Компьютерное моделирование и изучение поведения под нагрузкой несущей конструкции автомобиля УАЗ
В данной статье речь пойдет об исследованиях динамики и прочности рамных конструкций современных транспортных машин. Эта работа выполнена в Оренбургском государственном университете в рамках исследований, проводимых в этом учебном заведении по заказам промышленных предприятий. Но, как нам кажется, полученные результаты и выводы носят не только частный характер, а служат примером выполнения современных проектно-исследовательских работ, без которых невозможно создать механическое оборудование, не уступающее по своим техническим характеристикам лучшим мировым образцам.
Для того чтобы подчеркнуть актуальность проводимых исследований, отметим, что транспортное машиностроение, к сфере которого относится объект исследований, существенно отличается от других отраслей машиностроения. Его особенность состоит в том, что внешние нагрузки, действующие на конструкцию, переменны во времени и прилагаются с определенной частотой, зависящей от скорости движения, фактической нагрузки, состояния дороги и от многих других факторов. При этом во время эксплуатации возможны резонансные явления, которые могут привести к высоким, по отношению к номиналу, напряжениям и ко многим другим нежелательным явлениям. Переменный характер внешних нагрузок ведет к периодическому изменению напряжения, что, в свою очередь, способствует возникновению усталостных трещин, рост и развитие которых вызывает усталостное разрушение.
Понятно и то, что испытания такой техники на полигоне весьма дороги и без подробных сведений о напряженно-деформированном состоянии моделей малоэффективны. Наименее затратным методом проектирования подобных конструкций является использование современных CAE-систем.
Очевидно, что с помощью систем автоматизированного проектирования можно создавать модели различных конструкций и проверять их свойства на компьютере до запуска их в производство, что позволяет существенно снизить число ошибок проектирования и ускорить появление продукта на рынке.
Объектом исследования в данном случае являлась рама автомобиля УАЗ-3741. Эта работа была выполнена в связи с расширением модельного ряда автомобилей, изменением их функционального назначения и улучшением качества, что требует внесения изменений как в отдельные элементы рамы, так и в конструкцию в целом.
Рама (рис. 1) состоит из двух лонжеронов и шести поперечин, которые представляют собой жесткие стержневые элементы замкнутого и незамкнутого контура и имеют довольно сложную форму поперечного сечения. Указанные элементы получены штамповкой из листового металла толщиной 3-4 мм и более. Соединение элементов в конструкции осуществляется сваркой. Моделирование конструкции проводились в среде APM WinMachine. Отдельные элементы конструкции создавались с использованием параметрических программ построения моделей. Лонжероны моделировались стыковкой в единое целое 18 стержней, имеющих различную высоту сечения.
Нагрузки от действия на раму подрессоренных масс (кузов, двигатель, коробка скоростей и т.д.) прилагала в узлах, соответствующих местам крепления агрегатов, для чего проводили дополнительную разбивку отдельных стержневых элементов рамы. Расчет рамы производили по симметричной — автомобиль на ровной дороге (рис. 2) и кососимметричной — одна сторона автомобиля на обочине (рис. 3) схемам приложения нагрузок. Разницу в величине нагрузки на правый и левый лонжероны (около 60 кг) не учитывали ввиду ее незначительной асимметрии. Опоры размещали в местах крепления к лонжеронам кронштейнов рессор (по четыре с каждой стороны). Конструкции опор рассматривали в двух вариантах: жесткая заделка в местах крепления и установка опор заданной податливости в трех направлениях.
Расчет выполняли методом конечных элементов при помощи модуля APM Structure 3D, который входит в состав системы APM WinMachine. На первом этапе рама была смоделирована набором стержневых элементов, а разбивка на конечные элементы проводилась автоматически. При этом в каждом сечении число конечных элементов достигало 3200, а по длине каждый из элементов сборки разбивался на 30 линейных участков, что обеспечивало достаточный уровень точности. Следует отметить, что количество элементов, полученных генератором разбиения APM Structure 3D, — величина управляемая. Учет собственного веса рамы проводился автоматически благодаря функции, встроенной в модуль APM Structure 3D.
В результате расчета при статическом действии нагрузки были получены численные значения и эпюры внутренних силовых факторов, действующих в конструкции; карта эквивалентных напряжений и перемещений в раме; распределение напряжений по поперечным сечениям элементов рамы. Кроме того, были рассчитаны собственные частоты колебаний рамы для 16 форм.
Наиболее нагруженными частями рамы оказались лонжероны вблизи мест установки кронштейнов рессор, при этом максимальные их значения по обеим схемам нагружения не превышали 90 МПа. Кососимметричное приложение нагрузки вызывало значительный крутящий момент в сечениях передней части рамы и соответствующие ему перемещения.
При расчетах конструкции рассматривались и различные схемы нагружения, связанные с наездом одного колеса на бугор либо с попаданием колеса в канаву. На рис. 4 представлена карта напряжений и деформаций для одного из таких нагружений.
