автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Метод определения прочностных свойств кузова автобуса, выполненного с использованием слоистых композиций

На правах рукописи

БЫЧКОВ Алексей Владимирович

Метод определения прочностных свойств кузова автобуса, выполненного с использованием слоистых композиций.

Специальность 05.05.03 -колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 2 Я Н В 2012

Москва 2011

005007053

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете

«МАМИ»

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Осипов Н.Л.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Зузов В.Н. кандидат технических наук, Бакланов В.С.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «МГИУ».

Защита диссертации состоится 16 февраля 2012 года в 14— на заседании диссертационного Совета Д 212.140.01 при Московском государственном техническом университете «МАМИ» по адресу: 107023, г. Москва, ул. Б. Семеновская, д. 38, МГТУ «МАМИ», ауд. Б-304.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского государственного технического университета «МАМИ» по адресу: 107023, г. Москва, ул. Б. Семеновская, д. 38.

Ваши отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью организации, просьба высылать в адрес ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «22 » декабря 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Щетинин Ю.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В данной работе исследуется возможность усовершенствования автобусных кузовов путем использования в их несущих системах трехслойных конструктивных элементов. В настоящее время в мировой практике появляются новые компоновочные схемы автобусов на основе несущих кузовов, которые позволяют уменьшить их общую массу при одновременном увеличении несущей способности, прочностной надежности и ресурса. В связи с этим инновационными мероприятиями являются использование высокопрочных коррозионностойких легированных сталей, композиционных материалов, разработка слоистых композиций на основе этих материалов.

Актуальность предложенной темы и выполненной диссертационной работы состоит в разработке методов проектирования перспективных конструкций кузовов автобусов, сформированных из слоистых композиций в виде панелей, оболочек и трехмерных объектов. Эти конструктивные элементы предназначены для одновременного выполнения суммы функций, а именно несущих, тепло-, вибро- и шумоизо-лирующих.

Использование слоистых конструкций особенно эффективно в рамках современных тенденций к созданию кузовов типа «монокок», где все силовые элементы в равной степени интегрированы в несущую схему. Указанная концепция позволяет выработать подходы к созданию кузовов с существенно меньшей массой, со значительно большей жесткостью, прочностью и долговечностью по сравнению с традиционными каркасно-листовыми силовыми схемами. Вместе с тем, предложенное направление не отменяет традиционных схем кузовов.

Цель представленной работы - в научном и практическом плане решить важную техническую задачу по совершенствованию кузовных конструкций путем создания их теоретических моделей, анализа и обоснованного выбора улучшенных прочностных, жесткостных и эксплуатационных свойств. В связи с основной целью работы ставились и решались задачи по определению важнейших механических свойств слоистых (в основном трехслойных) композиций. При этом особое внимание уделялось изучению возможности образования технологических дефектов и эксплуатационных повреждений в трехслойных несущих элементах. Целенаправленно исследовалось влияние этих неправильностей на снижение эксплуатационных свойств слоистых композиций. Этим же целям служит и проведение в данной работе специальных натурных экспериментов. Помимо целей, состоящих в повышении прочностной надежности конструкций, в работе ставилась и решалась задача пассивной безопасности как традиционной, так и перспективной расчетной схемы кузова.

Объектом исследования в данной работе является кузов автобуса перспективной конструктивной схемы в рамках концепции широкого использования слоистых композиций, таких как трехслойные панели, оболочки, балки и объемные тела, а также высокопрочных легированных сплавов и тонколистового проката для их каркаси-рования.

Предметом исследования является напряженно-деформированное состояние кузова автобуса, выполненного по принципу «монокок» как по традиционной каркас-но-листовой схеме, так и с использованием слоистых композиций.

Практическая значимость данной диссертационной работы заключается в научно обоснованной разработке перспективных конструкций автобусных кузовов, сформированных из слоистых элементов, а также кузовов традиционного каркасно-листового типа, которые обладают повышенной прочностной надежностью при меньшем весе. Применение таких конструкций безусловно экономически более прогрессивно вследствие меньшей материалоемкости и низких эксплуатационных затрат.

Научная новизна данной работы состоит в следующем:

1. На основе программных комплексов ДИАНА и КА8ЖАЫ разработана математическая конечно-элементная модель несущего кузова автобуса типа «монокок», позволяющая с минимальными, командно-автоматическими изменениями проводить численные эксперименты по исследованию несущей способности различных вариантов моделей кузова.

2. Установлено, что автобусные кузова, сформированные на основе трехслойных конструктивных элементов, имеют существенный выигрыш в весе при равной жесткости и прочности по сравнению с кузовами традиционного каркасно-листового строения.

3. На основе разработанной методики установлены жесткостные параметры трехслойных композиций, соответствующие действующим нагрузкам в экстремальных расчетных случаях.

4. Теоретически установлен эффект искривления сотового слоя заполнителя в направлении, перпендикулярном действию внешнего изгибающего момента, что вызывает дополнительные нормальные напряжения в несущих слоях трехслойных панелей при их поперечном изгибе. Также установлено расчетно-опытным путем влияние высоты сотового заполнителя на проявление данного эффекта. Учет этого обстоятельства необходим при корректном определении запасов прочности панелей.

5. Теоретически установлено и экспериментально проверено влияние технологических дефектов типа непроклея на границах несущих слоев с заполнителем. Обнаружено явление локальной потери устойчивости несущих слоев в области пятна непроклея.

6. Разработана упрощенная модель распространения трещины, распространяющийся по клеевому слою от границ пятна непроклея. Установлена зависимость между формой и площади пятна непроклея и критическим значением длинны трещины.

7. Разработана конструкция бампера автобуса в виде трехслойной композиции, обладающая высокими энергопоглощающими свойствами.

8. Установлено, что слоистые композиции как несущие элементы автобусного кузова имеют более высокую энергопоглощающую способность по сравнению с каркасно-листовой моделью при одинаковых весовых показателях.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, подтверждается многократными проверками разработанных математических моделей путем постановки на их основе большого количества разнообразных тестовых численных экспериментов, сопоставлением теоретических результатов с результатами натурных экспериментов.

На защиту выносятся:

1. математическая модель, созданная на основе метода конечных элементов и позволяющая с высокой точностью имитировать процессы статической и динамической деформации конструкции кузова автобуса, формируемой при проектировании как по традиционной каркасно-листовой, так и по предложенной концептуальной схеме с использованием слоистых композиций.

2. способ и результаты исследования механических свойств сотового заполнителя и слоистых конструкций.

3. математическая модель разрушения трехслойных панелей с начальными неправильностями в виде технологических повреждений в контексте влияния их на несущую способность кузовной конструкции.

