автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Обеспечение работоспособности транспортных средств путем уточнения метода расчета несущих конструкций при их проектировании и ремонте

г* пА

На правах рукописи

Токарева Марина Афанасьевна

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТРАНСПОТНЫХ СРЕДСТВ ПУТЕМ УТОЧНЕНИЯ МЕТОДА РАСЧЕТА НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИИ И РЕМОНТЕ

Специальность: 05.22.10 - эксплуатация автомобильного транспорта.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Оренбург - 1998

Работа выполнена в Оренбургском государственном университете.

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Щурин К.В.

кандидат технических наук, доцент Чепасов В.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Миркитанов В.И.;

кандидат технических наук Рассоха В.И.

Ведущая организация - ОАО "ОЗТП-Сармат".

Защита состоится '3V1998 года в /(0_ часов на заседании диссертационного совета К 064.64 01 при Оренбургском государственном университете по адресу: Оренбург, проспект ПобедыДЗ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

Владов Ю.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие и становление транспортной инфраструктуры России, формирование парка подвижного состава обусловили необходимость разработки научной стратегии системы поддержания его работоспособности в условиях постиндустриального общества. Это требует решения комплекса научных и технических задач, в частности, создания методических основ разработки, оценки, прогнозирования с применением высоких информационных технологий при восстановлении работоспособности транспортных средств, а также разработки методов их использования и реализации, в том числе создания встроенных подсистем проектирования в производстве и ремонте технических средств.

Работоспособность несущих систем, как базовых деталей транспортных машин, определяет безопасность их использования, долговечность, потребление трудовых и материальных ресурсов, сокращение длительности пребывания в ремонте и другие технико-экономические показатели. Эти вопросы в настоящее время являются недостаточно изученными.

При ремонте пространственных несущих металлоконструкций различного функционального назначения необходимо учитывать состояние конструкции на момент ремонта, а также возможность замены ее элементов с учетом вариации таких параметров как геометрические формы и размеры, свойства материала. При возможном изменении этих параметров конструкция, подвергшаяся ремонту, должна обладать достаточной, как правило регламентируемой, безотказностью и долговечностью при требуемых показателях материалоемкости без многократного повторения различных видов испытаний доработанных или модернизированных вариантов. Таким образом, возникает задача уточнения методики расчета на прочность такой конструкции с возможностью варьирования указанных параметров.

Перспективным направлением повышения надежности несущих конструкций транспортных средств, является автоматизация их расчета с применением методов теории упругости и строительной механики машин и сооружений, позволяющая на стадии проектирования выбирать рациональные по критериям прочности и технологичности конструкции, что значительно сокращает сроки разработки и повышает оперативность управления технологическим процессом.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедр "Автомобильный транспорт" (тема 01860056217 "Совершенствование организации и разработка технических процессов эксплуатации, ремонта и производства автомобилей") и "Информационные системы в экономике" (тема 01980008143 "Автоматизация расчета на прочность пространственных конструкций, состоящих из плоских элементов") Оренбургского государственного университета.

В диссертационной работе поставлена цель обеспечить работоспособность транспортных средств путем уточнения метода расчета элементов несущих конструкций при их проектировании и ремонте.

Поставленная цель определяет следующие основные задачи диссертационной работы:

- исследовать факторы, определяющие работоспособность элементов несущих конструкций транспортных средств в эксплуатации и установить основные пути обеспечения надежности при ремонте и модернизации;

- разработать метод, позволяющий оперативно оценить статические нагрузки, что позволяет выбрать из множества конструктивных вариантов несущих систем приемлемый конструктивно-технологический вариант, удовлетворяющий требованиям прочности и материалоемкости;

- разработать методику расчета на прочность, позволяющую учитывать произвольную конфигурацию плоского элемента;

- разработать алгоритм и комплекс программ для автоматизированного построения систем линейных алгебраических уравнений общего вида и решения этих систем в упакованном виде с контрольными точками для расчета на статическую прочность объемных конструкций, которые состоят из плоских элементов произвольной формы;

- исследовать эффективность применения уточненного метода и автоматизации расчета по предлагаемым алгоритмам для обеспечения надежности при производстве и ремонте пространственных систем, в том числе несущих конструкций транспортных средств.

Методика исследования - комплексная, сочетающая современные исследования с привлечением методов теории упругости, численных методов анализа, методов программной оптимизации.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

- предложена уточненная методика расчета на прочность, учитывающая геометрическую конфигурацию плоского элемента;

- разработан алгоритм автоматизации составления системы конечно-разностных уравнении Но иредло! пиши

- реализована упаковка матрицы системы с учетом оптимизации памяти и возможность прерывать решение после контрольной точки.

Практическая ценность результатов работы. Разработаны алгоритмы и комплекс программ, реализующих методику расчета, которая

пшшл. --------гонф.чгуращги плоского

элемента. При этом возможно решение больших систем за значительно меньшее время по сравнению с известными методиками (приблизительно в 3-4 раза) за счет использования алгоритма упаковки с учетом оптимизации памяти.

Полученные результаты адекватны экспериментальным данным, полученным другими исследователями.

