автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Разработка методики расчета и оценка безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания

нижегородским государственный техническим

университет

На правах рукописи

РГБ ОД

"9 п'П ^л)

Орлов Андрей Львович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЁТА И ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ КУЗОВОВ АВТОБУСОВ В УСЛОВИЯХ ОПРОКИДЫВАНИЯ

Специальность: 05.05.03 - «Колесные и гусеничные машины»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 2000

Работа выполнена на кафедре «Автомобили и тракторы» Нижегородского государственного технического университета (НГТУ).

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Л.В. Барахтанов (Н. Новгород, НГТУ)

доктор технических наук, профессор А.И. Рябчинский (Москва, МАДИ (ТУ))

кандидат технических наук, С.А. Сергиевский

(Н. Новгород, ГУЛ ЦНИИ «Буревестник»)

Ведущая организация:

ОАО «Павловский автобус»

Защита состоится « да ¿/шя 2000 года в « /4» часов на заседании диссертационного совета Д 063.85.07 в Нижегородском государственном техническом университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина, д. 24, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета.

Автореферат разослан «22» мая 2000 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент

В.В. Беляков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Совершенствование конструкций автобусов и, в том числе, повышение их безопасности является задачей сегодняшнего дня. В настоящее время безопасность кузова, заложенная в конструкции при проектировании, оценивается по результатам натурных полномасштабных испытаний автобуса. В современных экономических условиях это создает определенные трудности для заводов. Поэтому внедрение в практику конструкторских отделов заводов и органов по сертификации методики расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов является задачей своевременной и важной. Предпосылки для этого были заложены уже в дополнении к Правилам ЕЭК ООН № 66 Однако, они не нашли практической реализации до настоящего времени из-за отсутствия общепринятых методов расчета, наработок по результатам расчетов и стендовых испытаний кузовов, их секций и силовых сечений. Таким образом, изучение и практическое решение этих вопросов относится к актуальным проблемам автобусостроения.

Цель работы. Разработка методик расчетной и расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания по результатам анализа несущей способности секций и силовых сечений , их практическая реализация.

Задачи исследования.

- Разработка методики оценки безопасности кузовов при проектировании и доводке автобусов, алгоритма и программы расчета несущей способности (НС) по разрушающим нагрузкам (РН) силовых сечений кузова.

- Разработка расчетных моделей исследуемых кузовов автобусов, их секций и силовых сечений; исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) кузовов в условиях опрокидывания автобусов. Анализ механизмов разрушения кузовов и оценка безопасности их конструкций.

- Экспериментальные исследования НС по РН секций, отдельных силовых сечений и элементов кузова.

- Разработка методики расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов.

- Разработка практических рекомендаций по повышению безопасности кузовов

автобусов.

Методы исследований. Исследования безопасности кузовов основывались на использовании методов математического моделирования. Расчеты НДС кузовов при упругих деформациях элементов проведены методом конечных элементов (МКЭ) с использованием программного комплекса GIFTS. В расчетах РН использованы основы расчета кузовов автомобилей по предельному состоянию, разработанные на кафедре «Автомобили и тракторы» НГТУ. Экспериментальные исследования проведены в стендовых условиях кафедры и лаборатории пассивной безопасности ГУЛ «НИЦИАМТ».

Научная новизна. В работе впервые разработана методика расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания по результатам анализа НС их секций и силовых сечений. На основе разработанных алгоритма и программы расчета разрушающих нагрузок для силовых сечений кузова получены закономерности определения их значений в

зависимости от конструктивных параметров силовых элементов. На примере разработанных расчетных моделей кузовов автобусов ПАЗ проведена оценка безопасности их конструкций в условиях опрокидывания. Обоснованность и правомерность разработанных методик подтверждена результатами проведенных специальных экспериментов.

Основные положения, выносимые на защиту.

• Методики расчетной и расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов.

