автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Разработка методики и оценка пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов

На правах рукописи

Вашурин Андрей Сергеевич

Разработка методики и оценка пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов

Специальность 05.05.03 - Колесные и гусеничные машины

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 О ФЕВ 2014

Нижний Новгород 2014

005545237

Работа выполнена на кафедре «Автомобили и тракторы» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева.

Орлов Лев Николаевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автомобили и тракторы»

Зузов Валерий Николаевич

доктор технических наук, профессор

(ФГБОУ ВПО МГТУ им. Н.Э. Баумана, профессор

кафедры «Колесные машины»)

Филькин Николай Михайлович

доктор технических наук, профессор (ФГБОУ ВПО ИЖГТУ им. М.Т. Калашникова, профессор кафедры «Автомобили и металлообрабатывающее оборудование»)

Государственный научный центр Российской Федерации - ФГУП «НАМИ»

Защита диссертации состоится «26 » марта 2014 г. в «14 » часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.04 при Нижегородском государственном техническом университете им. P.E. Алексеева по адресу: 603950, г. Н. Новгород, ГСП - 41, ул. Минина, д. 24, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева и на сайте университета по адресу:

http://www.nntu.ru/content/aspirantura-i-doktorantura/dissertacii

Отзыв на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенный печатью организации, просим направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « 12 » февраля 2014 г.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

JI.H. Орлов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Повышение пассивной безопасности автобусов является одной из важных задач при разработке новых конструкций или модернизации существующих. Пассивная безопасность автобуса в основном определяется конструкцией кузова, который должен обеспечивать сохранение остаточного жизненного пространства внутри салона. Известно, что оценка безопасности автобуса может проводиться, как по результатам натурных экспериментальных исследований (опрокидывание с уступа), так и по результатам компьютерного моделирования соответствующих условий аварийного нагружения. Среди существующих конструкций автобусов отдельную группу составляют вахтовые автобусы, состоящие из многослойных панелей и предназначенные к эксплуатации в различных природно-климатических условиях (в том числе в труднодоступных районах с высокими и низкими температурами). Несмотря на наличие известных расчетных методик, основанных на использовании современных пакетов программ и постоянно растущих вычислительных мощностей, вопросы компьютерного моделирования ударного воздействия аварийных нагрузок на конструкции кузовов из многослойных панелей, а также влияния температурного фактора на их прочность и пассивную безопасность недостаточно изучены. В этой связи возникает необходимость в дальнейшем развитии методик оценки пассивной безопасности вахтовых автобусов, а также исследования поведения кузовов из многослойных панелей при различном силовом и температурном воздействии. Решению этих актуальных задач посвящена данная диссертационная работа.

Цель работы. Разработка методики расчетно-экспериментальной оценки пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов и их доводки на основе компьютерного моделирования условий аварийного нагружения при опрокидывании и результатов испытаний отдельных характерных участков; практическая реализация полученных результатов.

Объекты исследования. Кузова из многослойных панелей вахтовых автобусов на шасси грузовых автомобилей КАМАЗ, ГАЗ, Урал. Научная новизна:

• Разработана методика расчетно-экспериментальной оценки пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов и их доводки на основе результатов компьютерного моделирования и испытаний, позволяющая прогнозировать их безопасность и оценивать ее на завершающем этапе, а также при сертификации.

• Предложен способ моделирования многослойных панелей, систематизированы критерии качества, предъявляемые к конечно-элементным моделям, разработаны подробные расчетные модели кузовов, максимально учитывающие

з

особенности их конструкций, применяемые при оценке пассивной безопасности вахтовых автобусов.

• По результатам проведенных расчетно-экспериментальных исследований получены уточненные характеристики многослойных панелей и их материалов, в том числе с учетом влияния температуры окружающей среды, необходимые для разработки конечно-элементных моделей кузовов автобусов при оценке их безопасности и прочности.

• Даны научно обоснованные практические рекомендации по повышению пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов.

Методы исследования. Компьютерное моделирование, имитирующее опрокидывание автобуса с уступа в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН №66, проведено с использованием современных расчетных программных пакетов, основанных на методе конечных элементов и алгоритмах расчетов существенно нелинейных процессов, использующих явные схемы математического интегрирования. Экспериментальные исследования проведены в лаборатории Института транспортных систем НГТУ на современном поверенном оборудовании Центра коллективного пользования «Транспортные системы». Основные положения, выносимые на защиту:

• Методика расчетно-экспериментальной оценки пассивной безопасности кузовов автобусов из многослойных панелей.

• Конечно-элементные модели многослойных панелей и кузовов, параметры которых (физико-механические свойства материалов и элементов соединения) выбраны и обоснованы по результатам экспериментальных исследований образцов и отдельных силовых элементов вахтовых автобусов.

• Результаты расчетно-экспериментальных исследований несущей способности кузовов вахтовых автобусам в условиях действия статических и динамических разрушающих нагрузок.

• Результаты исследования влияния температур окружающего воздуха на пассивную безопасность кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов.

• Практические рекомендации по повышению пассивной безопасности кузовов вахтовых автобусов, состоящих из многослойных панелей.

Достоверность результатов расчетных исследований подтверждена известными теоретическими решениями и результатами испытаний образцов многослойных панелей, их конструкционных материалов, полномасштабного кузова вахтового автобуса и его характерных участков. Практическая ценность работы

Разработанная методика позволяет достоверно оценивать пассивную безопасность кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов без проведения дорогостоящих полномасштабных испытаний, с учетом особенностей их конструкции и температурных условий эксплуатации.

Материалы диссертации могут быть использованы в расчетных и конструкторских отделах предприятий, занимающихся разработкой кузовов из многослойных панелей автобусов, а также в органах по сертификации автотранспортных средств, в научно-исследовательских институтах и высших учебных заведениях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г. Н. Новгород, НГТУ, 2010 г.), 70-й и 78-й Международных научно-технических конференциях Ассоциации автомобильных инженеров РФ (г. Дмитров-7, ФГУП НИЦИАМТ, 2010 и 2012гг.).

Реализация результатов работы. Разработанная методика, расчетные модели, результаты исследований внедрены на предприятиях, занимающихся разработкой и производством вахтовых автобусов (ООО «Автофургон», ООО «ПСП-НН», ООО «Автомеханический Завод»), в Центре безопасности дорожного движения и технической экспертизы НГТУ, НП «ИНСАТ», учебном процессе кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ им. P.E. Алексеева.