Реализация результатов работы . Внедрение программного комплекса "Плоек" в ОАО "ОЗТП-Сармат" (Орский завод тракторных прицепов) позволило сократить сроки НИОКР по созданию новых конструкций несущих систем, продолжительность доводочных испытаний в 1,5-2 раза, снизить трудоемкость и энергоемкость испытаний, материалоемкость изделий.

По разработанному программному комплексу произведен расчет более ста станин прессов в объединении ОАО "Гидропресс", что дало возможность снизить затраты металла и устранить необходимость проведения разрушающих испытаний станин прессов, а также в институте "ОренбургПромстройНИИпроект" для автоматизированного расчета на прочность строительных конструкций различного функционального назначения.

Программный комплекс используется в учебном процессе для решения студентами задач по курсу "Сопротивление материалов" в Оренбургском государственном университете и его филиалах.

Подтвержденный экономический эффект от внедрения программного комплекса "Плоек" в объединении "Гидропресс" составляет 105,4 млн.руб. на январь 1997г., в институте "ОренбургПромстройНИИпроект" - 80 млн. рублей по курсу апреля 1997 г., в ОАО "ОЗТП-Сармат"- 316 млн. по курсу декабря 1997 г.

Апробация работы : основные результаты диссертационной работы обсуждались на Ш международной технической конференции "Концепции развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств в условиях постиндустриальной экономики" (г. Оренбург, ОГУ, март 1997 г.); на П международной конференции "Методы и средства управления технологическими процессами" (г. Саранск, Мордовский ордена Дружбы народов государственный университет им. Н.П.Огарева, декабрь 1997 г.); на Всероссийской научно-технической конференции "Прочность и разрушение материалов и конструкций" (г.Орск Оренбургской обл., июнь 1998 г.).

Публикации. По материалам диссертационной работы и результатам исследований опубликованы 8 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 143 страницах, включая 41 рисунок, 29 таблиц, а также библиографического списка использованной литературы из 123 наименований и трех приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, поставлена цель, сформулированы основные положения, выносимые

на защиту. Дана краткая характеристика структуры диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса и сформулированы задачи исследования. Особое внимание уделено состоянию проблем надежности и металлоемкости при ремонте рамных конструкций автомобилей и других транспортных машин, а также общим положениям метода исследования сопротивления усталости сварных станин прессов.

Решению рассматриваемых научно-технических проблем посвящены работы Российских и зарубежных исследователей: Бондаренко В.А., Боровских В.Е., Гасснера Е., Галлагера Р., Гусева A.C., Демьянушко И.В., Дмитриченко С.С., Закса М.Н., Когаева В.П., Миркитанова В.И., Почтенного Е.К., Серенсена С.В., Щурина К.В. и других.

Объектом исследования являются несущие конструкции транспортных средств. В результате приведенного анализа современных методов прикладной теории упругости обосновано применение конечно-разностной схемы, полученной из вариационного принципа Ритиа. Необходимо отметать, что принцип Ритца, являясь широко известным, не имел практических реализаций для решения поставленной задачи с учетом произвольной конфигурации плоского элемента и дальнейшей автоматизации составления системы конечно-разностных уравнений.

Во второй главе обосновывается применение методики, разработанной автором, и приводится описание алгоритма автоматизации составления системы и алгоритма ее решения в упакованном виде.

Пространственные конструкции, состоящие из плоских элементов небольшой толщины, могут быть расчленены на составляющие части с введением неизвестных силовых связей. В зависимости от расположения сил относительно плоского элемента, последние могут быть следующих типов:

А: с силами, действующими в плоскости элемента;

Б: с силами, действующими перпендикулярно к плоскости элемента;

В: с силами, действующими как в плоскости элемента, так и перпендикулярно ему.

При решении задачи используется конечно-разностная схема, полученная из вариационного принципа Ритца. С этой целью элементы покрываются прямоугольными сетками таким образом, чтобы на стыках они совмещались. Силы могут быть приложены только в узловых точках сетки. Если неудобно совместить произвольную силу с узлом, ее следует разложить на две составляющие, приложенные в ближайших узлах.

К элементам типа А с силами, действующими вдоль срединной поверхности элемента, могут быть применены соотношения плоской задачи теории упругости.

В частности, могут быть применены способ Ритца и формула для удельной потенциальной энергии, имеющая следующий вид для объемной детали:

V ' I

V/ = С(ех2+£у2+£22Н — + - (Уху2+-/уг2^2)), (1)

1-2У 2

где д =ех+8у+е2; V- коэффициент Пуассона.

В случае плосконапряженной задачи условие сг2=0 в формулах обобщенного закона Гука дает:

^ =-~- (ех + ег)"

1 - V

Подставляя значения в формулу для удельной потенциальной энергии и полагая, что 7>7=*/и=0, получаем:

V 1 Ж=С( £„2 + £у2~-(£х+%)2 + —Уху2)- (2)

1- V 2

Очевидно, что полная потенциальная энергия в некотором объеме V при постоянном значении напряжений стх ,ау в нем равна

В случае плоскодеформированного состояния в знаменателе третьего члена вместо 1-у должно быть 1-2у .