4. конструкция переднего бампера автобуса в виде слоистой композиции с высокой степенью энергопоглощения.

5. обоснование преимуществ слоистых конструкций на основе сотовых заполнителей в части шумо- и виброизоляции салона автобуса.

Апробация работы состоялась на следующих конференциях в виде докладов и обсуждений:

- «АВИАКОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ» «АКТ-2006», Воронеж, 2006.

- 4-я Всероссийская научно-практическая конференция «Применение ИПИ - технологий в производстве» Москва, 2006.

- 7-я Международная интернет-конференция молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения (МИКМУС 2006) Москва,2006.

- 4-я Всероссийская конференция «Необратимые процессы в природе и технике» Москва, 2007.

- 62-я международная научно-техническая конференция на тему "Перспективы развития отечественного автомобилестроения. Конструктивная безопасность автотранспортных средств". Дмитров, 2008.

- 13-й научный межвузовский семинар «Геометрия и расчет тонких оболочек неканонической формы», (РУДН) Москва, 2011.

- научный семинар на кафедре «Автомобили» Московского государственного технического университета «МАМИ».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Объем и структура работы. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, приложений. Работа содержит 218 страниц машинописного текста, в том числе 220 рисунков, 21 таблиц. Список литературы содержит 114 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируются цели и задачи предлагаемой работы. Указывается, что доминирующей среди новых компоновочных схем кузовов автобусов является вагонная компоновка по принципу «монокок». Подчеркивается, что снижение массы таких автобусов достигается в основном облегчением кузова за счет отсутствия в его конструкции массивных и тяжелых рам и несущих оснований. При этом, как следствие, улучшаются жесткостные, прочностные и ресурсные показатели конструкции.

Особое внимание уделяется вопросам инновационного проектирования автобусных кузовов на базе научно-обоснованных критериев оценки прочности, а также технологичности и их экономических, эксплуатационных качеств.

Важное место во введении отводится методологическим приемам и способам исследования и решения поставленных задач. Акцент в работе делается на численные эксперименты над разработанными автором математическими моделями кузова автобуса.

Определены объект и предмет исследования данной работы, обоснована ее научная новизна, а также сведения об апробации, практической значимости, достоверности и использовании результатов работы. Приводится объем и структура работы. Формулируются положения, выносимые на защиту.

В первой главе содержится анализ проблемы по теме диссертации. Прежде всего дается четкое определение кузова автобуса, его предназначение, геометрическая и конструктивная характеристика. Приводится сложившаяся на сегодняшний день классификация автобусных кузовов. Указаны основные преимущества и недостатки конструктивных схем кузовов в рамках этой классификации. В общих чертах описаны силовые схемы различных типов кузовов, их несущих элементов, а также технологических особенностей изготовления и сборки. Отмечено, что в настоящее время наиболее рациональным способом сборки кузова является сварка, причем во избежание коробления конструкции следует использовать точечную сварку. Описаны два подхода к сварочному креплению панелей к элементам каркаса, а именно, при обычной температуре, либо с термообработкой и последующим охлаждением. Удорожание второго способа приводит в конечном итоге к более качественным соединениям и, как следствие, дает существенный выигрыш в ресурсе готового изделия. Этим вопросам посвящены работы отечественных авторов: Атояна K.M., Балабина И.В., Благодарного Ю.Ф., Воронцовой Н.И., Гельфгата Д.Б., Гирудского О.И., Гольда В.В., Григолюка Э.И., Калмыкова Б.Ю., Когана Е.А., Кудрявцева С.Н., Кулакова H.A., Ли-

6

зина В.Т., Мельникова О.В., Никульникова Э.Н., Оболенского Е.П, Орлова A.JL, Осепчукова В.В., Ошнокова В.А., Рябчинского А.И., Стефановича Ю.Г., Трофимова О.Ф., Школьникова Б.Н.

Указывается, что проблема совершенствования конструкций несущих автобусных кузовов относится к разряду наиболее трудоемких и сложных. Рассматриваются три фундаментальных пути решения этой проблемы - расчетно-теоретический, основанный на адекватных численных экспериментах, затем - дорожные испытания и третий путь - стендовые испытания. Отмечено, что наиболее прогрессивным является первый подход. Этим вопросам посвящены работы таких авторов: Агапов В.П., Александров А.Я., Благодарный Ю.Ф., Бочаров В.Н., Воронков О.В., Воронцов Н.И., Ги-рудский О.И., Гудцов В.Н., Зузов В.Н., Коблев В.Н., Луканин В.Н., Никульников H.H., Песков В.И., Талаев Д.Е., Хорычев A.A., а так же работы зарубежных авторов: Crocker J., Dulac A., Eklund P., Emmons B.J.,Helton P., Lascoup Ä., Pascoe D., Simunov-ic S., Verwoerd M., Vilpas M.

В результате проведенного анализа информации устанавливается, что в настоящее время в мировой практике наиболее прогрессивным является способ создания автобусного кузова на основе композиционных структур различного рода. Как показывает международный опыт, в данный момент наблюдается прорыв, связанный с применением в них материалов высокой удельной прочности. Особенно заметными становятся их преимущества при создании сверхлегких автобусных кузовов типа «монокок».

В связи с применением таких сверхлегких структур отмечено чрезвычайно важное обстоятельство - все они имеют превосходные усталостные характеристики, следовательно, повышенную эксплуатационную надежность и долговечность. Значение первой частоты их собственных колебаний оказывается в несколько раз выше, чем у традиционных каркасно-листовых конструкций. К тому же, такой большой срок службы слоистых композиций обеспечивается за счет равномерного подкрепления несущих слоев заполнителем, что исключает такие концентраторы напряжений как заклепки, болты и т.п.

Проведен подробный анализ информационных источников по поводу свойств новейших слоистых композиций в части обеспечения пассивной безопасности. При этом указывается, что их применение позволяет расширить внутреннее пространство салона за счет устранения большого числа подкрепляющих элементов. Это в свою очередь служит повышению комфортности салона.

Использование слоистых композиций при производстве автобусов обеспечивает широкую интеграцию функций этих элементов, так как они одновременно служат несущими, тепло-, вибро- и шумоизолирующими элементами конструкции. Эта особенность позволяет отказаться от дорогостоящих мероприятий по улучшению соответствующих свойств изделий. Рассматриваются и другие преимущества использования слоистых композиций в кузовостроении таких, как возможность резкого сокра-

щения числа деталей, повышение точности сборки, высокий эксплуатационный эффект.

Отмечены недостатки слоистых композиций, связанные с физическими процессами старения клеевых пленок и слоев припоя, с повышенными требованиями к точности при сборке, со склонностью к образованию непроклеев и т.п.