Публикации. Основные положения и результаты работы опубликованы в 10 научных работах, из которых 5 статей - в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 статья - в зарубежном журнале, 2 статьи - в других изданиях, 2 патента РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы из 154 наименований, четырех приложений. Работа содержит 225 страниц основного машинописного текста, включая 191 рисунок, 28 таблиц, 109 формул и 33 страницы приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована ее цель, определены научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, практическая значимость результатов, апробация работы, ее структура и объем.

В первой главе проведен анализ работ, посвященных вопросам оценки и повышения пассивной безопасности кузовных конструкций. Исследованиями в данной области занимались JI.JI. Афанасьев, А.И Боровков, A.M. Иванов, М.В. Лыюров, О.И. Мельников, Э.Н. Никульников, А.И. Рябчинский, О.А.Русанов, Р.К. Фотин, В.В. Фролов, В.Н. Зузов, Н.М. Филькин, В.Б. Цимбалин, Л.Н. Орлов, A.B. Тумасов, а также другие ученые и исследователи. Особое внимание уделено работам, посвященным расчету многослойных оболочек, и их применению в автомобилестроении. В работах Э.И. Григолюка, Е.А. Когана, H.A. Кулакова рассматриваются методы расчета трехслойных конструкций, нормы прочности несущих систем автобусов, в том числе при их опрокидывании. Проектированию несущих систем и применению композитных материалов посвящены работы В.Н. Зузова и Афанасьева. Эффективность применения многослойных панелей (сэндвич-панелей) в конструкциях основания и крыши для повышения прочности кузовов автобусов отражена в работе О.В. Воронкова, В.И Пескова. Из зарубежных авторов, занимающихся вопросами пассивной безопасности кузовов автобусов, необходимо отметить работы Vincze-Pap Sändor по экспериментальной оценке кузовов

автобусов 1кашБ, исследования 1еггуШ. \Vekezer по расчетно-экспериментальной оценке пассивной безопасности специальных автобусов, исследования К\уап§-Вок5Ьт по расчетной оценке пассивной безопасности кузовов городских автобусов из сэндвич-панелей. Выполнен анализ нормативных документов и работ по оценке влияния температур на прочностные характеристики материалов. Теоретическое обоснование зависимости механических характеристик металлов от температуры приведено в работах М.И. Гольдштейна и Р.В. Херцберга. В работах В.К. Крыжановского объяснена природа изменения характеристик полимеров при изменении параметров окружающей среды. Из анализа рассмотренных работ можно сделать вывод о том, что в настоящее время вопрос оценки пассивной безопасности кузовов автобусов классической каркасной конструкции на соответствие требованиям Правил ЕЭК ООН№66 достаточно изучен. Накоплен значительный опыт по их расчету и проектированию. Однако вопрос компьютерного моделирования условий аварийного нагружения кузовов из многослойных панелей практически не рассмотрен, отсутствуют методики расчетно-экспериментальной оценки несущей способности вахтовых автобусов. Проблема обеспечения пассивной безопасности во всем возможном температурном диапазоне эксплуатации автобусов так же практически не рассматривается как в отечественной, так и зарубежной литературе.

В соответствии с указанными проблемами по оценке пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов сформулирована цель работы и поставлены следующие задачи исследования:

1. Разработать методику оценки пассивной безопасности кузовов вахтовых автобусов в условиях опрокидывания по результатам компьютерного моделирования и испытаний.

2. Разработать конечно-элементную модель многослойной панели, адаптированную для использования в расчетах кузовов автобусов на пассивную безопасность.

3. Разработать подробные конечно-элементные модели кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов с учетом конструктивных особенностей панелей, их соединений и реальных физико-механических характеристик материалов. Провести расчетную оценку пассивной безопасности кузовов рассматриваемых вахтовых автобусов.

4. Выполнить экспериментальные исследования по определению характеристик материалов, панелей и характерных участков кузова вахтового автобуса. Провести динамические полномасштабные испытания кузова вахтового автобуса с учетом требований Правил ЕЭК ООН №66. Дать сравнительную оценку результатов расчетных и экспериментальных исследований несущей способности многослойных панелей, фрагментов кузова и кузова в целом с целью обоснования правомерности разработанной методики и её практического применения.

5. Оценить влияние температуры окружающего воздуха на механические характеристики материалов, применяющихся в кузовах вахтовых автобусов, и пассивную безопасность автобусов.

6. Разработать практические рекомендации по повышению пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов.

Рисунок 1- Внешний вид вахтового автобуса

Во второй главе рассмотрены особенности конструкций данного типа автобусов (рисунок 1), изложена методика расчетно-экспериментальной оценки пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов в условиях опрокидывания (рисунок 2), учитывающая их конструктивные особенности и влияние температурных условий их эксплуатации на пассивную безопасность.

На первом этапе методики, для более рационального моделирования конструкции,

следует изучить имеющуюся конструкторскую документацию на исследуемый автобус. Далее, для адекватного отображения характеристик материалов, необходимо проводить испытания с последующим сравнением результатов расчетов и экспериментов образцов многослойных панелей и материалов, из которых они состоят При этом особое внимание должно уделяться обоснованию и выбору способов моделирования соединительных элементов (болтов, заклепок, винтовых и клеевых соединений и др.).

С целью обоснования правомерности выбора подробной конечно-элементной модели (КЭМ) всего кузова, предварительно необходимо провести расчетно-экспериментальные исследования работоспособности и деформируемости его отдельных характерных участков в условиях натурных испытаний и расчетов. Получив удовлетворительные результаты, можно приступать к созданию конечно-элементной модели всего кузова, заданию граничных условий и режимов аварийного нагружения и параметров расчета.