Принимая систему координат как на рисунке 1, запишем относительные деформации:

аи и,-ик

для участка К1 £?=---;

ёх

¿V

для участка СЖ £!=-----;

¿У

с1\; ёи ич-ик

для участка <ЗК1 Уху=- н---- +-

¿х dy X;

В этих формулах и является перемещением точки вдоль оси Ох, а V - перемещением вдоль оси Оу.

Чтобы упростить дальнейшую формализацию при составлении уравнений, каждой точке даем двойное обозначение (рисунок 1) - прописной и строчной буквы ( например: I и К и к и т.д.).

Так как после приложения нагрузки каждая точка получает перемещение, характеризуемое двумя величинами ( и и V ), обозначим первую через Х1, Хк и т.д., а вторую через X) ,Хк и т.д.

В дальнейшем при решении конкретных задач будем обозначать точки дробными числами, например , 1/2 ; 3/4 ; ... ; 17/18 . В этом случае для первой точки перемещение вдоль оси Ох будет обозначено через X), а вдоль оси ОУ - Х2 ; для второй точки будем иметь Х3 и X» и т.д.

<£х>

Xi

К

>4+1

м

<v

L

b

а

Р

D

Р

га

Рисунок 1.

Нечетные числа будут предназначены для перемещения и, следующие за ними четные - перемещения v .

Возьмем точку I/i (рисунок 1) и назовем ее центральной для четырех прямоугольников , представленных на рисунке 1. ( В дальнейшем будем обозначать точки только второй буквой, например i).

Полную потенциальную энергию системы Wn , разделенной прямоугольной сеткой на ряд элементов и содержащей п точек, можно записать как функцию от 2п неизвестных перемещений:

Wn=f{X„X2,X3,X4,...,X2n.bX2n) -

Задача состоит в том, чтобы с достаточным приближением определить значения неизвестных Хь ... ,Х1п- Метод Ритца дает для этого условия :

awn _aw„ _ aw„ _ aw„

1x1 5X2 ~ ~ 5X¡ ~"" ~ SX„

( Условия минимума потенциальной энергии ).

Можно убедиться , что для производных дУ/^ ЗХ( и ЗХц останутся лишь неизвестные , расположенные не дальше одного шага от точки \ , то есть только неизвестные перемещения точек , обозначенных на рисунке 1. , Поэтому запишем значения потенциальной энергии только для четырех участков , содержащих точку 1. На рисунке 2 показана схема областей , определяющих значения относительных деформаций £*, Су и 7^,, а также 12 областей , в каждой из которых значения е* и 8у не меня-

1 2

3 4 I 5 б

7 3 1 9 10

11 12

(V

е Г I

> Ъ

Рисунок 2 - Схема областей, определяющих значение относительных деформаций.

ютея. Записав значения всех четырех слагаемых потенциальной энергии и взяв производные по Х1 и Х,;, получаем 2 уравнения из общей системы , состоящей из 2п уравнений .

Уравнения записываются следующим образом :

Рг

А0Хд+АкХм+...+АрХр+АчХч+...+АрХР= —; (3)

2и

Р,

и В0Хр+...+ВрХр+ВчХ(!+...+ВрХр= —. (4)

20

Здесь коэффициенты А и В в уравнениях определяются на основании весовых коэффициентов часть из которых записана в информационные файлы задачи, а часть - определяется программно для областей А и Б. Информация о зависимости от различных граничных точек, т.е. различных конфигураций границы, взята из разработок Института проблем прочности Академии наук Украины.

Рг - является горизонтальной силой , приложенной в точке 1 (положительная , если направлена по оси X ) ;

Pi - вертикальной силой, приложенной в точке i (положительная, если направлена по оси Y );

G - модуль сдвига, равный E/2/(l+v),

где Е - модуль упругости 1-го рода, v - коэффициент Пуассона.

Для плоских элементов типа А ( с усилиями, действующими в плоскости элементов) первоначально определяются относительные смещения по формулам: (см. рисунок 3)

Рисунок 3 - К подсчёту напряжений в области А.

Хв-ХА+Хп-ХС

V

Xa-Xc+Xfc-Xd

2Xi 2Sj

1 Xa-Xc+Xb-Xd Xb-Xa+Xj-Xc

(6)

(

Смещения определяются для точки О, в центре прямоугольника (рисунок 3).

Напряжения в этой точке, подсчитанные по направлениям Ох и Оу координат равны:

<ТХ— с ■ ■ - ■ ■ ' ■ ' y 0у ъ

1 -v

Уху- (7)

Главные напряжения С] и аг равны:

s

( 01 является большим, а сь - меньшим по абсолютному значению)

Касательные напряжения равны:

стга2 ттах —_— .

Приведённые напряжения подсчитываются по формуле 1У-и теории прочности :

Угол поворота а] получается из зависимости: стх- Оу

Положительный угол <11 откладываются от положительного направления оси Ох по часовой стрелке.

Для элементов типа Б напряжения определяется по формулам для пластин (рисунок 4).