• Результаты теоретических и экспериментальных исследований механизмов разрушения силовых сечений и секций кузова. Зависимости РН от конструктивных параметров секций.

• Алгоритм и программа расчета разрушающих нагрузок силовых сечений.

• Результаты оценки НДС кузовов в условиях опрокидывания.

• Результаты оценки безопасности исследуемых кузовов автобусов.

Объектами исследования являются кузова автобусов ПАЗ-3205, ПАЗ-5269, ПАЗ-4223, отдельные секции и силовые элементы кузовов.

Практическая ценность. Разработанные методики позволяют на стадии проектирования создавать безопасную конструкцию кузова и в последующем оценивать безопасность автобуса при доводке и проведении сертификации без применения разрушающих испытаний. Материалы диссертации могут быть использованы в конструкторских и расчетных отделах автобусных и автомобильных заводов, в органах по сертификации автобусов, в ГУЛ «НИЦИАМТ».

Реализация результатов работы. Разработанные методики, расчетные модели и результаты исследований использованы:

- в ОАО «Павловский автобус» при доводке кузовов автобусов ПАЗ-3205, ПАЗ-5269 и ПАЗ-4223 по условиям требований Правил ЕЭК ООН № 66;

- в ГУП «НИЦИАМТ» при проведении сравнительных стендовых испытаний секций кузова ПАЗ-3205;

- в учебном процессе: в курсах «Строительная механика автомобиля», «САПР кузовов» на кафедре «Автомобили и тракторы» НГТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- научно-технической конференции «Проектирование, испытания, эксплуатация и маркетинг автотракторной техники», г. Н. Новгород, 1997 г.

- международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России», г. Н. Новгород, 1998 г.

международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем», г. Волгоград, 1999 г.

международном научном симпозиуме «Автотракгоро строение. Промышленность и высшая школа». К 60-летию воссоздания МАМИ, г. Москва, 1999 г.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 12 печатных

работах.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих результатов и выводов, включающих рекомендации, материалы внедрения результатов, списка литературы и трех приложений. Содержит 128 страниц основного машинописного текста, 29 рисунков и 5 таблиц, библиографию из 111 наименований и трех приложений на 49 страницах В приложениях представлены дополнительно 55 рисунков, распечатки программ расчета разрушающих нагрузок и пластических моментов сопротивления сечений, акты внедрения материалов работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель, раскрыты методы исследований, представлены новые научные результаты, полученные автором, и основные положения, которые выносятся на защиту, рассмотрены объекты исследований, отмечены практическая ценность, реализация результатов и апробация работы.

В первой главе выполнен анализ состояния работ по исследованию и оценке безопасности кузовов автобусов. Вопросами повышения и оценки безопасности кузовов автобусов занимаются автобусные заводы, ГУЛ «НИЦИАМТ», орган по сертификации «САТР-Фонд», научно-исследовательские и учебные институты (ГНЦ РФ НАМИ, НГТУ, МАДИ (ТУ), МГТУ «МАМИ»), Оценка безопасности кузовов проводится в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН №№ 36, 52, 66, 107. Общепринятом считается экспериментальный метод оценки безопасности автобусов. Это направление отражено в работах известных ученых и исследователей А.И. Рябчинского, Р.К. Фотина, Э.Н. Никулышкова, В.П. Акгипцева, В.В. Фролова, М.В. Лыюрова, О.В. Мельникова, Ю.Ф, Благодарного. В разработку зон остаточного пространства определенный вклад внесен И.К. Коршаковым. Обобщающие результаты экспериментальных исследований отражены в трудах В.Н. Иванова, Л.Л. Афанасьева

Известны работы по проведению специальных испытаний кузовов автобусов на аварийные виды нагружения, которые ведутся в ОАО «Павловский автобус» совместно с НГТУ. Они были начаты под руководством В.Б. Цимбалина и продолжены Л.Н. Орловым, Л.В. Барахтановым при поддержке Б.К Кузнецова, В.А. Колгунова.