А№и»1! КОНСТруШШ НССУЩСЙ | автобуса

комнькмсрнос моделнрованпс-Раграбожа расчсгны.ч моделей:

Определение характеристик Образцов материалов Образцов мотерналов Характсрнс 1 ик ма1ерналов

материалов и раече шоп модели

+

Расчетно-зкснеримен гальная оценки несущей способноеш Сэндвич-панелей Образцов панелей Расчетных моделей

многослойных панелей

Исследование способов моделирования крепежных элементов Соединительных злементои - Образцов соединении Характеристик элементов соединений

*

Обоснование правомерности выбора расчетной модели кузова автобуса на примере его

КЭМ характерных учис1кои купона Харикк'рны.ч участков кузова Расчетных моделей характерных участков кузова

характерных участков

Задание граничных УСЛОВИЙ, аварийной нагрузки и параметров расчет

|'афвбитка практических рекомендации п внесение пшенсннП а конструкцию

Рисунок 2 -Структурная схема методики расчетно-экспериментальной оценки пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов и их доводки

На первом этапе расчетных исследований необходимо проанализировать поведение конструкции при нормальных условиях. Далее следует оценить поведение конструкции во всем прогнозируемом диапазоне температур эксплуатации автобуса. При соответствии исследуемой конструкции требованиям Правил ЕЭК ООН №66 во всем диапазоне температур, можно сделать вывод о том, что кузов обеспечивает требуемый уровень пассивной безопасности. Если конструкция соответствует требованиям Правил только при нормальных условиях, но не обеспечивает нормируемый уровень безопасности при других эксплуатационных температурах, то необходимо проводить работы по доводке конструкции, которые могут включать в себя как подбор других материалов, соединительных элементов, так и работы по поиску рациональных толщин слоев многослойных панелей кузова. Разработанная методика может применяться при проектировании, доводке и сертификации вахтовых автобусов на соответствие требованиям Правил ЕЭК ООН №66.

В настоящее время при проведении расчетных работ по оценке пассивной безопасности автобусов, как правило, используются современные пакеты программ, основанные на методе конечных элементов в нелинейной постановке. Достоверность получаемых при конечно-элементном анализе результатов во многом зависит от качества моделей, принятых допущений, размеров сетки, используемых материалов и их характеристик. В связи с этим в работе рассмотрены и систематизированы основные критерии качества подробных конечно-элементных моделей, позволяющие получить достоверные результаты моделирования условий опрокидывания автобусов, приведены основные теоретические положения метода конечных элементов, в основе которого лежит известный принцип виртуальных перемещений: \е= ¡иут/"сЛ' + ^и^/'сБ +

ГС 5 I (1)

В матричной форме для решения динамической задачи уравнение равновесия с учетом диссипации энергии (демпфирования) записывается следующим образом:

М0 + Си + Ки = Я, где Я=ЯВ -Яа +ЯС , (2)

и, 0,11- матрицы перемещений, скоростей и ускорений узловых точек модели;

М - матрица масс |р(т)Я("|)г//(т)^Л/('"); (3)

т у™

С - матрица демпфирования с = £ |£<",#("'),'я'"'Л^™1; (4)

т у'т)

К— матрица жесткости ^ = 2 ^ (5)

т

Дв -Ял Яо, Кс — матрица объемных, поверхностных, начальных и сосредоточенных сил: кв = Т. \ нПт)Т[ /В(т} ~ р(т)Н(т)0 - к(т)Н(т)0 ] (1У{т), (6)

т уы

Яд =2 /я5(т)г/5(т)а»(т); яс (7)

т 5<-> т р<->

где т - число элементов; - коэффициент демпфирования т-то элемента; -матрица формы элемента, зависящая от его типа и формулировки; В(т> - матрица градиентов; а^- начальные напряжения; - матрица упругости; /В<т), /$(т> - поверхностные и объемные силы.

Нелинейный процесс ударного нагружения кузовных конструкций, как правило, моделируется с использованием явных математических схем интегрирования. При этом шаг по времени А/ определяется из условия Куранта-Фридрикса-Леви, исходя из размеров элементов I сетки и времени прохождения волны возмущения в элементе, по формуле

Л I Е

Д/=-, где с2= —— с \р(1-у )

Щ-у)

1р(1+у)(1-2у)' (8)

где с,- скорость звука (С2 - для двумерного, Сз - трехмерного элементов соответственно), Е - модуль Юнга материала элемента; р- плотность материала, V - коэффициент Пуассона.

При компьютерном моделировании быстропротекающих и нелинейных процессов, связанных с пассивной безопасностью автобусов, также требуется учитывать упруго-пластическое поведение материала. Поэтому должны проводиться испытания образцов по определению их прочностных характеристик. Для металлов наиболее распространенным является испытание на растяжение, в результате которого получают зависимость напряжений от относительных деформаций. Однако в расчетных моделях требуется задание зависимости напряжения Коши от истинной деформации. Преобразование экспериментальной кривой в расчетную с учетом неизменности объема (А£ = А0£0) при пластической деформации металлов осуществляется в виде

Р Р Ь „ . л лп ьп

где

Е =1п

= 1п { ¿--О

1 +-

Ч^о / 1 А, J

= 1п(1 + г0).

(9)

В многослойных панелях, в качестве заполнителя, применяются различные пеноматериалы, например, пенополистирол. Их поведение существенно отличается от металлов. Механические свойства пеноматериалов зависят от их геометрической структуры (размера и формы ячеек) и собственных свойств материала. Принципиальные диаграммы напряжений а при одноосном сжатии (растяжении) имеют вид, показанный на рисунке 3. В отличие от сталей, пеноматериалы имеют различный характер поведения при растяжении и сжатии.

Рисунок 3 - Принципиальная диаграмма зависимостей напряжений пеноматериала от относительных деформаций 1 - при сжатии; 2 - при растяжении

Как правило, диаграммы для конкретных пеноматериалов, полученные по результатам экспериментов, строятся в зависимости от объемной деформации:

= 1п|^| = 1п

Л-А«)

Известно, что на характеристики материалов влияет температура окружающей среды. Зависимость предела текучести металлов определяется составляющей Оо, учитывающей напряжения Пайерлса - Набарро в уравнении Холла-Петча:

стт = сто +ку (11)

где (1 - размер зерна; ку - коэффициент пропорциональности, зависящий от химического состава материала; а0 - предел макроупругости, определяемый из уравнения сг0 = сгп+ад +сгду+арэл, (12)

где - напряжение, вызванное дислокациями; Од у - напряжение дефекта упаковки; ар эл - напряжение растворенных элементов в матрице. ап - напряжение

Пайерлса-Набарро, определяемое по формуле: егп = ^ -ехр| - ^ •—(13)

1—у ^ 1-V Ь)

где ¿/-межплоскостное расстояние; Ь - вектор Бюргера; V - коэффициент Пуассона; й - модуль сдвига.