Обычно для решения задачи о напряженно-деформированном состоянии пространственных систем с учетом их плоской деформации и изгиба составные части конструкции покрываются сеткой регулярной структуры. Однако при решешш некоторых задач удобнее иметь сетку нерегулярной структуры, так как это облегчает определение напряжений в местах их концентрации.

д п г

ч

к 1 << 1

о К Р

т

Рисунок 4 - К подсчету напряжений в области Б.

Ввиду того, что применение нерегулярной сетки усложняет решение задачи, для составных элементов конструкции, несущих нагрузку в своей плоскости, принимается нерегулярная сетка, а для изгибаемых элементов - регулярная.

На рисунке 5 представлен один из элементов конструкции в плосконапряженном состоянии с нанесенной нерегулярной сеткой. По краям приложены неизвестные реакции связей и т.д., которые учитыва-

ются в уравнениях (3) и (4) введением дополнительных членов типа -Л^СВ, где В - толщина элемента.

Недостающие уравнения получаются из условия совместности. Если имеется связь, основное уравнение заменяется уравнением типа Х)=0.

В случае решения смешанных задач, записывается условие х,=Э, где Б- вынужденное смещение точки.

(

Q N R

4 а г

К I L

к О i М . 1 Р

m Р

Рисунок 5 -Нерегулярная сетка для плоской задачи.

Ввиду того, что напряжения не всегда могут быть получены на краю исследуемой детали, что обычно требуется для оценки её прочности, необходимо произвести экстраполирование напряжений внутренних точек к наружным. Экстраполяция может быть произведена как линейно (по двум точкам), так и при помощи параболы (по трем точкам), что будет точнее. В этих случаях сетку вблизи интересующей нас поверхности следует предусмотреть достаточно густой.

Далее описана программная реализация всех предлагаемых алгоритмов на алгоритмическом языке FORTRAN-77 для ШМ PC, удобный пользовательский интерфейс для ввода исходных данных реализован с применением СУБД FoxPro.

Реализован алгоритм организации программных контрольных точек, что позволяет производить перерывы в решении и возобновлять решение с того места, где произошла остановка. Такая технология является рациональной при решении больших систем.

В третьей главе описаны возможности учета особых условий задачи, структуры всех исходных данных, установка и работа с программным комплексом" ПЛОСК".

у

В четвертой главе приводятся результаты расчета реальной конструкции, напряжения и реакции в которой просчитаны по методике предлагаемого алгоритма.

В частности, приведен расчет на прочность локального узла рамы большегрузного тракторного полуприцепа ОЗТП-9554, расчетная схема которого приведена на рисунке 6.

В качестве локальных моделей при испытаниях принимают участки натурных рам, содержащие узел соединения участков лонжерона и поперечины с сохранением геометрических размеров поперечных сечений

Таблица 1 -Сравнение результатов оценки максимальных эксплуатационных напряжений и расчетных значений гу, в узлах рамы полуприцепа ОЗТП-9554.

Номер датчика Номера точек на схеме Данные тензометрии Расчётные значения

тти, МПа сттах. МПа

1 -4 1500, 1555 118,3 124

5-8 1905,1915 137 151

элементов рамы и технологии их соединения.

Результаты, полученные при расчете локальной модели рамы большегрузного тракторного самосвального полуприцепа ОЗТП-9554 с применением программного комплекса "Плоек", хорошо согласуются с данными максимальных эксплуатационных напряжений, полученных с помощью тензометрических измерений, проводимых при испытаниях на разбитых грунтовых дорогах. Сравнение проводилось в точках областей, соответствующих расположению тезодатчиков. Данные сведены в таблицу 1.

Результаты расчетов близки к экспериментальным и несколько превышают их (в среднем на 8-10%), что в целом является положительным фактором, поскольку расчетные результаты направлены в запас долговечности.

Пространственные конструкции, состоящие из плоских элементов и находящиеся под действием внешних сил, широко распространены в прессостроении, и их расчет на прочность вызван необходимостью снижения металлоемкости машин.

В качестве примера рассчитана верхняя поперечина листоштампо-вочного пресса усилием 160 тс (рисунок 7). Расчетная схема приведена на рисунке 8. Опирание производилось в точках А и В. После нанесения сетки и ввода дополнительных связей получена система линейных уравне-

Рисунок 7 - Верхняя поперечина листоштамповочного пресса.

Л)

л / 1

\ 1 \

л

т ■ 1

«гтп-ТТТ]

0.07 0.11 0.17 0.23 0.29 0.36 0.31 (ми)

0.03 0.09 0.14 0.18 0.22 0.24 0.21 (мм)

г)

(отверстие)

Г'Т ,

5765 5192 4992

Рисунок 9 - Эпюры перемещений и усилий в связях по т-ш.

Рисунок 10 - Эпюры напряжений в нижнем горизонтальном листе и усилий в связях по п-п.

ний 406 порядка, которая была решена с использованием программного комплекса "Плоек".

Расчетная сетка для листов 2 и 3 показана на рисунке 9а, перемещения нижней и верхней сторон листа 2 даны на рисунке 96,в, а на рисунке 9г - связи листов 2 и 5 по линии m-m.

