усталостной прочности конструкционных материалов и деталей машин // Транспортное машиностроение. 2018. № 8. С. 25-35.

78. Лю И, Гончаров Р.Б., Зузов В.Н. Сравнительное исследование напряжено-деформационных состояний склеенных и сварных конструкций автомобиля при ударных нагрузках // Вестник ЮУрГУ. Серия: Машиностроение. 2022. № 3. С. 64-77.

79. Степанов А.П. Проектирование амфибийных машин. М.: Изд-во Мегалион, 2007. 420 с.

80. Кочергин В.В., Буханцев А.А., Русанов О.А., Колесников К.В. Пути повышения прочности несущих конструкций экипажей несамоходных пассажирских вагонов // Вестник Института проблем естественных монополий: Техника железных дорог. 2020. №. 1. С. 44-49.

81. Аттетков А.В., Галкин С.В., Зарубин В.С. Методы оптимизации : Учеб. для вузов. 2-е изд. стереотип.-е изд. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2003. 440 с.

82. Bray J.W. Properties and selection: Nonferrous alloys and special purpose materials. ASM Metals handbook, 1990. 92 pp.

83. Khusiafan F.J. Use of KEVLAR® 49 in aircraft components // Engineering Management Research. 2018. No. 2. P. 14-19.

84. Ashby M.F., Evans T., Fleck N.A., Hutchinson J.W., Wadley H.N.G., Gibson, L.J.

Metal foams: a design guide. Elsevier, 2000. 251 pp.

85. Thianwiboon M. Optimization of a hybrid carbon/glass composites afterbody of the amphibious plane with finite element analysis // Engineering Journal. 2019. No. 5. P. 125-140.

86. Coackley N. Fishing Boat Construction, 2: Building a Fiberglass Fishing Boat. Food & Agriculture Org., 1991. 84 pp.

87. Huang Z., Li Y., Zhang X., et al. A comparative study on the energy absorption mechanism of aluminum/CFRP hybrid beams under quasi-static and dynamic bending // Thin-Walled Structures. 2021. No. 163. P. 107772.

88. Di Franco G., Zuccarello B. Analysis and optimization of hybrid double lap aluminum-GFRP joints // Composite Structures. 2014. No. 116. P. 682-693.

89. Sun G., Guo X., Li S., Ruan D., Li Q. Comparative study on aluminum/GFRP/CFRP tubes for oblique lateral crushing // Thin-Walled Structures. 2020. No. 152. P. 106420.

90. Xiao Z., Fang J., Sun G., Li Q. Crashworthiness design for functionally graded foam-filled bumper beam // Advances in engineering software. 2015. No. 85. P. 81-95.

91. Wang D. Streamline stiffener path optimization (SSPO) for embedded stiffener layout design of non-uniform curved grid-stiffened composite (NCGC) structures // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2019. No. 344. P. 10211050.

92. Гончаров Р.Б., Зузов В.Н. Особенности поиска оптимальных параметров усилителей задней части кабины грузового автомобиля на базе параметрической и топологической оптимизации с целью обеспечения требований по пассивной безопасности по международным правилам и получения ее минимальной массы // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2019. № 2. С. 163-170.

93. Ciampaglia A. Design and analysis of automotive lightweight materials suspension based on finite element analysis // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. 2021. No. 235. P. 1501-1511.

94. Еникеев Р.Д. К вопросу о создании перспективных технических средств преодоления водных преград // Вестник УГАТУ. 2019. № 4. С. 74-83.

95. Bhole G.P., Deshmukh T. Multi-criteria decision making (MCDM) methods and its applications // International Journal for Research in Applied Science & Engineering Technology. 2018. No. 6. P. 899-915.

96. Богданова П.А., Сахаров Д.М., Васильева Т.В. Обзор методов многокритериальной оптимизации в задачах принятия решений // Инновационные аспекты развития науки и техники. 2021. № 6. С. 153-157.

97. Gunantara N. A review of multi-objective optimization: Methods and its applications // Cogent Engineering. 2018. No. 5. P. 1502242

98. Воробьева М.В. Анализ методов многокритериального принятия решений // Региональная и отраслевая экономика. 2022. № 1. С. 24-28.

99. Siksnelyte I., Zavadskas E.K., Streimikiene D., et al. An overview of multi-criteria decision-making methods in dealing with sustainable energy development issues // Energies. 2018. No. 11. P. 2754.