В сталях с объемно-центрированной кубической решеткой напряжение Пайерлса-Набарро быстро возрастает при уменьшении температуры, обусловливая резкое увеличение предела текучести. В сплавах с гранецентрированной кубической решеткой компонента напряжения Пайерлса-Набарро мала. Поэтому температурная чувствительность напряжения низкая.

У полимерных материалов температурная зависимость определяется химическим строением, физической организацией полимеров, морфологией их надмолекулярной структуры, видом и интенсивностью межмолекулярных связей, классом полимеров. Аморфные полимеры имеют меньшую зависимость прочностных свойств от температуры. Введение дисперсных наполнителей, как правило, снижает зависимость механических свойств от температуры. У большинства пластиков зависимость прочностных свойств от температуры достаточно ярко выражена, это связано с их цепным макромолекулярным строением. Зная структуру материала, можно предполагать степень зависимости характеристик материала от температуры, и при проектировании отдавать предпочтение тем материалам, у которых такая зависимость минимальна, а также планировать объем испытаний в соответствии с разработанной методикой.

В третьей главе представлены результаты испытаний образцов материалов и многослойных панелей, применяемых в конструкциях кузовов вахтовых автобусов, при различных условиях нагружения, а также характерных участков (углов) кузова из многослойных панелей. Приведены результаты исследований по оценке влияния

температуры на прочностные характеристики материалов и клеевых соединений. Фрагменты испытаний показаны на рисунке 4

а) б) в) __ г)

Рисунок 4 - Фрагменты испытаний образцов материалов и панелей:

а - композит в условиях одноосного растяжения; б - пенополистирол при сжатии, в и г - многослойные панели при трехточечном изгибе и сдвиге Испытания многослойных панелей проведены в условиях трехточечного изгиба, сдвига и консольного нагружения. В кузовах из многослойных панелей важную роль играют соединительные элементы панелей кузова. Поэтому в работе проведены натурные испытания всех типов соединений (клеевых, болтовых, заклепочных и соединений с помощью шурупов).

Для оценки влияния температуры окружающего воздуха на прочностные характеристики материалов проведены испытания их образцов, а также соединительных элементов, в диапазоне температур от / = -60° до / = +60°С с использованием специального устройства, защищенного патентом на полезную модель (рисунок 5). На рисунке 6, для примера, приведены результаты испытаний композитного материала и оцинкованной стали.

1;кН Е, МПа

2

Рисунок 5 — Фрагмент испытания образцов на трехточечный изгиб при пониженных температурах

14000

12000

10000

8000

()■ 4 8 12 16 20 24 ДЦмм -60 -40 -20 0 +20 +40 +60

а) б)

Рисунок 6 - Экспериментальные зависимости механических характеристик а - Диаграмма деформирования образца из оцинкованной стали 1 - при нормальных условиях (/ = +20°С)\ 2- при температуре I = -60°С б - зависимость модуля Юнга от температуры композитного материала

11

Для обоснования правомерности предложенных решений при конечно-элементном моделировании проведены испытания характерных участков (углов) кузова вахтового автобуса, результаты которых представлены далее.

В четвертой главе рассмотрена практическая реализация разработанной методики на примере оценки пассивной безопасности пяти кузовов вахтовых автобусов. Для каждого из них, в соответствии с разработанной методикой, подбирались параметры моделей материалов, максимально описывающие их поведение при натурных испытаниях. Для примера, на рисунках 7 и 8 приведены результаты компьютерного моделирования нагружения образцов композитного и

пеноматериала в сравнении с результатами натурных испытаний.

Б=Омм 5=11,5мм

а) б)

Рисунок 7 - Результаты компьютерного моделирования и испытания образца композитного материала в условиях действия изгибной нагрузки а - конечно-элементная модель образца в исходном и деформированном состоянии; б - графики изменения вертикальной нагрузки Р от вертикального перемещения 8; кривые: 1 - расчет, 2 - эксперимент

Р,к11

8, мм

б) в)

Рисунок 8 - Результаты компьютерного моделирования и испытания из образца

пенополистирола:

а и б - конечно-элементная модель в исходном и деформированном состояниях; в - графики изменения вертикальной нагрузки Ь от вертикального перемещения кривые: 1 - расчет,

2 - эксперимент

После этого была проведена сравнительная оценка результатов натурных испытаний образцов панелей с результатами расчетов трех видов конечно-элементных моделей: модель 1 содержит оболочечные и объемные элементы, соединенные «узел в узел»; модель 2 - оболочечные и объемные элементы, соединенные связанным контактом; модель 3 - только оболочечные элементы,

которым задано свойство многослойной оболочки. Для всех моделей были воспроизведены режимы нагружения, аналогичные экспериментальным исследованиям. Деформированные виды этих конечно-элементных моделей и графики изменения нагрузки приведены на рисунке 9.

Р,кН

''--:¡:13 П': ""

а)

б)

в)

Рисунок 9 - Деформированные виды конечно-элементных моделей, графики изменения

вертикальной нагрузки а, б, в - модели 1, 2, 3 и соответствующие кривые на графике г; эксп. - результаты экспериментов

Аналогичные расчетно-экспериментальные исследования проведены в условиях сдвига (рисунок 4, г) и консольного нагружения.

На основе проведенных исследований многослойных панелей была разработана подробная КЭМ угловых участков кузова вахтового автобуса. Выполнены расчеты ее напряженно-деформированного состояния, проведена сравнительная оценка результатов расчетов и экспериментов (рисунок 10).

И.кН

Я.т

б) в)

Рисунок 10 - Результаты исследований характерных участков кузова: а - фрагмент испытаний, б - напряженно-деформированное состояние расчетной модели; е- графики изменения нагрузки от деформации, полученные расчетом / и экспериментально 2

Из графиков видно, что расчетная кривая хорошо согласуется с экспериментальной. После вычисления энергоемкости конструкции, как площади под графиком, установлено, что экспериментальное значение составляет Ек = 16,13 кДж, а расчетное - Ек — 18,39 кДж. Разница результатов не превышает 14%, что является приемлемым. Следовательно, разработанная подробная конечно-элементная модель адекватно отражает характер поведения реальной конструкции, обеспечивает получение достоверных результатов расчета. Для подтверждения полученных результатов и апробации разработанной методики были также проведены расчетно-экспериментальные исследования всего кузова (рисунок 11). Испытания кузова №1 проводились в научно-исследовательской лаборатории НГТУ им. P.E. Алексеева с использованием специально разработанного стенда-опрокидывателя, защищенного патентом на полезную модель, измерительной и регистрирующей аппаратуры (высокоскоростной видеокамеры).