Подробно освещены новейшие мировые концепции в разработке автобусов на базе слоистых структур различного рода. Оценены их несомненные достоинства и очевидные преимущества перед классическими стрингерно-листовыми структурами.

Во второй главе приведено описание типовой конструкции прототипа кузова как физического объекта исследования, на примере которого производится отработка предложенной концепции усовершенствования. Назначаются и подробно рассматриваются расчетные случаи, определяющие статическую, динамическую прочность конструкции и ее сопротивление усталости, а также пассивную безопасность. В соответствии с поставленной задачей подробно описаны устройство и основные несущие элементы кузова, а также узлы, подлежащие модификации. Описаны физико-механические свойства материалов, применяемых в прототипе кузова.

Отмечается, что в соответствии с современной концепцией кузов автобуса должен изучаться как основной элемент системы обеспечения эксплуатационной надежности и пассивной безопасности.

Приводятся и обосновываются основные расчетные случаи, в рамках которых был проведен сравнительный анализ конструкции прототипа и новой, перспективной конструкции. К ним относятся:

1. Опрокидывание автобуса.

2. Наезд на препятствие передними колесами одновременно.

3. Наезд передними колесами на препятствие разного уровня.

4. Лобовое столкновение с неподвижным препятствием.

5. Боковое столкновение с автомобилем.

Так как задача о расчете конструкции на ударную нагрузку содержит в себе много трудностей, то в ряде случаев ударная нагрузка имитировалась как квазистатическая с определенным заранее коэффициентом перегрузки. В тех случаях, где был необходим анализ динамического состояния и особенно деформация в зоне контакта соударяющихся тел, решалась непосредственно задача с реальным импульсным на-гружением.

На каждый расчетный случай приведены значения максимальных нагрузок. Подробно описаны сценарии как экстремальных эксплуатационных, так и аварийных случаев (рис. 1,2,3).

Следует отметить, что в экстремальных эксплуатационных случаях, таких как наезды на препятствия, нами закладывается возможность образования в перенапряженных узлах конструкции пластических деформаций, хотя в зарубежных нормах

прочностной надежности это обстоятельство исключается. На наш взгляд, такая излишняя осторожность приводит к перетяжелению конструкции без надежных гарантий от появления пластических шарниров в этих узлах.

рис. 1 Реальный аварийный случай опрокидывания и его расчетная модель.

рис. 2 Реальный аварийный случай столкновения и его расчетная модель.

рис. 3 Реальный аварийный случай бокового столкновения и его расчетная модель.

В третий главе приводятся основные уравнения, определяющие математическую модель конструкции кузова автобуса в части ее прочностных свойств, методы решения основной и вспомогательных задач механики деформируемого твердого тела и строительной механики машин применительно к сложной, многократно статически неопределимой несущей системе. Геометрические соотношения, используемые в работе предполагают наличие больших значений деформаций:

Ч) = + ЩА + «тДЫтД и=1,2,3,

где £ - компоненты линейной деформации точки, и - компоненты вектора перемещений точки.

Уравнения равновесия предполагают динамическое протекание процесса де-

формации:

где <т - нормальные напряжения, Х- объемные силы, отнесенные к единице массы, р -плотность материала, t - время.

Используемый в работе физический закон связи между напряжениями и деформациями учитывает любую достигаемую в расчетных случаях упругую и пластическую деформации:

de^dtf + defj-^Sv + M^

SU ~ stf - Pif - Sy = <Гу - 0ц<г0 ,

где

dptj - A(f de[)defjf ^ =

Для исследования процессов развития и накопления локальных пластических деформаций в зонах концентрации напряжений при экстремальных эксплуатационных случаях, таких как наезды на препятствия, в работе предложен вариант теории, основанный на корректированном законе Нейбера:

йЧ,=+1 ^Г1 а,

где А, С;, С2, п,Е- параметры материала.

Путем объединения и совместного решения этих уравнений на каждом малом шаге нагружения отслеживается вся история процесса упруго - пластического деформирования в очаге концентратора.

Также предложен вариант критерия поврежденное™ материала деформационного типа:

— = в(еПг-ev - : dsf J'Si j

где со - функция, характеризующая скалярную меру поврежденное™ материала, ко-

где о) - функция, характеризующая скалярную меру поврежденности материала, которая монотонно возрастает при увеличении пластической деформации (равна нулю при ее отсутствии и единице - при разрушении, т.е. при достижении деформацией значения предельной пластичности); /? - нормирующий множитель; у -физическая константа материала (коэффициент нелинейности); г? - интенсивность тензора пластических деформаций.

Указанный критерий при определенных значениях параметров сводится к критерию Коффина - Мэнсона.

Приведенные здесь уравнения используются в данной работе в рамках программных комплексов ДИАНА и КЛЯТВАМ

Оценка сопротивления элементов конструкции кузова автобуса усталости проводится в детерминированном и вероятностном аспектах. В первом случае обобщенное уравнение меры поврежденности Ок материала при произвольном спектре нагружения использовалось в виде:

=

VI

N2

+^ л.

+ ■■• +

Пк Nk

»к

, где

и+1

ню

N1, и/ - разрушающее и рабочее число циклов в данном спектре.

Во втором случае расчет долговечности узлов корпуса автобуса, выраженный в блоках нагружения, ведется по формуле:

д _ аР<^"дЦо

где т — параметр кривой выносливости, ар - определенная в статистическом аспекте правая часть модифицированного закона Майнера, Л'б - общее количество циклов в блоке, X - число блоков нагружения.

Основная система уравнений метода конечных элементов принимается в виде:

[М]{ Ад] + + [К + Ки + Ка]Ш = Шр) + {А<3"}

где [М], [й], [К+Ки+Ка] - матрицы масс, демпфирования, жесткости соответственно; {АО1} - вектора консервативной и неконсервативной сил соответственно.

В четвертой главе решаются вопросы деформативности сотового слоя в трехслойных композициях. В соответствии с принятой концепцией замены тонколистовой обшивки трехслойными панелями необходимо заранее расчетно-экспериментальным путем обеспечить высокие жесткостные и прочностные свойства используемых трехслойных композиций. Для имитации сотового слоя (рис. 4) была применена модель объемной анизотропной среды, упругие свойства которой определяются посредством матрицы Г, содержащей не учитываемые ранее физические параметры Еху, Оху.

г =

Е„ Е. ! 0 ! о г 0 1 о

Е„] 0 [ 0 ; 0 1 0

! Ёи 1 о ! б 1 о" -1 1. - и л

: !с^ | о | о

: : ! о

I 1 1 1С 1 1 1 1 2Х

Разработан метод пересчета жесткостных свойств реального сотового слоя в эквивалентные физические параметры анизотропии приведенного слоя. При этом обнаружен эффект сложного искривления этого слоя, связанный с введением в расчет более полной матрицы Г упругих свойств. Сравнение деформаций приведенного и реального слоев обнаруживает их полную идентичность.