Основоположниками теории прочности кузовов автобусов, основанной на методах В.В. Власова, A.A. Уманского, S.H. Argyris, являются ДБ. Гельфгат, МБ. Школьников, Н.И. Воронцова, В.В. Осепчугов, Н.Ф. Бочаров. Дальнейшее отражение исследования прочности нашли в трудах Г.М. Багрова, КМ. Атояна, A.C. Ташлыцкой, Я. Павловского. Применение МКЭ в расчетах кузовов автобусов отражено в работах Ю. А. Сарычева, А.Н. Черного, Н.И. Белякова, Э.И Григолюка, H.A. Кулакова, А.Н. Любина, Л.Н. Орлова, С.М Кудрявцева, Ю.А. Савостьянок, Н.Б. Сафонова.

Большой вклад в общую теорию МКЭ внесли К. Батге и Е. Вил сон, Е. Hinton, D. Owen, В.А. Постнов, А.Г. Угодчиков, В.П. Малков, В.Г. Налоев, А.Н. Попов и другие ученые.

Начало работам в области расчетной оценки безопасности кузовов автомобилей положено в трудах В.Б. Цимбалина, JI.H. Орлова, основанных на теории A.A. Гвоздева, А.Р. Ржаницына, B.G. Neal, P.G. Hodge, J. Fenton. Расчеты кузовов на прочность ведутся на автомобильных заводах с применением программных комплексов NASTRAN, ANSYS, GIFTS. Нелинейная деформируемость кузовов при лобовом столкновении оценивается с использованием пакета LS DYNA-3D в работах С. А. Сергиевского, A.B. Сидорина, С.С. Никишина, Е.В. Кочанова, F. Gay, A. Garro. В области нормирования прочности необходимо отметить работы Э.И. Григолюка и Н.А; Кулакова. Оптимизация конструктивных параметров автобусов и анализ конструкций их кузовов рассмотрены в работах О.И. Гируцкого, выполненных в ГНЦ РФ НАМИ совместно с ВКЭИавтобуспромом. Известны экспериментальные и расчетные работы, проводимые в НАТИ по повышению безопасности кабин при участии И.М. Илинича и H.A. Османова.

Из анализа работ следует, что вопросы разработки обоснованных критериев оценки безопасности кузовов, режимов стендовых испытаний секций, методов оценки безопасности автобусов требуют дальнейшего изучения и проработки. Метод расчетно-экспериментальной оценки безопасности автобусов по результатам анализа работоспособности секций кузовов пока не нашел широкого практического применения. Отсутствуют нормативные документы и руководящие материалы, необходимые конструктору для проектирования безопасной конструкции кузова, методики рационального и последовательного применения существующих программных комплексов при исследованиях безопасности кузовов. Недостаточно изучены особенности разрушения силовых сечений и элементов кузова, поведения при этом тонкостенных сечений элементов, зависимости деформаций конструкции от разрушающей нагрузки. В соответствии с этим сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены теоретические разработки вопросов оценки безопасности кузовов при проектировании, доводке и сертификации автобусов. Глава включает семь подразделов.

В п. 2.1 обоснован выбор критериев оценки безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания по результатам анализа работоспособности их секций. Ими являются: энергоемкость конструкции в направлении действия аварийной нагрузки, разрушающая нагрузка, деформация с учетом сохранения в салоне остаточного пространства. В п.2.2 рассмотрена методика расчетной оценки безопасности кузовов автобусов, включающая следующие этапы:

1. Оценка НС по РН секций кузова и силовых сечений - Pp..

г KS

2. Определение энергоемкости каркаса кузова - £к.куз. — ^Г dS >

где р - разрушающая нагрузка в 1- м силовом сечении; 8 деформация силового сечения; К - число секций в кузове.

Предварительная оценка безопасности по условию: куз. ^Ерегя

3. Оценка НДС модели кузова при действии единичных сил в направлении аварийной нагрузки. Выявление зон возможных пластических деформаций и механизма разрушения кузова.