100. Cho J.G., Koo J.S., Jung H.S. A lightweight design approach for an EMU carbody using a material selection method and size optimization // Journal of Mechanical Science and Technology. 2016. No. 30. P. 673-681.

101. НД 2-020101-114 Часть XVI. Конструкция и прочность корпусов судов из полимерных композиционных материалов. URL: https://meganorm.ru/Index2/1/4293732/4293732564.htm (дата обращения 01.01.2021)

102. Liang K., Cai W. Analysis and discussion of hull structure requirements of "Code for the Construction of Fiber Reinforced Plastic Ships" // China Ship Survey. 1994. No. 4. P. 20-25.

103. GB/T 28461-2012, Carbon fiber prepreg. URL: https://openstd.samr.gov.cn/bzgk/gb/newGbInfo?hcno=B9AF87C5EAA46269ED2 6780DC0DFBCE1 (дата обращения 06.04.2024).

ПРИЛОЖЕНИЯ

П. 1. НДС панелей днища кузова амфибийной машины Humdinga из различных материалов

НДС панелей днища кузова из различных материалов при прямолинейном движении по воде со скоростью 50 км/ч

Максимальное Среднее Среднее Средний

Материал панели перемещение, перемещение, напряжение, запас

мм мм МПа прочности

AL 5052 7,906 2,102 11,34 -

Epoxy Carbon UD 9,828 2,584 5,962 36,360

Epoxy E-Glass UD 18,39 4,513 7,493 23,007

Epoxy Kevlar UD 13,75 3,628 5,177 43,615

AL 5052/Alporas 3,107 0,855 6,942 -

Epoxy Carbon UD /PVC 3,194 1,206 3,275 68,231

Epoxy E-Glass UD /PVC 3,910 1,564 3,476 57,639

Epoxy Kevlar UD /PVC 4,191 1,723 2,780 91,843

НДС панелей днища кузова из различных материалов при вывешивании колес

Максимальное Среднее Среднее Средний

Материал панели перемещение, перемещение, напряжение, запас

мм мм МПа прочности

AL 5052 4,215 0,683 4,44 -

Epoxy Carbon UD 4,291 0,792 2,142 92,393

Epoxy E-Glass UD 7,369 1,288 2,293 78,289

Epoxy Kevlar UD 5,403 1,006 1,759 98,325

AL 5052/Alporas 1,493 0,249 3,728

Epoxy Carbon UD /PVC 2,009 0,351 1,775 122,150

Epoxy E-Glass UD /PVC 2,580 0,474 1,874 98,854

Epoxy Kevlar UD /PVC 2,688 0,489 1,510 130,38

П. 2. НДС днища кузова амфибийной машины Humdinga с каркасами с различными структурами

НДС днища кузова при прямолинейном движении по спокойной воде со

скоростью 50 км/ч

№ Максимальное перемещение, мм Среднее перемещение, мм Среднее напряжение, МПа Средний запас прочности

1 1.503 0.491 3.832 150.95

2 1.189 0.465 3.327 155.71

3 1.204 0.466 3.293 154.73

4 1.279 0.473 3.334 154.41

5 1.490 0.491 3.805 150.36

6 1.179 0.464 3.308 154.40

7 1.193 0.465 3.275 153.93

8 1.276 0.474 3.327 153.10

9 1.534 0.497 3.898 149.04

10 1.229 0.472 3.373 153.34

11 1.238 0.472 3.349 152.74

НДС днища кузова при вывешивании колес

№ Максимальное перемещение, мм Среднее перемещение, мм Среднее напряжение, МПа Средний запас прочности

1 1.162 0.148 1.837 301.86

2 1.156 0.137 1.696 321.58

3 1.156 0.137 1.690 325.52

4 1.157 0.137 1.693 336.74

5 1.159 0.138 1.672 301.99

6 1.163 0.148 1.843 319.51

7 1.162 0.147 1.840 324.03

8 1.156 0.136 1.708 332.66

9 1.157 0.136 1.700 301.06

10 1.159 0.138 1.688 321.89

11 1.158 0.148 1.839 324.58

П. 3. НДС днища кузова амфибийной машины Humdinga с каркасами с различными формами сечения