Для расчетной оценки несущей способности кузова №1 была разработана подробная конечно-элементная модель, состоящая из 3 322 673 узлов и 3 981 380 элементов. Модели материалов задавались по результатам расчетно-экспериментальных исследований. Панели кузова, состоящие из плакированной стали наружной обшивки, пенополистиролового заполнителя и внутренней обшивки из оцинкованной стали, моделировались с помощью оболочечных и объемных элементов, соединенных «узел—узел». Клеевое соединение между панелями моделировалось специальным связанным контактом с возможностью разрушения.

а) б)

Рисунок 11 - Деформированное состояние кузова №1 из многослойных панелей: а - по результатам компьютерного моделирования; б - в результате натурного эксперимента

Получена удовлетворительная сходимость результатов расчета и эксперимента. На рисунке 10 видно, что механизмы разрушения и зоны разрушений модели и реального кузова совпадают. В модели и при эксперименте произошло разрушение

задней панели в месте стыковки листов обшивок панели, одинаковые разрушения соединений задней панели с панелями пола и крыши.

Таким образом, предложенные подходы и способы моделирования могут быть использованы при проведении расчетных оценок пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов.

Практическая реализация методики осуществлена при проведении оценки пассивной безопасности опытных кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН №66. Результаты их расчета приведены на рисунках 12,13,15.

Рисунок 12 - Деформированный вид модели кузова №2

Кузов №2 состоит из трехслойных панелей, его внутренняя обшивка выполнена из фанеры. В соответствии с разработанной методикой проводились расчетно-экспериментальные исследования по моделированию характеристик материалов и соединительных элементов.

Модель кузова №2 состоит из 1617212 узлов и 1843796 элементов. Многослойные панели представлялись с помощью оболочечных и объемных элементов, соединенных «узел-узел». Для моделирования внутренней обшивки (фанеры) использовались элементы, которым было задано свойство многослойной оболочки с ортотропным материалом, имеющим характеристики шпона фанеры. Как видно из рисунка 12, модель опытного кузова №2 не отвечает требованиям Правил ЕЭК ООН №66, так как произошло внедрение элементов кузова в остаточное жизненное пространство и нарушение структурной целостности кузова. Поэтому для повышения его безопасности был разработан комплекс рекомендаций, направленных на усиление связей панелей боковин с панелями основания крыши передней и задней частей кузова. Исследуемый кузов №3 состоит из пятислойных панелей. Его расчетная модель включает 4 104 979 узлов и 4 946 346 элементов. Всем элементам обшивки панелей задавалось свойство многослойной Р

оболочки, включающей в себя один слой композитного ™

материала и четыре слоя ортотропного материала, имитирующего фанеру. Отличительной особенностью этого кузова является способ соединения многослойных

а)

б)

панелей между собой, показанный на рисунке 13.

Рисунок 13 -Фрагмент соединения панелей

Данный кузов выдержал ударное нагружение, имитирующее опрокидывание автобуса я

Он не потерял структурную целостность, при ''

сохранении внутри регламентированного И /

жизненного пространства. Я /

Следует отметить, что кузов №1 и

производится также в модификации с , „ ,

Рисунок 14 -Деформированный вид композитными обшивками многослойных модели №3

панелей. Результаты исследования влияния температуры окружающей среды на

пассивную безопасность такого кузова приведены на рисунках 15 и 16.

а) б)

Рисунок 15 - Деформированные виды модели кузова №1 с композитными обшивками многослойных панелей: а - при температуре / = +20°С; б — / =+60°С

Из рисунка 15 видно, что деформации кузова при температуре X = +60°С значительно больше, чем при / = +20°С. При этом его модель потеряла структурную целостность: разрушилась задняя панель, нарушились соединения передней панели с прилегающими панелями. Кузов фактически превратился в кинематический механизм и потерял способность в дальнейшем поглощать энергию удара.

Рисунок 16 - Графики изменения ударной нагрузки: 1 - при нормальных условиях ; 2 - при / = +60' С\ 3 - при I = -60°С

Это подтверждает и зависимость (кривая 2) изменения ударной нагрузки, приведенный на рисунке 16. Из сравнения графиков изменения ударных нагрузок видно, что при / = +60° С наблюдается наименьшее (меньше на 27% в сравнении с / = +20° С) пиковое значение нагрузки и наоборот, при I = -60°С пиковое значение ударной нагрузки больше на 7%, чем при г = +200 С, а максимальная деформация меньше на 4%.

Выполненные исследования и полученные результаты подтверждают целесообразность практического использования разработанной методики.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика расчетно-экспериментальной оценки пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов на основе компьютерного моделирования условий аварийного нагружения при опрокидывании в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН №66 и результатов испытаний отдельных характерных участков, предназначенная для использования на этапах проектирования, доводки и сертификации вахтовых автобусов. Выполненный сравнительный анализ результатов расчетных и экспериментальных исследований (расхождение в пределах 14 %) подтвердил обоснованность и правомерность практического применения разработанной методики, достоверность результатов компьютерного моделирования.

2. Теоретически определен и экспериментально подтвержден способ представления многослойных панелей в расчетных моделях кузовов вахтовых автобусов для оценки их пассивной безопасности: наружная и внутренняя обшивки моделируются оболочечными, а заполнитель - объемными элементами. При этом обеспечивается расхождение результатов расчетов и экспериментов, не превышающее 12%.

3. Разработаны подробные конечно-элементные модели кузовов из многослойных панелей, наиболее полным образом учитывающие особенности их конструкций, используемые при оценке пассивной безопасности рассматриваемых вахтовых автобусов по результатам компьютерного моделирования; систематизированы их критерии качества.