К

4. Определение НС по РН модели кузова Рр = £ Рр. и энергоемкости £куз.

/=1 '

5. Оценка безопасности кузова по условиям: Е^ >ЕреТЛ_ =£/удара; Рр ^Р регл.; Я > Ядоп., будара = 0,75-Мсф, где ¿/удара - энергия удара,Ма - масса снаряженного автобуса, ^-ускорение свободного падения, И - высота падения центра масс автобуса.

Все расчеты проводятся на схемах и моделях кузова. Схемы имитируют силовые сечения и секции кузова. Они используются в инженерных расчетах. Модели представляют конечно-элементную аппроксимацию реальной конструкции. Первые два этапа выполняются на первоначальной стадии проектирования при выборе силового каркаса и конструктивных сечений кузова. На этих этапах целесообразно использовать упрощенные расчетные модели, схемы (рис. 1) и ускоренные методы оценки безопасности. Наиболее эффективным в этом отношении является инженерный метод. На третьем и четвертом этапах применяются уточненные методы расчета с использованием программных комплексов, основанных на МКЭ. На пятом этапе проводится оценка соответствия кузова требованиям безопасности, например, Правилам ЕЭК ООН № 66 или № 52.

; Рис. 1. Механизмы разрушения:

а - модели средней секции; б - силового сечения

В п. 2.3 дана методика инженерного расчета кузовов автобусов на безопасность в условиях опрокидывания. Основными допущениями этого расчета являются: принятие гипотезы о жестко-пластическом разрушении конструкции

при постоянной нагрузке, пренебрежение работой упругих деформаций элементов, влиянием продольных сил и скручивающих моментов на образование пластических зон (шарниров); статическая аппроксимация реального процесса опрокидывания автобуса. Подобная идеализация существенно упрощает расчетные исследования и дает результаты ,весьма близкие к экспериментальным. Это дает определенное завышение расчетного значения энергоемкости кузова. Последовательность расчета:

- Выбор расчетной модели и схем силовых сечений.

- Определение механизмов разрушения силовых сечений.

- Вычисление разрушающих нагрузок из основного уравнения равенства вариаций работ внешней силы работе внутренних усилий, совершаемой в пластических шарнирах (ПШ):

с лД . т

И=ЕмшЧщ • мП1У = ^ от, жпл, = хр,к- ± д|, (1)

/=1 .,=1 /=1

где ^пл.; - пластический момент сопротивления сечения в_/ - м шаршфе, 8; - угол поворота элементов в ПШ, От - предел текучести материала, п - степень статической неопределимости схемы.

- Поиск реальных механизмов и нагрузки из условия Рррсяльн = пип Рр.. По

данному алгоритму разработаны программы расчета Рр и №пл..

- Определение энергоемкости силовых сечений: ч. = Рр. х «Удоп.

- Нахождение разрушающей нагрузки для всего кузова Ррк и его энергоемкости:

С К

Якуз = X I Рр $'доп > где К к С - количество силовых сечений и секций 7=1 <=1 '

кузова. Оценка безопасности ведется по условиям п. 5 методики. Для схемы на рис. 1,6 выражение разрушающей нагрузки определяется:

РРх$ = Кл.202 + м^.303 + мт4е4+мт 6е6;

02 = 0; 0! = е2 + А0; 04 = е6 + А0; 5 = /2-з6;

Р\

е

6

л© - ^-^е, р„. =

'б-4

12-3

РК

пл.2

• +

1 - А

+ В КпЛ + ^ип.6

, гдеА =

1 г

1 + А К3 +

'з- -4 в=1к~4 ,

Н- ■К ' к-А

(2)

/ - длина элемента с индексами начала и конца, Д0 - угол дополнительного поворота элемента 3-4 относительно мгновенного центра С.