Изучено влияние геометрических и физических параметров клеевого слоя, посредством которого соединены заполнитель и наружные обшивки слоистой композиции, на ее несущую способность. С этой целью разработана специальная математическая модель пятислойного пакета с двумя клеевыми слоями, в которой предполагалось, что клей работает лишь на растяжение-сжатие в направлении нормали к плоскости пакета и на сдвиг в плоскости пакета. С этой целью предварительно определялись

коэффициенты сдвиговой жесткости: Сх=Су=— и жесткости на растяжение

С=№, где Е - модуль упругости первого рода, в - модуль сдвига, Г и Ь - толщина и площадь клеевого слоя соответственно. Проведенное исследование показывает, что влияние клеевого слоя заметно лишь по периметру дефектов типа отслоения обшивки.

Предложена также модель распространения трещины произвольного очертания в плане в клеевом слое. По известным формулам вычисляются коэффициенты интенсивности напряжений при комплексном нагружении и прогнозируются критические состояния трещины.

В пятой главе разрабатываются математические модели кузова автобуса выполненного по традиционной каркасно-листовой схеме и кузова с использованием трехслойных панелей.

Тестирование конструкции прототипа кузова выявило его недостаточную несущую способность и неудовлетворительный ресурс даже на эксплуатационных режимах.

В расчетном случае опрокидывания в конструкции прототипа обнаружены недопустимо большие перемещения (рис. 4).

В соответствии с концепцией последовательного усовершенствования матема-

тическая модель кузова прототипа была доработана путем создания дополнительного замкнутого кессона и изменения геометрии шпангоутов. Эти мероприятия значительно усилили конструкцию кузова, однако основные параметры прочностной надежности оставались в ряде эксплуатационных случаев неудовлетворительными.

В связи с этим математическая модель каркасно-листового кузова автобуса была переработана с использованием несущих трехслойных панелей и замкнутых шпангоутов, образующих плоские кольца (рис. 5, 6). Эти изменения обеспечили большую жесткость каркаса и возможность секционной компоновки кузова, что позволяет создавать различные по габаритам кузова из однотипных секций. Вместе с тем, эти мероприятия позволили удалить большое количество элементов стержневого набора, что привело к уменьшению массы конструкции кузова на 30 %.

0.335 1

0.251

0.183 I

0.167 в §--[--}--ий 0.0914

0.0338 Н ¡¿ЛГ/ \/ \\ 0'0457

0.0000753 1-1 0.0000711

Рис. 4. Деформация кузова автобуса при опрокидывании исходной и доработанной моделей соответственно.

Рис. 5 Модель каркаса кузова автобуса традиционного строения.

Рис. 6 Модель каркаса кузова автобуса слоистого строения.

Анализ напряженно-деформированного состояния кузова с трехслойными несущими элементами выявил лучшие прочностные характеристики на экстремальных эксплуатационных режимах (рис. 7, 8).

Однако, на расчетном случае лобового удара в обоих вариантах конструкции обнаружены недопустимо большие деформации передней рамы. Поэтому было принято решение об усилении передней рамы с помощью специального бампера.

Исследовалось напряженно-деформированное состояние различных конструкций бамперов. На основе проведенного анализа в данной работе предложен новый тип бампера в виде пространственной слоистой композиции, которая представляет собой замкнутую коробчатую емкость, образованную тонкими стальными обшивками и содержащую внутри сотовый заполнитель из стальной фольги.

^НВ^, о.оззб

0.0702

0.0468

0.0234

0.

Рис. 7 Деформация кузова прототипа на втором расчетном случае.

14

0.0732 I

0.0649

Рис. 8 Деформация кузова автобуса слоистого строения на втором расчетном случае.

Рассматривались два варианта расположения сот в заполнителе бампера: вертикальное и горизонтальное. В последнем случае оси сотовых ячеек располагались по направлению движения автобуса.

Исследование проводилось при двух вариантах граничных условий:

1. Шарнирное закрепление бампера по краям (рис. 9);

2. Безотрывное опирание бампера на сплошное абсолютно жесткое основание (рис. 10).

Ьтгптттт} ТГ7ТТПТТ7Тр Рис. 10

Рис. 9

Численные эксперименты с этими объектами показали, что двухопорная конструкция бампера с горизонтальным расположением сот в заполнителе обладает высокой удельной жесткостью и удовлетворительной демпфирующей способностью, и может быть рекомендована в качестве противоударной системы для грузовых автомобилей.

Однако, для автобуса предпочтение следует отдать бамперу с опорой на сплошное основание и с вертикальным расположением сот в заполнителе. Здесь гашение ударного импульса происходит за счет расходования основной части ударной энергии на пластическое смятие заполнителя, который выполняет в данном случае своеобразную функцию подушки. Именно такой бампер был интегрирован в силовую структуру передних рам как пространственный объект на сплошном деформируемом основании. Здесь снова были рассмотрены два варианта бампера, в которых соты расположены вертикально и горизонтально. Анализ результатов расчетов кузова с бампером предложенной нами конструкции в различных вариантах показывает:

- конструкция трехслойного бампера, интегрированная в общую силовую схему кузова, значительно повышает общую жесткость передней части кузова, тем самым уменьшает его деформативность, благоприятно перераспределяя потоки деформаций и напряжений между несущими элементами кузова;

- управление свойствами заполнителя в конструкции бампера позволяет придавать ей необходимые жесткостные и деформативные свойства;

- расчеты показывают, что минимальные значения перемещений в несущих узлах кузова автобуса обнаруживаются при вертикальном расположении сот в заполнителе бампера.

Сравнительный анализ результатов исследования последствий лобового удара так же снова обнаруживают повышенную жесткость и прочность у кузова из трехслойных композиций (рис. 11, 12).

Рис. 11 Деформация каркасно-листового кузова при лобовом ударе.

Рис. 12 Деформация каркасно-листового кузова при лобовом ударе.

[ I

Рис.13 Деформация кузова автобуса при боковом ударе традиционного строения (выше) и разработанного в данной работе слоистого строения (ниже).

В результате систематического численного исследования напряженно-деформированного состояния кузова и параллельно проводимых работ по его усовершенствованию получаются две финишные модели, сравнение которых показало несомненное преимущество конструкций с трехслойными композициями по критериям жесткости, прочности, долговечности, а так же экономичности и безопасности.