4. Определено влияние температуры окружающей среды на прочностные характеристики материалов с использованием разработанного приспособления, защищенного патентом на полезную модель. Наиболее чувствительными к изменению температуры являются композитные материалы: при повышении температуры от / = +20° до / = +60ПС модуль Юнга для материала с длинными армирующими волокнами падает более чем на 30%, а предел прочности -практически вдвое; при понижении температуры с 1=+20°до ! - -60°С модуль Юнга увеличивается более чем на 17%. Чувствительными к изменению температуры являются и клеевые композиции, применяемые в вахтовых автобусах. Их разрушающее усилие падает на 46% при повышении температуры

до t = +60°С. Степень влияния температуры на характеристики сталей неодинакова. Предел пропорциональности (прочности) при t = -60° С возрастает у стали 3 на 10% (9,6%), у плакированной стали - на 24,5% (12,4%), у оцинкованной - на 32% (12,2%). Относительное удлинение уменьшается соответственно на 31,3%, 14,6% и 23,6%.Применяемый алюминиевый сплав в указанном диапазоне не чувствителен к изменению температуры.

5. Установлено, что пассивная безопасность кузовов из многослойных панелей автобусов зависит от температуры окружающей среды. Расчетом получено, что исследуемый кузов вахтового автобуса с композитными обшивками при t = +60° С полностью разрушается, поглотив только 15,6кДж энергии, что составляет 82% от энергии удара, в то время как при нормальных условиях он поглощает всю энергию, сохраняя внутри салона остаточное жизненное пространство.

6. Разработана методика проведения специальных испытаний кузовов вахтовых автобусов на стенде - опрокидывателе, защищенном патентом на полезную модель, по которой проведены полномасштабные испытания кузова из многослойных панелей вахтового автобуса и получены результаты, подтверждающие данные компьютерного моделирования.

7. Проведена оценка пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей рассматриваемых вахтовых автобусов. При этом установлено, что применяемые в кузовах многослойные панели толщиной 30 мм и более, при условии соблюдения технологии изготовления, имеют необходимую несущую способность по разрушающим нагрузкам. Поэтому основной рекомендацией по повышению пассивной безопасности таких автобусов является обеспечение прочности соединений (угловых связей) панелей кузова между собой.

8. Результаты исследований внедрены на предприятиях, занимающихся разработкой и производством вахтовых автобусов на шасси грузовых автомобилей (в ООО «Автофургон», ООО «Промавто», ООО «Автомеханический завод»), в Центре безопасности дорожного движения и технической экспертизы (ЦБДДТЭ), Институте сертификации автомототехники (ИНСАТе), а также в учебном процессе кафедры «Автомобили и тракторы» ФБГОУ ВПО «НГТУ им P.E. Алексеева».

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации научных результатов кандидатских диссертаций:

1. Вашурии, A.C. Расчетно-экспериментальная оценка прочности и пассивной безопасности кузова автобуса с трехслойными панелями/ Л.Н. Орлов, А.В.Тумасов, А.С.Вашурин [и др.] // Журнал ААИ. -2011,- №1.- С.20-22.

2. Батурин, A.C. Определение характеристик многослойных панелей кузова автобуса. /Л.Н. Орлов, A.B. Тумасов, A.C. Вашурин [и др.] //Вестник Ижевского государственного Технического Университета. - 2012. - № 1.- С. 4 - 7.

3. Вашурин, A.C. Оценка пассивной безопасности автобуса по результатам компьютерного моделирования/Л.Н. Орлов, A.B. Тумасов, П.С. Рогов, A.C. Вашурин // Современные проблемы науки и образования. Электрон, журн. - 2013. - № 3; URL; www.science-education.ru/109-9423 .

4. Вашурин, A.C. Расчетная оценка пассивной безопасности перспективного автобуса/Л.Н. Орлов, A.B. Тумасов, A.C. Вашурин [и др.]//Вестник Ижевского государственного технического университета. -2013. - №1. - С. 6 - 11.

5. Вашурин, A.C. Оценка деформируемости секций и пассивной безопасности кузова в условиях, имитирующих опрокидывание автобуса/Л.Н. Орлов, A.B. Тумасов, П.С. Рогов, A.C. Вашурин, К.С. Ившин //Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2013. -№1. - С. 4 - 6.

Патенты РФ:

6. Патент на полезную модель RU135136U1 МПК G0IN3/02. Устройство для испытаний конструкционных материалов на изгиб при нормальных, криогенных и повышенных температурах/ Вашурин A.C., Чегуров М.К. -2013129131/28; заявл. 25.06.2013; опубл.: 27.11.2013

7. Патент на полезную модель RU134870U1 МПК В60Т17/22. Стенд-опрокидыватель для оценки пассивной безопасности кузовов автотранспортных средств/ Макаров B.C., Зезюлин Д.В., Орлов Л.Н., Тумасов A.B., Вашурин A.C. [и др.] -2013129715/11; заявл. 27.06.2013; опубл.: 27.11.2013

Публикации в прочих изданиях:

8. Вашурин, A.C. Исследование несущей способности многослойных панелей / A.C. Вашурин, A.B. Герасин, Л.Н. Орлов/Труды НГТУ им. P.E. Алексеева. -2012. -№1,-С. 128-133.

9. Вашурин, A.C. Оценка несущей способности каркаса кузова автобуса по результатам компьютерного моделирования/ Л.Н. Орлов, П.С. Рогов, A.C. Вашурин, А.В.Тумасов, Н.Ф. Феокистов //Труды НГТУ им. P.E. Алексеева. - 2012. -№3(96).- С. 150- 156.

10. Vashurin, A.S. Analysis of Simulation Approaches for Calculative Estimation of Buses Passive Safety / A.S. Vashurin, L.N. Orlov, A.V. Tumasov [and others]// The 2012 International Conference on Advanced Vehicle Technologies and Integration (VTI2012). Advanced Technologies for Commercial Vehicles - July 16-19, 2012,Changchun, China. ISBN 978-7-111-39909-4. - P519-523.

Подписано в печать 03.02.14. Формат 60 х841/1б. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 82.