На рисунке 10а приведена эпюра напряжений по линии I-I (рисунок 9а) для листа 2, на рисунке 106 - напряжения по той же линии для листа 3. Эпюра на рисунке 10в дает значения связей между листами 2 и 4 вдоль линии п-п. Как следует из эпюр, лист 2, ближе расположенный к плоскости действия сил, более нагружен. Поэтому выбор для листа 3 толщины 16 мм является оправданным. Полученные значения связей позволяют определить напряжения в сварных швах.

Расчет реакций А и В дает следующие значения:

RA=28895,5 кгс; Rb=1 1101,3 кгс.

Сумма всех реакций: 4RA+ 4RB= 159998 кгс, что очень близко к значению нагрузки.

Условия равновесия составных элементов также удовлетворяются с высокой точностью. Правильность решения проверялась на модели станины, выполненной в линейном масштабе 1:2,5. Для листа 3 (рисунок 8) растягивающие напряжения были равны 186 кгс/см2 (рисунок 9в), а сжимающие - 148 кгс/см2 вместо 183 кгс/смг (там же).

На листах 2 растягивающие напряжения на одном листе - 420 кгс/см2 , на другом - 360 кгс/см2 , в среднем - 390 кгс/см2 вместо 301 кгс/см2 по расчету; сжимающие напряжения, соответственно 310 кгс/см2

и 540 кгс/см2 , в среднем - 425 кгс/см2 . Расчетные напряжения на этих листах равнялись 460 кгс/см .

Таким образом, результаты расчета удовлетворительно сходятся с экспериментальными.

Разработанный программный комплекс позволяет также рассчитывать столы прессов н другие сложные системы с учетом их взаимодействия с коробчатыми конструкциями базовых деталей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе концепции развития высоких технологий в условиях постиндустриальной экономики разработан метод, реализующий часть концепции, связанную с развитием информационных технологий производства и ремонта транспортных средств.

2. Разработан метод, позволяющий оперативно оценить статические нагрузки, что позволяет выбрать из множества конструктивных вариантов узлов несущих систем приемлемый конструктивно-технологический вариант, удовлетворяющий требованиям прочности и материалоемкости.

3. В результате аналитического обзора методов решения задач о расчете реакций и напряжений обосновано преимущество использования конечно-разностной схемы, полученной из вариационного принципа Рит-ца.

4. Разработана методика расчета на прочность, основанная на положениях вариационного принципа Ритца, учитывающая различные виды граничных точек и предоставляющая возможность полнее характеризовать особенности конструкции.

Оценка точности результатов расчета на прочность по разработанной методике, основанная на сравнении с данными испытаний, показала, что результаты расчета на прочность по разработанной методике хорошо согласуются с экспериментом и позволяют с высокой точностью получить информацию о ишфнж.сппи-^сф^/рлтр^и^и»!^«» пгсущих конст-

рукций транспортных средств.

5. По предложенной методике разработан алгоритм и комплекс программ "Плоек", который позволяет автоматизировать составление системы линейных алгебраических уравнений, полученной из конечно" -»ту гт^-т^му в упакованном

виде с контрольными точками, получая на выходе значения напряжений, перемещений, реакций; представлено полное описание программного комплекса и подробные инструкции по эксплуатации.

6. Автоматизированный расчет на прочность пространственных конструкций различного функционального назначения, состоящих из плоских элементов, позволяет уменьшить объем испытаний на статяче-

скую прочность, и, кроме того, оценить величину предела выносливости при динамических испытаниях при любом коэффициенте асимметрии цикла.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Токарева М.А. Автоматизация расчета конструкций, состоящих из плоских элементов //Тезисы докладов 1П международной технической конференции "Концепции развития и высокие технологии производства и ремонта транспортных средств в условиях постиндустриальной экономики". Оренбург: ОГУ, 1997,- С.196.

2. Токарева М.А. Программа "Плоек"// Межвузовский сборник научных трудов "Оптимизация информационных систем", ч.1/ Оренбург: ОГУ, 1997.-С. 126-131.

3. Щурин К.В., Токарева М.А. Методика расчета на прочность конструкций, состоящих из плоских элементов //Сборник научных трудов университета, "Машиностроение", ч.1 / Оренбург: ОГУ, 1997,- С. 43-48.

4. Чепасов В.И., Токарева М.А. Решение задачи упруго-деформированного состояния объемных конструкций, состоящих из плоских элементов //Сборник научных трудов университета "Машиностроение", ч.1 / Оренбург: ОГУ, 1997,- С. 49-53.

5. Щурин К.В., Токарева М.А. Автоматизация расчета на прочность конструкций, состоящих из плоских элементов //Груды П международной конференции "Методы и средства управления технологическими процессами" (3-5 декабря 1997 г.). Саранск: Мордовский государственный университет, 1997,- С. 252-256.

6. Щурин К.В., Чепасов В.И., Токарева М.А. Автоматизированный расчет на прочность пространственных конструкций, состоящих из плоских элементов: Учебное пособие.- Оренбург: ОГУ, 1998,- 240 с.