Еще одним методом усовершенствования традиционных конструкций автобусных кузовов является, применение вместо повсеместно используемых конструкцион-

Ударная волна в трехслойном кузове локализуется в зоне передней рамы, а в каркасно-листовом кузове проникает почти до середины конструкции.

Сравнения результатов расчетов кузовов на боковой удар показал, что перемещения точек конструкции кузова, сформированного из трехслойных панелей, меньше значений перемещений тех же точек в каркасно-листовом корпусе (рис. 13).

ных сталей высокопрочных коррозионностойких сталей. В финишной модели каркас-но-листовой конструкции кузова механические характеристики стали СтЗ были заменены соответствующими показателями стали 03Х16Н9М2. Этот шаг позволил уменьшить общий вес автобуса почти на 15% за счет утонения сечений профилей и панелей. Если рассматривать пробег автобуса в 1000000 км, то приблизительная экономия топлива за счет этого составит порядка 180000 литров. Следует учесть, что данная сталь не требует специальных антикоррозионных мероприятий, что так же значительно снижает эксплуатационные расходы.

Дана оценка ресурса каркасно-листового кузова из сталей СтЗ и 03Х16Н9М2 на экстремальных эксплуатационных режимах при малоцикловой усталости. Сравнительный анализ результатов расчетов числа циклов до разрушения показал, что ресурс кузова из стали 03Х16Н9М2 выше на 49%, чем ресурс кузова из СтЗ.

Оценка числа циклов до разрушения в местах концентрации упругих деформаций и напряжений показал, что количество циклов до разрушения для кузова из стали 03Х16Н9М2 достигает значения: // . Отсюда следует, что замена низкокачественной стали на высокопрочную легированную обеспечивает вместе со снижением общей массы конструкции и ее практически неограниченный ресурс.

При этом отметим, что в трехслойной конструкции кузова максимальные напряжения в местах их концентрации оказываются еще ниже по сравнению с каркасно-листовой конструкции из легированной стали. Тем самым обеспечивается практически неограниченный ресурс и в трехслойной конструкции кузова автобуса.

В шестой главе описываются натурные испытания полнокомплектного транспортного средства методом опрокидывания. Оценивается максимальная динамическая деформация элементов кузова с тем, чтобы ни один из таких элементов не попал в так называемое предписанное «остаточное пространство». В процессе испытаний ни одна из сместившихся (деформировавшихся) частей транспортного средства и элементов интерьера салона не вошли в зону остаточного пространства.

Для увеличения жесткости каркаса кузова предлагается повернуть сечение оконной стойки на 90 0 от исходного положения в прототипе. Это позволяет увеличить жесткость шпангоута, не изменяя массы конструкции.

Далее описываются натурные испытания отдельных секций кузова. Для них спроектированы и изготовлены специальные секции. Испытывался только каркас, имитация масс конструктивных элементов не проводилась. Были имитированы только массы пассажиров и кондиционера на крыше.

Результаты испытаний показали, что перемещения в верхней части секций превышают предельно допустимые значения, то есть нарушено жизненное пространство. Было обнаружено проникновение деформированных элементов конструкции в остаточное пространство, о чем свидетельствует превышение значений деформаций по сравнению с максимально допустимыми значениями. Одновременно следует отме-

тить существенное превышение значений абсолютной деформации стоек средней секции над соответствующими значениями для передней и задней секций.

Такие испытания не позволяют оценить совместную работу всех элементов кузова автобуса, а дают оценку лишь для отдельных элементов. Еще один отрицательный факт состоит в том, что производство отдельных секций тормозит массовое производство и чаще всего заводу-изготовителю легче и дешевле произвести кузов целиком, чем отдельные секции. Такое утверждение справедливо при работах по доводке и усовершенствованию конструкций кузовов автобусов. Однако для опытных и экспериментальных производств такой подход предпочтительней.

В седьмой главе решаются вопросы вибропоглощения и шумозащиты кузова автобуса. Проводилась численная оценка первых собственных частот колебания двух типов кузовов: каркасно-листового и трехслойного. Определено, что первая частота собственных колебаний трехслойного кузова автобуса составляет 18 Гц, а для каркас-но-листовой доработанной конструкции - 10 Гц. Следует отметить, что полученная частота собственных колебаний трехслойной конструкции оказалась необычайно высокой для автобуса такого типа. Соответствующие этим частотам первые формы собственных колебаний кузовов автобусов имеют вид (рис. 14, 15), объясняемый чрезмерной податливостью остекления по сравнению с несущими панелями кузова.

Исследуются частотные характеристики слоистых композиций на основе сотового заполнителя (рис. 16).

Результаты численных экспериментов, проведенных над сотовым заполнителем, показывают, что с увеличением толщины стенки сот (фольги), увеличивается и значение первой частоты его собственных колебаний. Получен график этой зависимости, которая оказалась существенно нелинейной (рис. 17).

Рис. 14. Первая форма собственных колебаний кузова традиционного строения.

Рис. 16. Вид первый формы колебания сотового заполнителя.

0.0348

0.0232

00116

Рис. 15. Первая форма собственных колебаний кузова слоистого строения.

Рис. 17. График зависимости значения первой частоты колебания от жесткости сот

зависимость сооственнон частоты сотоолока от

толщины стенки

-собсто частота сотоблока

С помощью проведенных исследований подтверждено, что использование трехслойных панелей в качестве звукоизоляции кузовов автобусов выигрышно.

Увеличивать изгибную жесткость трехслойной панели на основе сотового заполнителя можно не только увеличением толщины пакета, но и увеличением толщины обшивок и стенок заполнителя, а так же с помощью варьирования геометрическими параметрами сот.

Трехслойные панели можно использовать как дополнительные звукозащитный экраны или виброзащитные элементы кузовов автобусов как проектируемых, так и уже производимых серийно.

Заключение и выводы по работе

Диссертация посвящена актуальной теме разработки методов математического моделирования в применении к задачам проектирования трехслойных конструкций. На основании проделанной работы можно подвести следующие итоги и сделать выводы:

1. Решены задачи по разработке конечно-элементных моделей различных вариантов конструкции несущего кузова автобуса с использованием программных комплексов ДИАНА и КА8ТИАК. Разработаны управляющие программы, позволяющие с минимальными командно-автоматическими изменениями проводить численные эксперименты по исследованию несущей способностью различных вариантов конструкций.

2. Установлено, что автобусные кузова, сформированные на основе трехслойных конструктивных элементов, имеют существенный выигрыш в весе при равной жесткости, прочности и долговечности по сравнению с кузовами традиционного каркасно-листового строения.

3. Дано обоснование рациональности использования в конструкциях автобусных кузовов высокопрочных коррозионностойких легированных сталей при производстве тонколистовых несущих панелей и элементов каркаса.