НДС днища кузова при прямолинейном движении по спокойной воде со

скоростью 50 км/ч

Сечение Максимальное перемещение, мм Среднее перемещение, мм Среднее напряжение, МПа Средний запас прочности

Т-образное сечение 1.0914 0.4280 3.1003 162.21

Двутавровое сечение 1.0937 0.4302 3.0686 162.13

Омегообразное сечение 1.0778 0.4226 3.0951 163.88

С-образное сечение 1.1042 0.4318 3.0751 162.12

7-образное сечение 1.1032 0.4332 3.0903 161.20

L-образное сечение 1.0931 0.4274 3.1027 162.48

НДС днища кузова при вывешивании колес

Сечение Максимальное перемещение, мм Среднее перемещение, мм Среднее напряжение, МПа Средний запас прочности

Т-образное сечение 1.1469 0.1305 1.6740 332.33

Двутавровое сечение 1.1426 0.1307 1.6524 336.71

Омегообразное сечение 1.1428 0.1296 1.6830 332.60

С-образное сечение 1.1414 0.1303 1.6606 335.47

7-образное сечение 1.1433 0.1303 1.6529 337.61

L-образное сечение 1.1457 0.1300 1.6789 332.32

П. 4. НДС днища кузова амфибийной машины Humdinga после добавления наполнителя

НДС днища кузова при прямолинейном движении по спокойной воде со

скоростью 50 км/ч

Материал и тип наполнителя Максимальное перемещение, мм Среднее перемещение, мм Среднее напряжение, МПа Средний запас прочности

Без наполнителя 1.1225 0.4380 3.0589 114.02

С дополнительной толщиной 1.0919 0.4267 2.9938 116.90

С больше размером сечения 0.9868 0.3904 2.7977 124.80

С наполнителем РУС, полностью 1.1160 0.4355 3.0447 114.47

С наполнителем РУС, частично 1.1176 0.4364 3.0488 114.29

С наполнителем пеноалюминий, полностью 1.1010 0.4297 3.0135 115.68

С наполнителем пеноалюминий, частично 1.1122 0.4344 3.0372 114.74

НДС днища кузова при вывешивании колес

Материал и тип наполнителя Максимальное перемещение, мм Среднее перемещение, мм Среднее напряжение, МПа Средний запас прочности

Без наполнителя 1.1396 0.1299 1.6806 334.70

С дополнительной толщиной 1.1353 0.1291 1.6708 338.74

С больше размером сечения 1.1238 0.1267 1.7136 342.80

С наполнителем PVC, полностью 1.1400 0.1299 1.6792 335.11

С наполнителем PVC, частично 1.1404 0.1300 1.6792 335.03

С наполнителем пеноалюминий, полностью 1.1390 0.1296 1.6785 335.92

С наполнителем пеноалюминий, частично 1.1397 0.1299 1.6788 335.42

П. 5. НДС днища кузова скоростной амфибийной машины Quadski в четырех экстремальных режимах (обшивка состоит из 4 слоев)

НДС днища кузова (передняя часть) при прямолинейном движении по спокойной

воде со скоростью 72 км/ч

Толщина препрега из углеродного волокна, мм Максимальное напряжение сжатия С(_), МПа Максимальное напряжение сдвига Тц, МПа Минимальный запас прочности

0.05 55.44 74.48 5.97

0.07 35.13 52.48 9.10

0.08 29.12 45.24 10.64

0.10 20.42 34.72 13.83

0.12 14.98 27.47 16.92

0.15 15.00 20.17 20.83

0.17 14.07 16.81 23.83

0.19 12.83 14.81 27.03

0.21 11.49 13.38 30.50

0.25 8.92 10.94 40.16

0.50 1.72 3.97 59.26

НДС днища кузова (передняя часть) при движении против волны

Толщина препрега из углеродного волокна, мм Максимальное напряжение сжатия С(_), МПа Максимальное напряжение сдвига Тц, МПа Минимальный запас прочности

0.05 96.95 100.83 2.34

0.07 50.83 73.72 2.69

0.08 46.68 65.53 2.89

0.10 46.20 53.25 3.36

0.12 44.72 44.10 3.93

0.15 46.40 33.96 4.87

0.17 46.28 28.92 5.39

0.19 44.57 27.69 5.92

0.21 41.86 26.43 6.44

0.25 35.00 23.68 7.49

0.50 10.46 10.79 13.77

НДС днища кузова (средняя и задняя части) при прямолинейном движении по

спокойной воде со скоростью 72 км/ч

Толщина препрега из углеродного волокна, мм Максимальное напряжение сжатия С(_), МПа Максимальное напряжение сдвига Тц, МПа Минимальный запас прочности