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет

им. P.E. Алексеева»

На правах рукописи УДК629.113

04201456727

ВАШУРИН АНДРЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

Разработка методики и оценка пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов

Специальность 05.05.03 - Колесные и Гусеничные машины Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Орлов Лев Николаевич

Нижний Новгород 2014

Содержание

Основные термины, сокращения и условные обозначения..................................................5

Введение....................................................................................................................................6

ГЛАВА 1 Анализ работ по исследованию прочности и пассивной безопасности кузовных конструкций...........................................................................................................10

1.1. Анализ работ, посвященных оценке и повышению пассивной безопасности кузовов.....................................................................................................................................11

1.2. Анализ работ посвященных расчету многослойных оболочек (сэндвич-панелей) и их применению в автомобилестроении................................................................................18

1.3. Анализ работ, посвященных учету влияния эксплуатационных температур на

пассивную безопасность транспортных средств.................................................................23

Выводы по главе 1..................................................................................................................24

ГЛАВА 2. Теоретические основы расчетной оценки пассивной безопасности вахтовых автобусов на соответствии требованиям Правил ЕЭК ООН №66.....................................27

2.1. Критерии оценки пассивной безопасности.................................................................27

2.1.1. Требования нормативных документов по пассивной безопасности к кузовам

автобусов............................................................................................................................27

2.1.2. Критерии и условия оценки пассивной безопасности кузовов автобусов........30

2.2. Особенности конструкции кузовов исследуемых автобусов....................................31

2.3. Обоснование необходимости разработки методики расчетно-экспериментальной оценки пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов ..33

2.4. Методика расчетно-экспериментальной оценки пассивной безопасности кузовов автобусов из многослойных панелей....................................................................................35

2.4.1. Анализ конструкции кузова и рамы автобуса....................................................36

2.4.2. Определение характеристик материалов............................................................38

2.4.3. Расчетно-экспериментальная оценка несущей способности многослойных панелей...............................................................................................................................40

2.4.4. Исследование способов моделирования крепежных элементов......................41

2.4.5. Обоснование правомерности выбора расчетной модели кузова на примере рассмотрения расчетно-экспериментальных исследований несущей способности характерных участков кузова...........................................................................................42

2.4.6. Разработка расчетной конечно-элементной модели всего кузова....................43

2.4.7. Оценка пассивной безопасности кузова из многослойных панелей...............44

2.4.8. Оценка пассивной безопасности кузова во всем диапазоне температур эксплуатации автобусов...................................................................................................46

2.4.9. Разработка практических рекомендаций и внесение изменений в конструкцию......................................................................................................................47

2.5. Основные положения метода конечных элементов применительно к компьютерному моделированию условий опрокидывания вахтовых автобусов при оценке пассивной безопасности их кузовов из многослойных панелей..........................48

2.5.1. Базовые определения и положения.....................................................................48

2.5.2. Особенности создания конечно-элементных моделей кузовов автобусов для выполнения компьютерного моделирования условий по требованиям Правил ЕЭК

ООН №66...........................................................................................................................51

2.6. Влияние температуры на механические свойства материалов.................................72

Выводы по главе 2..................................................................................................................74

ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования несущей способности отдельных характерных силовых участков и элементов кузовов вахтовых автобусов и характеристик применяемых материалов............................................................................75

3.1. Экспериментальное определение характеристик материалов....................................75

3.1.1. Описание методик проведения испытаний, используемого оборудования......76

3.1.2. Результаты испытаний стандартных образцов при разных режимах нагружения...............................................................................................................84

Выводы по подразделу 3.1.....................................................................................................99

3.2. Экспериментальное определение характеристик соединительных элементов кузовов из многослойных панелей.....................................................................................100

3.2.1. Определение характеристик клеевого слоя.......................................................100

3.2.2. Определение предельных усилий для заклепок................................................101

3.2.3. Определение усилия вырывания шурупов........................................................102

Выводы по подразделу 3.2...................................................................................................102

3.3.Экспериментальная оценка несущей способности образцов многослойной панели.... 103

3.3.1. Оценка несущей способности образцов сэндвич-панелей при трехточечном

изгибе...............................................................................................................................103

3.3.2. Оценка несущей способности образцов сэндвич-панелей при испытаниях на сдвиг .............................................................................................................................. 105

3.3.3. Оценка несущей способности образцов при консольном нагружении..........105

Выводы по подразделу 3.3...................................................................................................106

3.4. Оценка влияния эксплуатационных температур на прочностные характеристики конструкционных материалов.............................................................................................107

3.4.1. Описание методики проведения испытаний, используемого оборудования. 107

3.4.2. Испытание стальных образцов..........................................................................111

3.4.3. Испытания образцов из алюминия...................................................................115

3.4.4. Испытания образцов из композитного материала...........................................115

3.4.5. Испытания образцов из фанеры.........................................................................120

3.4.6. Испытания характеристик клеевого слоя во всем эксплуатационном

диапазоне температур.....................................................................................................120

Выводы по подразделу 3.4.............................................................................................121

3.5. Экспериментальная оценка несущей способности характерных участков кузова

автобуса из многослойных панелей....................................................................................123

Выводы по главе 3................................................................................................................126

ГЛАВА 4. Расчетно-экспериментальная оценка пассивной безопасности кузовов из

многослойных панелей вахтовых автобусов.....................................................................129

4.1. Выбор типа модели и задание характеристик материалов в расчетных моделях. 129

4.1.1. Для стали..............................................................................................................129

4.1.2. Для алюминия......................................................................................................132

4.1.3. Для композитных материалов............................................................................133

4.1.4. Моделирование деревянных брусков и фанеры................................................135

4.1.5. Для пенополистирола..........................................................................................138

4.2. Расчетная оценка несущей способности образцов многослойной панели при различных условиях нагружения........................................................................................141

4.3. Особенности моделирования соединительных элементов......................................145

4.4. Расчетная оценка несущей способности участков кузова из многослойных панелей при оценке пассивной безопасности вахтового автобуса производства ООО «Автофургон»............................................................................................................147

4.5. Расчетная оценка пассивной безопасности кузовов вахтовых автобусов на шасси грузовых автомобилей.........................................................................................................149

4.5.1. Анализ пассивной безопасности автобусов на базе шасси УРАЛ-43203 и

КамАЭ-4326 производства ООО «Автофургон»..........................................................149

4.5.2. Оценка пассивной безопасности вахтовых автобусов модели57564У на базе шасси Камаз-43118.........................................................................................................172

4.6. Расчетно-экспериментальная оценка пассивной безопасности кузова из сэндвич-панелей вахтового автобуса модели 3295А2 на базе шасси ГАЗ 33081 "САДКО".......188

4.7. Оценка влияния эксплуатационных температур на пассивную безопасность

вахтовых автобусов..............................................................................................................205

Выводы по главе 4................................................................................................................209

Общие результаты и выводы...............................................................................................210

Библиографический список.................................................................................................212

Приложения..........................................................................................................................226

Основные термины, сокращения и условные обозначения.