4. Теоретически установлен эффект искривления сотового слоя заполнителя в направлении, перпендикулярном действию внешнего изгибающего момента, что вызывает дополнительные нормальные напряжения в несущих слоях трехслойных панелей при их поперечном изгибе. Также установлено расчетно-экспериментальном путем влияние высоты сотового заполнителя на проявление данного эффекта. Учет этого обстоятельства необходим при корректном определении запасов прочности панелей.

5. На основе разработанной методики определенны жесткостные параметры трехслойных композиций, отвечающие действующим нагрузкам в экстремальных расчетных случаях. Установлено влияние этих параметров на несущую способность кузова в целом.

6. Теоретически доказано и экспериментально установлено влияние технологических дефектов типа непроклея по границам несущих слоев с заполнителем на

21

критические напряжения локальной потери устойчивости несущих слоев в области пятна непроклея. Обоснованы рекомендации по максимально допустимым размерам таких дефектов.

7. Предложена упрощенная модель распространения трещины в клеевом слое. Установлена зависимость критических значений коэффициентов интенсивности напряжений от формы и площади пятна непроклея и критическим значением длинны трещины.

8. Разработана конструкция бампера автобуса в виде трехслойной композиции, обладающая высокими энергопоглощающими свойствами. Установлены рациональные геометрические и жесткостные параметры заполнителя как основного элемента в системе поглощения энергии.

9. Установлено, что слоистые композиции как несущие элементы автобусного кузова имеют более высокую энергопоглощаюшую способность по сравнению с кар-касно-листовой моделью при одинаковых весовых показателях.

Список публикаций автора, в которых изложено основное содержание диссертационной работы

1. Моделирование дефектов в конструкциях из композитных материалов/ Агапов В.П., Бычков A.B. // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений - М., 2006. -№1, С.67-71.

2. Расчет конструкции воздушного тормоза на статическую прочность методом конечных элементов с учетом эффекта аэроупругости/ Агапов В.П., Бычков A.B. // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений - М., 2006. - №2, С. 24-29.

3. Алгоритм решения геометрически нелинейных задач теории упругости методом конечных элементов для расчетов на прочность узлов и агрегатов автомобилей/ Бычков A.B. //Журнал автомобильных инженеров -М., 2007. - №1(42), С. 19-21.

4. Силовой критерий разрушения клеевых соединений в трехслойных конструкциях/ Бычков A.B.// 18-я Международная Интернет-конференция молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС 2006), Москва 2006 - С. 30.

5. Модели дефектов в конструкциях из композитных материалов/ Агапов В.П., Бычков А.В.//Труды седьмой Международной научно-технической конференции «АКТ-2006» - Воронеж, 2006 С. 208- 211.

6. Моделирование сотового заполнителя /Бычков A.B.// 4-я Всероссийская научно-практическая конференция «Применение ИЛИ - технологий в производстве» -Москва, 2006-С. 21-22.

7. Геометрически линейный и геометрически нелинейный расчеты конструкции// Бычков A.B. 4-я Всероссийская конференция «Необратимые процессы в природе и технике» - Москва, 2007 - С. 546-551.

22

61 12-5/1524

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ»

На правах рукописи

Бычков Алексей Владимирович

Метод определения прочностных свойств кузова автобуса, выполненного с использованием слоистых композиций

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., доцент Осипов Н. Л.

Москва 2011

Введение

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Основные разработки кузовов автобусов из трехслойных композиций

1.2Концепты новых автобусных кузовов

1.2.1 Концепт Advanced Technology Transit Bus (ATTB)

1.2.2 Концепт NABI Compobus

1.2.3 Концепт BOVA Magiq Bus

1.2.4 Концепт D-Bus

1.2.5 Концепт принадлежит фирме Neoplan

1.2.6 Концепт Prévost Car XLII

1.2.7 Электробус EcoRide B25

1.2.8 Концепт автобуса Credo E-Bone

1.2.9 Концепт автобуса Solarve

1.2.10 Концепт китайского инновационного автобуса 1.3 Цель и задачи данной работы

стр. 9

15

17

25 25

27

28

30

31

32

33

34

35

36

37

ГЛАВА 2. ФИЗИЧЕСКИЙ ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ. РАСЧЕТНЫЕ СЛУЧАИ НАГРУЖЕНИЯ 39

2.1 Описание конструкции прототипа кузова автобуса

39

2.2 Расчетные случаи нагружения 2.2.1 Опрокидывание автобуса

41

2.2.2 Наезд на препятствие передними колесами (изгиб)

2.2.3 Наезд на препятствие передними колесами (кручение)

2.2.4 Лобовое столкновение с неподвижным препятствием

2.2.5 Боковое столкновение с автомобилем

45

45

46 48

ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ МАТЕМАТИЧЕСКУЮ МОДЕЛЬ КОНСТРУКЦИИ КУЗОВА АВТОБУСА

3.1 Геометрические соотношения

3.2 Уравнения равновесия

3.3 Физические соотношения

3.4 Соотношения малоцикловой усталости

3.5 Расчет и исследование сопротивления усталости кузова автобуса

3.6 Основные соотношения метода конечных элементов

51

51

51

52 54

62

72

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОИСТ СЛОИСТЫХ КОМПОЗИТОВ

4.1 Определение упругих характеристик сотового заполнителя МКЭ.

4.1.1 Модули упругости Ехх, Еуу, Еху

4.1.2 Тестирование Ехх , Еуу , Еху , в системе ДИАНА

4.1.3 Модуль упругости Е22

4.1.4 Сдвиговый модуль упругости С

ху

4.1.5 Сдвиговые модули упругости Оуъ Охх

81

81

83

89

93

93 95

4.1.6 Рекомендации по заданию упругих характеристик сотового заполнителя в расчетах трехслойных конструкций методом конечных элементов

4.2 Численный эксперимент по расчету сотового заполнителя. ^ ^

4.2.1 Численный расчет сотового заполнителя МКЭ дискретная

модель.

4.2.3 Анализ результатов численного эксперимента.

4.3 Моделирование дефектов в слоистых конструкциях и оценка их работоспособности при эксплуатации

4.3.1 Исследование прочности клеевого соединения в трехмерной постановке

4.3.2 Исследование отслоенного фрагмента обшивки трехслойной конструкции на устойчивость

4.3.3 Определение величины отрывной нагрузки на границе клеевого соединения

4.3.4 Силовой критерий разрушения клеевых соединений в конструкциях

4.4 Выводы по главе

100

4.2.2 Численный расчет сотового заполнителя МКЭ объемная модель. 102

104

104

105

108

110

112 114

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПТА КУЗОВА АВТОБУСА. ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

115

5.1 Разработка каркасно-листовой модели кузова и модели кузова с использованием трехслойных панелей. 116

5.1.1 Разработка конечно-элементной модели каркасно-листового кузова автобуса. 116

5.1.1.1 Апробация промежуточной модели на втором расчетном 118

случае.