В п. 2.4 рассмотрены особенности применения МКЭ при оценке безопасности кузовов автобусов. Показана обоснованность применения пакетов МКЭ в линейной постановке для оценки нижней границы значения разрушающей

нагрузки, которую может выдержать конструкция. При этом, если по условию прочности конструкция выдерживает РреТл., значит она отвечает требованиям безопасности. Если это условие не удовлетворяется, то дальнейшая оценка должна вестись с учетом пластических деформаций. В работе МКЭ применялся на начальных этапах оценки автобусов ПАЗ на соответствие Правилам № 66. Результаты этих расчетов были использованы для определения наиболее вероятных механизмов разрушения кузовов, применяемых в инженерном расчете. Приведены основы МКЭ и известные выражения полной потенциальной энергии (П) упругой системы и их составляющих, из которых выведено матричное уравнение равновесия МКЭ.

Е

и-1

е=1

/('> 2

Гр(е)] X

X < < р(е) У -(Б

р(е) Г г .

■ /^[в^П^^^- |{£/}>(е)Гх (3)

О

После мшшмизации величины П и дифференцирования по { £/}, имеем:

{£/)=М"1!Я.!а}=[£]{С/|. (4)

Последние три выражения представляют матричное уравнение МКЭ, узловые перемещения {Щи напряжения {о}. В формулах (3) и (4) приняты

обозначения: Ео - начальная деформация; - матрица упругих констант

материала;

- матрица градиентов, полученная дифференцированием матрицы функций формы ; тх, ту, тг - объемные (массовые) силы; Рх,

Ру, Рг - поверхностные нагрузки; V - объем тела; [Л] - матрица жесткости системы; [Т7] - вектор-столбец нагрузки. В расчетах модель кузова автобуса ПАЗ-5269 (рис. 2) представлялась в виде суперэлементов (подконструкций) основания, боковин, крыши, передка и задка. В этом случае матрица жесткости всей системы имеет вид:

[Л]^^'8'1!^5'2]...^'5'^]]. (5)

Каждая матрица жесткости подконструкции, входящая в правую часть уравнения (5), может бьгть записана через матрицу жесткости конечных элементов

Гг,а-1,(а,8)1

где \п I - матрица топологии узловых параметров.

Рис. 2,Расчетная модель кузова автобуса

Системы уравнений метода суперэлементов имеют меньший порядок. Это дает возможность решения относительно сложных моделей на персональной ЭВМ класса Pentium II. Исследования НДС кузовов проведены с использованием пакета GIFTS, поэтому в данной главе рассмотрены основные его функции. Расчет напряжений для стержневых изгибных элементов ведется по формулам:

N Kz В*у I I

К к

-f-Dy--f-Dg + TDxTT

1 2Z 1 уу

* *

где N, By, Bz - осевая сила и изгибающие моменты,

(7)

■>у,

Уу, Уг, Т - составляющие силы и крутящий момент, действующие в центре сечения. При анализе результатов использовался модифицированный критерий прочности Мизсса:

°Ут = '{(о* - о)2 + (а, - о)2 + (а2 - а)21 + Зх^ + Зт^ + Зт^ .

(8)

В п. 2.5 рассмотрены основы выбора расчетных моделей кузовов автобусов: расчетных схем секций и силовых сечений (рис. 1) и уточненной конечно-элементной модели (рис. 2).

в п. 2.6 дается методика расчетно-эксперименгальной оценки безопасности кузовов в условиях опрокидывания при проведении сертификации автобусов. Она включает приведенную шоке последовательность работ:

1. Расчетная оценка безопасности кузова.

2. Экспериментальное определение НС по РН одной из секций кузова.

2.1. Проведение статических и ударных испытаний секций.

2.2. Определение энергоемкости конструкции секции.

3. Сравнительная оценка результатов расчетов и экспериментов, корректировка результатов расчетов.

4. Оценка безопасности кузова и автобуса.

Первый этап проводится в объеме, указанном в п. 2.2. В п. 2.7 даны выводы по главе 2.