Кузовная - Обобщенный термин, охватывающий несущие

конструкция конструкции автотранспортных средств (кузова, кабины).

Несущая - свойство конструкции воспринимать эксплуатационные и

способность аварийные нагрузки

Работоспособность - свойство конструкции сохранять свое функциональное конструкции назначение (с точки зрения прочности - воспринимать

эксплуатационные нагрузки, не разрушаясь, в пределах возникновения допустимых значений напряжений и деформаций; с точки зрения безопасности - воспринимать аварийные нагрузки, демпфируя удар и разрушаясь в допустимых пределах). Аварийная нагрузка - Нагрузка, возникающая при аварийной ситуации

(дорожно-транспортном происшествии) или ее значения, регламентированные Правилами ЕЭК ООН. Энергоемкость - способность кузова поглощать энергию удара в условиях

конструкции аварийной ситуации.

Допускаемая - возможная деформация конструкции в допустимых

деформация пределах, определяемых с учетом сохранения в салоне

конструкции жизненного (остаточного) пространства,

регламентируемого требованиями безопасности. Ударный элемент - жесткая плита или маятник, используемые для ударного

нагружения конструкции с целью имитации условий аварийного нагружениня. КЭМ - конечно-элементная модель.

ТС - транспортное средство.

МКЭ - метод конечных элементов.

ДТП - Дорожно-транспортное происшествие.

HIC - Head Injury Criteria- критерий тяжести повреждений

головы.

Введение

Актуальность работы

Повышение пассивной безопасности автобусов является одной из важных задач при разработке новых конструкций или модернизации существующих. Пассивная безопасность автобуса, в основном определяется конструкцией кузова, который должен обеспечивать сохранение остаточного жизненного пространства внутри салона. Известно, что оценка безопасности автобуса может проводиться, как по результатам натурных экспериментальных исследований (опрокидывание с уступа), так и по результатам компьютерного моделирования соответствующих условий аварийного нагружения. Среди существующих конструкций автобусов отдельную группу составляют вахтовые автобусы, состоящие из многослойных панелей и предназначенные к эксплуатации в различных природно-климатических условиях (в том числе в труднодоступных районах с высокими и низкими температурами). Несмотря на наличие известных расчетных методик, основанных на использовании современных пакетов программ и постоянно растущих вычислительных мощностей, вопросы компьютерного моделирования ударного воздействия аварийных нагрузок на конструкции кузовов из многослойных панелей, а также влияния температурного фактора на их прочность и пассивную безопасность недостаточно изучены. В этой связи возникает необходимость в дальнейшем развитии методик оценки пассивной безопасности вахтовых автобусов, а также исследованию поведения кузовов из многослойных панелей при различном силовом и температурном воздействии. Решению этих актуальных задач посвящена данная диссертационная работа.

Цель работы

Разработка методики расчетно-экспериментальной оценки и пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов и их доводки на основе компьютерного моделирования условий аварийного нагружения при опрокидывании и результатов испытаний отдельных характерных участков; практическая реализация полученных результатов.

Объекты исследования

Кузова из многослойных панелей вахтовых автобусов на шасси грузовых автомобилей КАМАЗ, ГАЗ, Урал.

Научная новизна:

• Разработана методика раечетно-экспериментальной оценки пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов и их доводки на основе результатов компьютерного моделирования и испытаний, позволяющая прогнозировать их безопасность и оценивать ее на завершающем этапе, а также при сертификации.

• Предложен способ моделирования многослойных панелей, систематизированы критерии качества, предъявляемые к конечно-элементным моделям, разработаны подробные расчетные модели кузовов, максимально учитывающие особенности их конструкций, применяемые при оценке пассивной безопасности вахтовых автобусов.

• По результатам проведенных расчетно-экспериментальных исследований получены уточненные характеристики многослойных панелей и их материалов, в том числе с учетом влияния температуры окружающей среды, необходимые для разработки конечно-элементных моделей кузовов автобусов при оценке их безопасности и прочности.

• Даны научно обоснованные практические рекомендации по повышению пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов.

Методы исследования

Компьютерное моделирование, имитирующее опрокидывание автобуса с уступа в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН №66, проведено с использованием современных расчетных программных пакетов, основанных на методе конечных элементов и алгоритмах расчетов существенно нелинейных процессов, использующих явные схемы математического интегрирования. Экспериментальные исследования проведены в лаборатории Института транспортных систем НГТУ на современном поверенном оборудовании Центра коллективного пользования «Транспортные системы».

Основные положения, выносимые на защиту

• Методика расчетно-экспериментальной оценки пассивной безопасности кузовов автобусов из многослойных панелей.

• Конечно-элементные модели многослойных панелей и кузовов, параметры которых (физико-механические свойства материалов и элементов соединения) выбраны и обоснованы по результатам экспериментальных исследований образцов и отдельных силовых элементов вахтовых автобусов.

• Результаты расчетно-экепериментальных исследований несущей способности кузовов вахтовых автобусам в условиях действия статических и динамических разрушающих нагрузок.

• Результаты исследования влияния температур окружающего воздуха на пассивную безопасность кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов.

• Практические рекомендации по повышению пассивной безопасности кузовов вахтовых автобусов, состоящих из многослойных панелей.

Достоверность результатов расчетных исследований подтверждена известными теоретическими решениями и результатами испытаний образцов многослойных панелей, их конструкционных материалов, полномасштабного кузова вахтового автобуса и его характерных участков.

Практическая ценность работы

Разработанная методика позволяет достоверно оценивать пассивную безопасность кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов без проведения дорогостоящих полномасштабных испытаний, с учетом особенностей их конструкции и температурных условий эксплуатации. Материалы диссертации могут быть использованы в расчетных и конструкторских отделах предприятий, занимающихся разработкой кузовов из многослойных панелей автобусов, а также в органах по сертификации автотранспортных средств, в научно-исследовательских институтах и высших учебных заведениях.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

• Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (г. Н. Новгород, НГТУ, 2010 г.)

• 70-й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров РФ (г. Дмитров-7, ФГУП НИЦИАМТ, 2010 г.).

• 78-й Международной научно-технической конференции Ассоциации автомобильных инженеров РФ (г. Дмитров-7, ФГУП НИЦИАМТ, 2012 г.).

Реализация результатов работы

Разработанная методика, расчетные модели, результаты исследований внедрены:

• На предприя