7. Щурин К.В., Токарева М.А. Автоматизированный расчет на прочность плоских и пространственных несущих систем //Труды Всероссийской научно-технической конференции "Прочность я разрушение материалов и конструкций" (22-25 июня 1998 г.) Орский индустриальный институт (филиал ОГУ). Оренбург: ОГУ, 1998. - С.46-47.

8. Автоматизация расчета на прочность пространственных конструкций, состоящих из плоских элементов: Отчет о НИР (заключ.) / Оренбургский государственный университет (ОГУ); Руководитель: К.В.Щурин. -№ ГР 01980008143, инв. № 02980005181. - М., 1998. - 503 е.: ил. - Отв. исполн. М.А.Токарева.

Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации

Оренбургский государственный университет

На правах рукописи

Токарева Марина Афанасьевна

ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ ПУТЕМ УТОЧНЕНИЯ МЕТОДА РАСЧЕТА НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИИ И РЕМОНТЕ

05.22.10 - эксплуатация автомобильного транспорта.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Щурин К.В.;

кандидат технических наук, доцент Чепасов В.И.

Оренбург-1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................5

I АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.10

1.1 Состояние проблем надежности и металлоемкости при ремонте рамных конструкций автомобилей и других транспортных машин........................................10

1.2 Общие положения метода исследования сопротивления усталости сварных станин прессов...........................17

1.3 Обоснование выбора метода решения поставленной задачи.20

1.3.1 Обзор существующих численных методов прикладной теории упругости для расчета пластин............20

1.3.2 Основные соотношения метода Ритца..............29

1. 3.2.1 Координатные функции....................32

1.3.2.2 Алгоритм метода Ритца для ЭВМ...........39

1.4 Постановка задач исследования........................45

II МЕТОДИКА И АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ И ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ, СОСТОЯЩИХ

ИЗ ПЛОСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ......................................48

2.1. Методика расчета на прочность пространственных конструкций, состоящих из плоских элементов................48

2.1.1 Общие положения.................................48

2.1.2 Плоская задача..................................49

2.1.3 Определение перемещений.........................50

2.1.4 Пластины........................................54

2.1.5 Схемы к расчету напряжений......................55

2.2 Алгоритмическая и программная реализация составления и

решения системы конечно-разностных уравнений..........60

2.3 Заключение............................................61

III ПОДГОТОВКА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА "ПЛОСК"............................63

3.1 Учет особых условий задачи............................63

3.2 Построение матрицы системы конечно-разностных

уравнений.............................................70

3.2.1 Ввод данных по областям.........................71

3. 2. 2 Подготовка исходных данных для областей А.......73

3. 2.3 Подготовка исходных данных для областей Б.......75

3. 2.4 Ввод значений весовых коэффициентов для областей А............................................77

3.2.5 Ввод значений весовых коэффициентов для областей Б............................................ 80

3.2.6 Ввод дополнительных уравнений или замещение ранее сформированных..................................81

3.2.7 Ввод дополнительных членов в ранее сформированные уравнения..............................82

3. 3 Запись групп свободных членов.........................84

3.4 Решение системы.......................................85

3.5 Подготовка исходных данных для печати перемещений

и напряжений..........................................86

3.6 Подготовка исходных данных для счета реакций..........86

3. 7 Пример составления исходных данных....................89

3.7.1 Схема и кодировка областей.....................89

3.7.2 Точки совмещения областей......................90

3.7.3 Корректировка сформированных уравнений.........95

3.7.4 Внешние силы, действующие в конструкции........96

3.7.5 Подготовка исходных данных для решения

примера........................................97

3. 8 Поставка программного обеспечения,

подготовка к работе комплекса "ПЛОСК".................98

3.9 Порядок работы с комплексом "ПЛОСК"...................98

3.10 Результаты счета.....................................99

3.11 Заключение..........................................100

IV ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА "ПЛОСК".............102

4.1 Расчет на прочность локальной модели рамы тракторного прицепа ОЗТП-9554............................ 103

4.1.1 Нумерация и кодировка точек областей..........106

4.1. 2 Совмещение областей...........................112

4.1. 3 Точки закрепления.............................119

4.1.4 Определение свободных членов..................120

4.1.5 Ввод дополнительных неизвестных

в сформированные уравнения..........................120

4.1.6 Уравнения для сложных совмещений..............121

4.1.7 Оценка результатов расчета....................123

4.2 Расчет на прочность верхней поперечины листоштамповочного пресса................................125

4.3 Заключение...........................................128

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ......................130

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................132

ПРИЛОЖЕНИЯ...............................................143

ВВЕДЕНИЕ

Развитие и становление транспортной инфраструктуры России, формирование парка подвижного состава обусловили необходимость разработки научной стратегии системы поддержания его работоспособности в условиях постиндустриального общества. Это требует решения комплекса научных и технических задач, в частности, создания методических основ разработки, оценки, прогнозирования с применением высоких информационных технологий при восстановлении работоспособности транспортных средств, а также разработки методов их использования и реализации, в том числе создания встроенных подсистем проектирования в производстве и ремонте технических средств.

Работоспособность несущих систем, как базовых деталей транспортных машин, определяет безопасность их использования, долговечность, потребление трудовых и материальных ресурсов, сокращение длительности пребывания в ремонте и другие технико-экономические показатели. Эти вопросы в настоящее время являются недостаточно изученными.