Третья глава посвящена расчетной оценке НС секций и силовых сечений исследуемых кузовов и оценке их безопасности в условиях опрокидывания. В п 3.1 приведены расчеты НС схемы оконного проема боковины кузова. Результаты расчета показали хорошую сходимость с данными эксперимента. Расчетная

разрушающая нагрузка составила

рР ГР

13,17 кН, а

усредненное

экспериментальное значение Рр = 13 кН (нспытывались четыре образца). В п. 3.2

проведен анализ НС секций кузова и дана оценка безопасности автобуса ПАЗ-3205. Рассмотрен реальный механизм разрушения кузова, полученный по результатам ранее проведенных сертификационных испытаний на аптополигонс. При боковом опрокидывании автобуса с уступа произошло разрушение верхней части кузова выше подоконного пояса боковин. На рис. 3 показаны расчетные схемы первого, второго и третьего силовых сечений кузова. Кузов имеет восемь сечений.

¡у ®\ 1 \ ! . йл'Г 4

-

Рис, З.Механизмы разрушения силовых сечений кузова автобуса: а - первого сечения; б - второго и третьего сечекий

Расчет РН для первого сечения ведется по формуле:

Г

Л /ó-gcosa

1 +

2/^8 ЯПф

ь

7-8 /

• (9)

Расчет по этой формуле показал хорошую сходимость результатов с экспериментом (табл.1).

Второе и третье силовые сечения имеют одинаковые расчетные схемы и механизм разрушения. Выражение разрушающей нагрузки для второго сечения имеет вид:

Р„. =

^пл.9+^пл.10+4^пл.11

РП Ло-12cosa

Суммарное для ннх значение нагрузки приведено в табл.1.

'1+2/io_i2sin(pN

(10)

1—12 J

Таблица 1

Секция Передок Задок Средняя (без панелей передка и задка) Кузов

Рр, кН р PV11 +VIH Р' Pi р />11+Ш Р ftv Рр Pv-v1 ^Pvn Р I ргуз р

Расчет 8,8 17,5 7,2 9,1 3,4 4,0 4,7 28,4 42,8

Эксперимент 8,1 16,8 7,1 8,5 4,0 3,5 4,0 27,1 41,0

Расхождение, % 8,6 . 4,2 1,4 7Д 15,0 14,3 17,5 4,8 4,4

Средняя секция, состоящая из IV, V и VI силовых сечений, разрушается также по механизму, приведенному на рис. 3,6. Суммарное значение Рр для этой секции может определяться по формуле (10), в которой необходимо цифру 4 заменить на 6, а в и ffrmio подставить соответствующие значения.

Сравнение результатов расчета с экспериментом показано в табл.1. Задняя секция (задок), состоящая из VII и VIII силовых сечений)разрушается по механизму, показанному на рис. 3,6. Суммарная расчетная разрушающая нагрузка для

собственно кузова с панелями передка и задка составила = 49,61 кН. Расчет

каркасов сидений показал, что они создают увеличение нагрузки на 10%. Стойки

поручней увеличивают ее еще на 20%. С учетом этого суммарная боковая

разрушающая нагрузка составляет Рр - 64,1кН. Допускаемая деформация для

данного кузова равна ^доп. = 0,49 м. С учетом расчетных значений кузов имеет энергоемкость, равную Е^. = 31,4 кНм. Регламентируемая энергия удара, определенная по условиям Правил № 66, составляет 22,3 кНм. Энергоемкость кузова £куз. > ^/регл.при его разрушении в допускаемых пределах, поэтому кузов автобуса отвечает требованиям пассивной безопасности. Кроме этого, проведены расчеты других механизмов разрушения секций данного кузова, аналогичных тем, которые были получены при испытаниях. Все результаты расчета приведены в табл. 1, где для сравнения даны результаты экспериментов.

В табл.1 значения по кузову приведены без учета наружных панелей передка и внутренних для задка В строке «эксперимент» приведены максимальные значения нагрузок.