Проведенные исследования напряженно-деформированного состояния конструкции при статическом действии нагрузок для различных вариантов нагружения позволили оценить чувствительность модели к изменению условий закрепления рамы: рассчитанные величины эквивалентных напряжений в опасных сечениях различаются более чем в два раза (в меньшую сторону) при переходе от опор с заданной податливостью в трех направлениях по сравнению с жестким закреплением. Податливость рессоры в трех направлениях определяли расчетным и экспериментальным методами. Отмеченная зависимость должна использоваться при выборе оптимальной конструкции рамы.
В настоящее время широко используется способ экспериментального исследования прочности рамных конструкций при испытании локальных моделей отдельных узлов. Выбор варианта нагружения того или иного узла может быть выполнен более точно с учетом результатов численных значений внутренних силовых факторов, полученных на модели. На рис. 5 приведена эпюра изгибающего момента в вертикальной плоскости, позволяющая определить наиболее нагруженные участки лонжеронов. Значения изгибающего момента могут быть выведены как в табличном виде, так и на эпюре.
Безусловно, определяющее влияние на прочность рамы и ее отдельных узлов оказывают динамические нагрузки. Расчеты при конструировании обеспечивают достаточную прочность деталей при статическом нагружении или эпизодических динамических перегрузках, но не гарантируют их усталостную прочность при длительном воздействии переменных нагрузок. В результате обследования трех рам, имевших пробег от 80 до 120 тыс. км, было выявлено наличие усталостных трещин в верхних полках лонжеронов вблизи кронштейнов рессор и в местах их соединения с поперечинами. Их появление вызвано вибрацией конструкции вследствие воздействия неровностей дороги. Преобладающие частоты вибраций автомобилей определяются жесткостью рессор и шин, несущей конструкцией и нагрузкой. Эти частотные диапазоны имеют порядок от одного до нескольких герц для рессор, от 10 до 20 Гц — для шин и от 50 до нескольких сотен герц для узлов конструкции. Рассчитанный спектр собственных частот и соответствующих форм собственных колебаний показал, что для данной конструкции наиболее неблагоприятен диапазон частот от 80 до 150 Гц. Соответствующие формы указывают на слабые места в лонжеронах и узлах конструкции. При этом для более полного представления следует иметь данные и о поперечных колебаниях рамы, как правило, не учитываемых во многих исследованиях.
Результаты натурных испытаний рамы при статическом воздействии нагрузок совпали с результатами модельного эксперимента: расхождение в величине напряжений не превышало 20%. Нагрузки к раме прилагали посредством специально разработанного силонагружателя, снабженного тарированным динамометром. Координаты приложения нагрузок и их величина совпадали с модельным экспериментом. Напряжения определяли тензометрированием, что тоже вносило определенную погрешность в результат эксперимента. Полученные выводы позволили внести необходимые изменения и дополнения в дальнейшую работу.
Как было отмечено выше, проведенное нами моделирование базировалось на использовании стержневой модели. Естественно, это не единственно возможный вариант представления рамной конструкции. Такую конструкцию можно смоделировать еще и в виде набора пластин либо твердотельных элементов. В системе APM Structure 3D это можно сделать достаточно просто, но в качестве инструмента для создания модели и разбивки ее на конечные элементы лучше применять редактор APM Studio.
Пластинчатый вариант рамы, созданный в APM Studio, показан на рис. 6. В этом же редакторе можно разбить модель на конечные элементы с использованием генератора разбиения, встроенного в трехмерный графический редактор (рис. 7). В результате получается конечно-элементная модель, подготовленная для расчета напряженно-деформированного состояния.
Для того чтобы выполнить этот расчет, модель может быть экспортирована в модуль APM Structure 3D, где следует указать вид нагрузки, точки ее приложения и условия закрепления отдельных узловых точек конструкции. Подготовленная таким образом к расчету рама может быть рассчитана. Результаты расчета в форме карт напряжений и полей перемещений (рис. 8) представляют большой интерес для анализа.
Если говорить о солид-модели (твердотельной), то она также может быть реализована с применением редактора APM Studio, но такой вариант представления не является рациональным по той причине, что элементы рамной конструкции имеют малую толщину по сравнению с другими ее линейными размерами. Очевидно, что из-за малой толщины пластины относительно других ее линейных размеров разбиение ее по толщине не имеет практического смысла. Если же реализовать объемную разбивку на конечные элементы, то число таких элементов будет неоправданно большим, а время расчета увеличится многократно. По этой причине в модуле APM Studio предусмотрены два вида объектов: объекты, которые можно описать набором пластин и оболочек, и объекты, которые можно представить как солид-элементы, что, на наш взгляд, очень удобно.
Для большей надежности и достоверности результатов работа по расчету напряженно-деформированного состояния была выполнена также в известном пакете прочностного анализа ANSYS. Результаты статических расчетов, как и ожидалось, оказались близкими. Поскольку Оренбургский государственный университет является зарегистрированным пользователем учебной версии системы APM WinMachine, то у нас есть возможность проводить не только учебные занятия, но и проектно-исследовательские работы на лицензионном программном обеспечении. Справедливости ради следует сказать, что учебная версия при существенно более низкой стоимости по функциональным возможностям не отличается от коммерческой.
В заключение отметим, что весь запланированный объем работ по статике и динамике нам удалось выполнить в отечественной системе APM WinMachine — дорогие аналогичные CAE-системы зарубежных разработчиков нам не потребовались.