При ремонте пространственных несущих металлоконструкций различного функционального назначения необходимо учитывать состояние конструкции на момент ремонта, а также возможность замены ее элементов с учетом вариации таких параметров как геометрические формы и размеры, свойства материала. При возможном изменении этих параметров конструкция, подвергшаяся ремонту, должна обладать достаточной, как правило регламентируемой, безотказностью и долговечностью при требуемых показателях материалоемкости без многократного повторения различных видов испытаний доработанных или

модернизированных вариантов. Таким образом, возникает задача уточнения методики расчета на прочность такой конструкции с возможностью варьирования указанных параметров.

Перспективным направлением повышения надежности несущих конструкций транспортных средств, является автоматизация их расчета с применением методов теории упругости и строительной механики машин и сооружений, позволяющая на стадии проектирования выбирать рациональные по критериям прочности и технологичности конструкции, что значительно сокращает сроки их разработки и доводки.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ кафедр "Автомобильный транспорт" (тема 01860056217 "Совершенствование организации и разработка технических процессов эксплуатации, ремонта и производства автомобилей") и "Информационные системы в экономике" (тема 01980008143 "Автоматизация расчета на прочность пространственных конструкций, состоящих из плоских элементов") Оренбургского государственного университета.

В диссертационной работе поставлена цель обеспечить работоспособность транспортных средств путем уточнения метода расчета элементов несущих конструкций при их проектировании и ремонте.

Поставленная цель определяет следующие основные задачи диссертационной работы:

- исследовать факторы, определяющие работоспособность элементов несущих конструкций транспортных средств в эксплуатации и установить основные пути обеспечения надежности при ремонте и модернизации;

- разработать метод, позволяющий оперативно оценить статические нагрузки, что позволяет выбрать из множества конструктив-

ных вариантов несущих систем приемлемый конструктивно-технологический вариант, удовлетворяющий требованиям прочности и материалоемкости;

- разработать методику расчета на прочность, позволяющую учитывать произвольную конфигурацию плоского элемента;

- разработать алгоритм и комплекс программ для автоматизированного построения систем линейных алгебраических уравнений общего вида и решения этих систем в упакованном виде с контрольными точками для расчета на статическую прочность объемных конструкций, которые состоят из плоских элементов произвольной формы;

- исследовать эффективность применения уточненного метода и автоматизации расчета по предлагаемым алгоритмам для обеспечения надежности при производстве и ремонте пространственных систем, в том числе несущих конструкций транспортных средств.

Методика исследования - комплексная, сочетающая современные исследования с привлечением методов теории упругости, численных методов анализа, методов программной оптимизации.

Научная новизна результатов заключается в следующем:

- предложена уточненная методика расчета на прочность, учитывающая геометрическую конфигурацию плоского элемента;

- разработан алгоритм автоматизации составления системы конечно-разностных уравнений по предлагаемой методике;

- реализована упаковка матрицы системы с учетом оптимизации памяти и возможность прерывать решение после контрольной точки.

Практическая ценность результатов работы состоит в разработке алгоритмов и комплекса программ, реализующих методику расчета, которая учитывает различные виды геометрической конфигурации плоского элемента. При этом возможно решение больших систем за

значительно меньшее время по сравнению с известными методиками (приблизительно в 3-4 раза) за счет использования алгоритма упаковки с учетом оптимизации памяти.

Полученные результаты адекватны экспериментальным данным, полученным другими исследователями.

Результаты работы реализованы во внедрении программного комплекса "Плоек" в ОАО "ОЗТП-Сармат" (Орский завод тракторных прицепов) позволило сократить сроки НИОКР по созданию новых конструкций несущих систем, продолжительность доводочных испытаний в 1,5-2 раза, снизить трудоемкость и энергоемкость испытаний, материалоемкость изделий.

По разработанному программному комплексу произведен расчет более ста станин прессов в объединении "Гидропресс", что дало возможность снизить затраты металла и устранить необходимость экспериментальных механических разрушений станин прессов, а также в институте "ОренбургПромстройНИИпроект" для автоматизированного расчета на прочность строительных конструкций различного функционального назначения.

Программный комплекс используется в учебном процессе для решения студентами задач по курсу "Сопротивление материалов" в Оренбургском государственном университете и его филиалах.

Подтвержденный экономический эффект от внедрения программного комплекса "Плоек" в объединении "Гидропресс" составляет 105,4 млн.руб. на январь 1997 г., в институте "ОренбургПромстройНИИпроект" - 80 млн.рублей по курсу апреля 1997 г., в ОАО "ОЗТП-Сармат" - 316 млн. по курсу декабря 1997 г.

Основные результаты диссертационной работы обсуждались на III международной технической конференции "Концепции развития и

высокие технологии производства и ремонта транспортных средств в условиях постиндустриальной экономики" (г. Оренбург, ОГУ, март 1997 г.); на II международной конференции "Методы и средства управления технологическими процессами" (г. Саранск, Мордовский ордена Дружбы народов государственный университет им. Н. П. Огарева, декабрь 1997 г.); на Всероссийской научно-технической конференции "Прочность и разрушение материалов и конструкций" (г.Орск Оренбургской обл., июнь 1998 г.).