5.1.1.2 Исследование несущей способности модернизированного кузова прототипа на третий расчетный случай. 123

5.1.1.3 Исследование несущей способности модернизированного кузова прототипа на первый расчетный случай. 125

5.1.1.4 Исследование несущей способности модернизированного кузова прототипа на четвертый расчетный случай. 13 3

5.1.1.4.1 Удар об узкое препятствие. ^ 33

5.1.1.4.2 Расчет на лобовой удар широким бойком.

5.1.1.5 Исследование ударо-прочностных свойств передней части кузова с демпфирующим элементом. 135

5.1.1.5.1 Расчет на удар финишной модели кузова автобуса

широким бойком. Соты в бампере расположены вертикально. 136

5.1.1.5.2 Расчет на удар финишной модели кузова автобуса

широким бойком. Соты в бампере расположены горизонтально. 137

5.1.1.5.3 Расчет на удар финишной модели кузова автобуса

узким бойком. Соты в бампере расположены горизонтально. 139

5.1.1.5.4 Расчет на удар финишной модели кузова автобуса

узким бойком. Соты в бампере расположены вертикально. 140

5.1.1.5.5 Упруго-пластический расчет случая лобового удара автобуса с бампером об узкий боек. 141

5.1.1.6 Расчет на случай пятый расчетный случай. 144

5.1.1.7 Финишная модель каркасно-листового кузова автобуса. ^ ^

5.1.2 Разработка конечно-элементной модели каркаса автобуса с использованием трехслойных панелей. 147

5.1.2.1 Исследование несущей способности трехслойного кузова на первый расчетный случай.

5.1.2.2 Исследование несущей способности трехслойного кузова на второй расчетный случай.

5.1.2.3 Исследование несущей способности трехслойного кузова на третий расчетный случай.

5.1.1.4 Исследование ударо-прочностных свойств передней части кузова с демпфирующим элементом. 155

5.1.2.4.1 Расчет на удар финишной модели кузова автобуса

широким бойком. Соты в бампере расположены вертикально. 156

5.1.2.4.2 Расчет на удар финишной модели кузова автобуса

широким бойком. Соты в бампере расположены горизонтально. 157

5.1.2.4.3 Расчет на удар финишной модели кузова автобуса

узким бойком. Соты в бампере расположены горизонтально. 15 8

5.1.2.4.4 Расчет на удар финишной модели кузова автобуса

узким бойком. Соты в бампере расположены вертикально. 159

5.1.2.5 Расчет на пятый расчетный случай. j 60

161

5.1.3 Исследование несущей способности кузова автобуса из высокопрочной стали.

5.2 Разработка системы поглощении удара. ^ 64

5.2.1 Численное исследование конструкции поглощения удара. 1 ^

5.2.2 Анализ результатов расчетов конструкций бампера 170

5.3 Оценка числа циклов до разрушения в месте локализации пластической деформации.

5.3.1 Оценка числа циклов для кузова из стали СтЗ. ^ ^^

5.3.1 Оценка числа циклов для кузова из стали 03X16Н9М2. ^ ^ ^

5.4 Оценка числа циклов до разрушения в местах концентрации упругих деформаций и напряжений. 171

ГЛАВА 6 НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ НА ОПРОКИДЫВАНИЕ КУЗОВА И ОТДЕЛЬНЫХ СЕКЦИЙ АВТОБУСА

6.1 Испытание на опрокидывание кузова автобуса

6.1.2 Устройство для опрокидывания

6.1.3 Подготовка испытываемого транспортного средства

6.1.4 Процедура проведения испытания, процесс опрокидывания

6.1.5 Определение величины вертикального перемещения центра тяжести при опрокидывании

6.1.6 Остаточное пространство

6.2 Испытания секций кузова

6.2.1 Подготовка секций кузова

6.2.2 Процедура проведения испытаний

6.3 Натурные испытания кузова автобуса

6.4 Натурные испытания секций кузова автобуса

6.5 Анализ полученных результатов.

ГЛАВА 7. ШУМО И ВИБРОЗАЩИТА КУЗОВОВ АВТОБУСОВ С ПОМОЩЬЮ ТРЕХСЛОЙНЫХ КОМПОЗИЦИЙ

7.1 Основные источники шума автомобиля.

7.2 Снижение шума автобуса.

7.2.1 Определение собственной форм и частот итоговой модели каркасно-листового кузова автобуса.

7.2.2 Определение собственной форм и частот финишной модели каркасно-листового кузова автобуса.

173

174

175

176

178

179 181 181 182 185 188 191

193

193

194

194

195

7.3 Численное исследование.

196

7.3.1 Сравнение частотных характеристик тонколистовой и трехслойных панелей 196

7.3.2 Исследования частотных свойств сотового заполнителя ^ ^

Заключение 200

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 .Исследование влияние отбортовки крыши на несущую способность кузова автобуса. 202

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.Разработка концептуального бескаркасного кузова автобуса, полностью сформированного из слоистых композиций.

Список литературы. 212

Введение

В данной работе исследуется возможность усовершенствования автобусных кузовов путем использования в их несущих системах трехслойных конструктивных элементов вместо традиционных каркасно-листовых [61]. Следует сразу отметить, что совершенствование конструкций автобусов можно проводить по многим направлениям. В частности, в настоящее время, как показывает анализ литературы по данному вопросу [13], в мировой практике появляются все новые компоновочные схемы, среди которых доминирующей является вагонная компоновка автобуса с наиболее предпочтительным расположением двигателя в задней части кузова. В свою очередь, среди них все более широко используются несущие кузова, конструкция которых позволяет исключить раму или несущее основание, что позволяет уменьшить общую массу автобуса при одновременном увеличении жесткостных параметров его кузова и как следствие - повышение его прочностной надежности [5,29].

Следует отметить недостаточную конкурентоспособность продукции отечественного автобусостроения на внешнем рынке, сохраняющуюся за счет отставания по таким важным позициям как инновационное проектирование, низкая механическая прочность силовых систем, слабая коррозионная стойкость и т.д. Слабая нормативная база, отсутствие надлежащих, научно обоснованных критериев оценки прочностных, технологических, экономических качеств конструкций автобусных кузовов неизбежно приводит к пере-тяжелению отечественных конструкций по сравнению с зарубежными образцами этой техники. Поэтому своевременные предложения по разработке прогрессивных конструктивных схем с учетом технологической и экономической целесообразности крайне важны.