0.05 132.05 74.48 3.06

0.07 80.74 52.48 5.01

0.08 65.99 45.24 6.12

0.10 46.55 34.72 8.68

0.12 34.48 27.47 11.74

0.15 24.59 20.17 16.51

0.17 23.54 16.81 17.08

0.19 22.15 14.81 17.99

0.21 20.62 13.38 19.17

0.25 17.49 10.94 22.24

0.50 5.62 3.97 44.93

НДС днища кузова (средняя и задняя части) при вывешивании колес

Толщина препрега из углеродного волокна, мм Максимальное напряжение сжатия С(_), МПа Максимальное напряжение сдвига Тц, МПа Минимальный запас прочности

0.05 104.14 83.12 3.86

0.07 86.67 64.87 4.82

0.08 80.13 57.94 5.13

0.10 72.75 47.11 5.46

0.12 68.15 39.16 5.84

0.15 61.24 32.23 6.48

0.17 56.87 29.37 6.94

0.19 52.82 27.21 7.27

0.21 50.93 25.46 7.56

0.25 47.38 23.69 8.03

0.50 30.41 15.20 12.03

П. 6. НДС днища кузова скоростной амфибийной машины Quadski в четырех экстремальных режимах (обшивка состоит из 2 слоев)

НДС днища кузова (передняя часть) при прямолинейном движении по спокойной

воде со скоростью 72 км/ч

Толщина препрега из углеродного волокна, мм Максимальное напряжение сжатия С(_), МПа Максимальное напряжение сдвига Тц, МПа Минимальный запас прочности

0.05 176.52 157.83 2.09

0.07 117.88 109.82 3.17

0.08 100.03 94.92 3.73

0.10 75.65 74.13 4.91

0.12 59.92 60.27 6.17

0.15 44.11 46.29 8.31

0.17 36.55 39.62 9.97

0.19 30.52 34.30 11.90

0.21 25.60 29.97 13.23

0.25 18.56 23.38 14.90

0.50 8.36 8.75 26.94

НДС днища кузова (передняя часть) при движении против волны

Толщина препрега из углеродного волокна, мм Максимальное напряжение сжатия С(_), МПа Максимальное напряжение сдвига Тц, МПа Минимальный запас прочности

0.05 344.42 242.54 1.04

0.07 201.71 157.22 1.76

0.08 159.99 131.07 2.20

0.10 107.12 97.16 2.81

0.12 76.88 78.73 3.07

0.15 58.45 64.18 3.43

0.17 52.35 57.10 3.69

0.19 46.76 51.21 3.97

0.21 44.60 46.14 4.29

0.25 50.63 37.82 4.99

0.50 42.41 23.59 7.57

НДС днища кузова (средняя и задняя части) при прямолинейном движении по

спокойной воде со скоростью 72 км/ч

Толщина препрега из углеродного волокна, мм Максимальное напряжение сжатия С(_), МПа Максимальное напряжение сдвига Тц, МПа Минимальный запас прочности

0.05 340.78 167.51 1.18

0.07 210.86 109.82 1.91

0.08 173.38 94.92 2.33

0.10 124.85 74.13 3.24

0.12 95.39 60.27 4.23

0.15 68.16 46.29 5.91

0.17 56.06 39.62 7.18

0.19 46.85 34.30 8.57

0.21 39.69 29.97 10.11

0.25 29.33 23.38 13.66

0.50 16.56 8.75 22.41

НДС днища кузова (средняя и задняя части) при вывешивании колес

Толщина препрега из углеродного волокна, мм Максимальное напряжение сжатия С(_), МПа Максимальное напряжение сдвига Тц, МПа Минимальный запас прочности

0.05 117.84 85.61 1.93

0.07 103.17 77.35 2.10

0.08 96.66 73.23 2.19

0.10 85.24 65.44 2.37

0.12 75.84 58.45 2.55

0.15 64.52 49.59 2.85

0.17 58.71 44.66 3.05

0.19 53.71 40.40 3.27

0.21 49.90 36.70 3.50

0.25 44.09 30.70 3.99

0.50 31.12 18.23 7.78