По материалам диссертационной работы и результатам исследований опубликованы 8 печатных работ.

Диссертационная работа состоит состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 142 страницах, включая 41 рисунок, 29 таблиц, а также библиографического списка использованной литературы из 122 наименований и трех приложений.

I АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

В технологических процессах, связанных с производством или ремонтом пространственных конструкций различного функционального назначения, наиболее актуальными являются вопросы прогнозирования их статической прочности и усталостной долговечности, а также металлоемкости. Достаточно точную оценку прочности и долговечности можно получить по результатам испытаний натурных конструкций в условиях моделирования схемы эксплуатационного нагружения.

Однако имеется целая группа деталей (станины, рамы, корпуса, картеры и др.), для которых стоимость, габариты, ограниченные серии изготовления или сложность создания нагружающих устройств затрудняют проведения натурных испытаний. При этом требуется изыскание других способов получения информации, необходимой для прогнозирования эксплуатационно-технологических показателей таких конструкций.

1.1 Состояние проблем надежности и металлоемкости при ремонте рамных конструкций автомобилей и других транспортных машин

Сформулированный в работе /12/ тезис о необходимости широкого использования наукоемких и информационных технологий в ремонте транспортных средств в условиях постиндустриальной экономики требует проведения анализа и классификации таких технологий с целью последующего эффективного отбора и реализации программы их прогрессивного развития. Приведенная на рисунке 1 классификация технологий /12/ позволяет вести их планомерный отбор и адаптацию для

Рисунок 1 - Классификация постиндустриальных технологий ремонта.

совершенствования производственного процесса ремонта по критериям качества, послеремонтной долговечности, экологической чистоты. Под адаптацией понимается совокупность НИР и ОКР, которые необходимо выполнить для подготовки эффективного внедрения новой технологии. Решаемые в настоящей работе задачи нашли свое отражение в автоматизированной системе технологической подготовки процесса ремонта в качестве встроенной подсистемы проектирования, выделенной на рисунке 1.

Предъявляемые к надежности транспортных средств в эксплуатации требования предусматривают обеспечение определенного уровня долговечности их несущих систем, что объясняется важностью выполняемых ими функций.

Рама является базовой конструкцией, обеспечивающей взаимное расположение ряда узлов и агрегатов и выполнение машиной транспортных функций. От свойств рамы зависят такие важные характеристики машины, как плавность хода, устойчивость, управляемость и вибронагруженность /87/. Разрушение рамы полностью приводит машину к отказу в работе и необходимости в проведении трудоемких и дорогостоящих ремонтных работ, связанных с полной или частичной разборкой машины. Поэтому рама должна иметь долговечность, равную ресурсу транспортного средства до капитального ремонта или списания, но вместе с тем не иметь излишнего запаса прочности, сказывающегося на металлоемкости.

Решению рассматриваемых научно-технических проблем посвящены работы российских и зарубежных исследователей: Бондаренко В.А., Боровских В.Е., Гасснера Е., Галлагера Р., Гусева A.C., Демьянуш-ко И.В., Дмитриченко С.С., Закса M.Н., Когаева В.П., Миркитанова В.И., Почтенного Е.К., Серенсена C.B., Щурина К.В. и других.

Среди машин транспортного назначения наиболее широким диапазоном режимов эксплуатации характеризуются автомобили, тракторы и их прицепной состав. Рамы этих машин часто разрушаются задолго до истечения срока их службы и обладают значительно меньшей долговечностью, чем другие агрегаты, не являющиеся базовыми.

Практически все режимы, а в особенности движение по грунтовым дорогам и вне дорог, создают в элементах машин циклические нагрузки, приводящие к накоплению усталостных повреждений, являющихся основной причиной отказов.

Значительная доля усталостных повреждений автомобилей приходится на их несущие системы. Результаты обследования около 400 грузовых автомобилей ГАЗ, ЗИЛ и МАЗ, поступивших в капитальный ремонт, показали, что не менее 80% автомобилей имели трещины и повреждения рам, при этом 64-93% повреждений носили усталостный характер /52/. Для несущих систем полупрцепов ОдАЗ эта цифра выше - 90% /19/.

Появление усталостных трещин в элементах и узлах несущих систем приводит к существенному увеличению их нагруженности. Например, после разрушения только одной заклепки напряжения в опасном сечении поперечины возрастают на 120% /91/.

Дальнейшее развитие усталостного повреждения можно описать следующими стадиями /20/: разрушение одного элемента без нарушения работоспособности несущей системы; частичное нарушение работоспособности несущей системы и связанных с ней агрегатов; полное разрушение несущей системы. Однако еще до полного разрушения несущей системы наличие усталостных трещин в узлах может привести к чрезмерному снижению ее угловой жесткости и далее - к потере устойчивости транспортного средства в экстремальных условиях экс-

плуатации /17/.

Недостаточная долговечность приводит к большому объему восстановительных работ по раме при капитальном ремонте автомобилей /24, 54/. Кроме то