Актуальность предложенной темы и выполненной диссертационной работы состоит в концептуальной разработке методов усовершенствования и проектирования перспективных конструкций кузовов автобусов, сформированных из слоистых композиций в виде панелей, оболочек и трехмерных объектов, в которых широко используется тонколистовой прокат из новейших высокопрочных легированных сталей. Эти конструктивные элементы предназначены для одновременного выполнения суммы функций, а именно несущих фрагментов конструкции, тепло-, вибро- и шумоизолирующих деталей.

Использование слоистых конструкций особенно эффективно в рамках современных тенденций к созданию несущих кузовов типа «монокок», где все силовые элементы в равной степени интегрированы в несущую схему. Указанная концепция позволяет выработать конструктивные подходы к созданию кузовов с существенно меньшей массой, со значительно большей жесткостью, прочностью и долговечностью по сравнению с традиционными каркасно-листовыми силовыми схемами. Так же не маловажно отметить технологические и технико-экономические преимущества такого вида кузовных

конструкций, которые непосредственно обусловлены свойствами повышенной прочностной надежности. Вместе с тем, предложенное направление не отменяет и традиционных каркасно-листовых силовых схем кузовов при выполнении тех же технологических и конструктивных условий.

Цель представленной работы - в научном и практическом плане решить важную техническую задачу по совершенствованию упомянутых конструкций путем создания их теоретических моделей, анализа и предсказания улучшенных прочностных, жесткостных и эксплуатационных свойств, имея в виду современные тенденции в мировом автобусостроении. Акцент в работе делается на численные эксперименты, проводимые на основе разработанных математических моделей. В частности широко используются программные комплексы на базе метода конечных элементов, применяемые в части расчетов на прочность, устойчивость и колебании. В связи с основной целью работы ставились и решались задачи по определению важнейших механических свойств слоистых (в основном трехслойных) композиций. При этом особое внимание уделялось возможности образования исходных технологических дефектов и эксплуатационных повреждений в трехслойных несущих элементах. Целенаправленно исследовалось влияние этих неправильностей на снижение эксплуатационных свойств слоистых композиций. Эти решения достигались теоретическими методами, и путем сравнения с результатами специальных экспериментов устанавливалась их достоверность. Важно отметить, что достижение поставленных целей наиболее наглядно и плодотворно осуществлялось путем непрерывного аналитического сравнения несущей способности моделей кузова, выполненных по традиционной каркасно-листовой силовой схеме и с использованием трехслойных композиций в соответствии с разрабатываемой концепцией. Помимо целей, состоящих в повышении прочностной надежности перспективных кузовных конструкций, в работе ставилась и решалась задача пассивной безопасности как традиционной, так и перспективной расчетной схемы кузовов.

Объектом исследования в данной работе является возможность создания перспективных конструктивных схем автобусных кузовов в рамках концепции широкого использования в них слоистых композиций, таких как трехслойные панели, оболочки, балки и объемные тела, а также высокопрочных легированных сплавов и тонколистового проката для их каркасирования.

Предметом исследования является напряженно-деформированное состояние кузова автобуса туристического класса, выполненного по принципу несущего кузова типа «монокок» по традиционной каркасно-листовой схеме. Путем численных экспериментов на разработанных нами математических моделях, позволяющих выявить расчетные случаи и наиболее слабые звенья конструкции кузова, найдены и предложены пути усиления корпуса. Так же обнаружено, что эти усиления неизбежно приводят к утяжелению конструкции. Расчетным путем доказано, что выходом из этой противоречивой ситуации является создание принципиально иной каркасно-панельной конструк-

ции кузова, в которой используются трехслойные конструктивные элементы, тип которых указан выше.

Использованные в данной работе методологические приемы и способы исследования, основанные на широком численном эксперименте с использованием современных вычислительных средств и программного обеспечения, являются наиболее эффективным современным средством достижения поставленных выше целей и повсеместно применяются в отечественной и зарубежной практике научного исследования [1,34,72].

Научная новизна данной работы состоит в следующем.

1. Разработана математическая конечно-элементная модель в рамках программных комплексов ДИАНА и NASTRAN несущего кузова автобуса типа «монокок», позволяющая с минимальными, командно-автоматическими изменениями проводить численные эксперименты по исследованию несущей способности различных вариантов моделей кузова.

2. Установлено, что автобусные кузова, сформированные на основе трехслойных конструктивных элементов, имеют существенный выигрыш в весе при равной жесткости и прочности по сравнению с кузовами традиционного каркасно-листового строения.

3. Теоретически установлен эффект искривления сотового слоя заполнителя в направлении, перпендикулярном действию внешнего изгибающего момента, что вызывает дополнительные нормальные напряжения в несущих слоях трехслойных панелей при их поперечном изгибе. Также установлено расчетно-опытным путем влияние высоты сотового заполнителя на проявление данного эффекта. Учет этого обстоятельства необходим при корректном определении запасов прочности панелей.

4. На основе разработанной методики установлены жесткостные параметры трехслойных композиций, соответствующие действующим нагрузкам в экстремальных расчетных случаях.

5. Экспериментально - теоретически установлено влияние технологических дефектов типа непроклея на границах несущих слоев с заполнителем. Обнаружено явление локальной потери устойчивости несущих слоев в области пятна непроклея.

6. Разработана упрощенная модель распространения трещины, распространяющийся по клеевому слою от границ пятна непроклея. Установлена зависимость между формой и площади пятна непроклея и критическим значением длинны трещины.

7. Разработана конструкция бампера автобуса в виде трехслойной композиции, обладающая высокими энергопоглащающими свойствами.

8. Установлено, что слоистые композиции как несущие элементы автобусного кузова имеют более высокую энергопоглащающую способность по сравнению с каркасно-листовой моделью при одинаковых весовых показателях.

Практическая значимость данной диссертационной работы заключается в следующем. Предлагаются научно обоснованные варианты конструк-

ций автобусных кузовов перспективного, сформированного из трехслойных элементов и узлов, и традиционного каркасно-листового типа, которые обладают повышенной прочностной надежностью при меньшем весе по сравнению с устаревшими рамными и т.п. конструкциями. Применение таких конструкций безусловно технологически, а следовательно, и экономически более прогрессивно. Это обусловлено не только высокой прочностью, но и повышенной комфортабельностью, благодаря тепло-, вибро-, шумоизоляционным свойствам слоистых композиций.

Апробация работы состоялась на следующих конференциях в виде докладов и обсуждений.

1. «АВИАКОСМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ» «АКТ-2006», Воронеж, 2006.

2. 5-я Международная конференция «Авиация и космонавтика-2006г»