В п. 3.3 выполнен расчетный анализ работоспособности кузова, силовых сечений и дана оценка пассивной безопасности автобуса ПАЗ-5269. Исследования проведены в области упругих и пластических деформаций на основе расчетов МКЭ и инженерным методом. Первые использовались для выявления мест возникновения ПШ, определения предполагаемого механизма разрушения кузова. Расчеты НДС проведены на моделях кузовов автобусов ПАЗ-5269 и 4223 с учетом шасси, надстройки пола, каркасов сидений, перегородки салона. Выявлен наиболее нагруженный режим - опрокидывание влево. Из анализа полученного характера расположения ПШ установлено, что при опрокидывании автобуса влево линии излома кузова должны образовываться по стойкам боковины. Полученные картины НДС конечно-элементной модели позволили определить механизмы разрушения силовых сечений кузова, показанные на рис. 4. Для каждого го них выведено выражение Рр. Первое сечение (рис. 4,а) имеет два механизма, для которых:

IV +\¥

У¥ пл.З т '' '

пл.4

1 +

3-4

С-4 У

'т,

(И)

5-6

2стт

'5-10

пл. 5 плЛС(

1+-

'5-10

1С-10 У

С-10

■СГ9

'9-11

+ 1К

пл. И

^ Э ¿5-10

4-11

(12)

(

V

у

Можно предположить, что разрушение первого сечения будет происходить с одновременным образованием двух механизмов. Второе силовое сечение имеет схему, показанную на рис. 4,6. Для нее имеем Рр2 = 12,9 кН.

Р =

I.

18-20

1У„,

Ж

пл.19

1 +

19-20

+

С-19

+ \У„.

'1920

^С-19

1 +

С-14

^С-14 АЭ-20

пл 13

13-14 У

Аз-14 'С- 19

Для перегородки (рис. 4,г) получена зависимость:

1 +

2/.

С-32

18-20

+ 2Ж

'С-32

пл 35

32-34 У

33-35

/с

+ Ж

11Л 30 ^ " 11Л.ЗУ

^ ¡С.

19

32 '19-20

^36-37 'с-19

(14)

а 4*^23,

\

\

А?

гг

А*

\

2$А |

С| "

г)

0м

Г'

М

\

£

А1

[\

_ .1

Ло ■>го

Рис. 4. Схемы силовых сечений кузова и механизмов разрушения: а - первого силового сечения: б - второго: в - третьего; г - перегородки салона

Сечения III -s- VII имеют аналогичные схемы и механизмы. Расчет их Рр ведется по формуле (13). Восьмое сечение должно разрушаться по схеме второго механизма первого сечения. Для него нагрузка определяется по формуле (11).

Суммарная нагрузка по результатам расчетов составила РраЕ = 121 кН с

учетом угла а действия нагрузки. При ¿'доп. = 0,6 м энергоемкость составляет Е^ - 72,6 кНм. С учетом дверей, стоек поручней и панелей она должна быть больше примерно на 20%. В результате энергоемкость превышает регламентируемое значение и указывает на то, что кузов отвечает требованиям безопасности в соответствии с Правилами № 66.

Четвертая глава посвящена экспериментальной оценке НС по РН кузова, секций и отдельных силовых элементов автобуса.

В п. 4.1 приведены методологические основы проведения экспериментов, описания оборудования и аппаратуры с подробными иллюстрациями и таркровочными данными.

В п. 4.2 дан анализ результатов испыташш образцов элементов (40 образцов тонкостенных труб разного профиля) и участков каркаса кузова, включающих один и два оконных проема боковины, крышу кузова. Сравнение результатов испытаний и расчетов образцов показало их удовлетворительную сходимость. Результаты испыташш образцов оконного проема боковины

(Рр =13 кН) показали хорошую сходимость с полученным расчетным значением

нагрузки (Рр = 13,17 кН).

В п. 4.3 проведен анализ результатов испыташш секций кузова автобуса ПАЭ-3205 в сравнешш с данными ранее проведенных на кафедре испыташш кузовов. Исследования отдельных секций подтвердили идентичность характера их разрушения в составе всего кузова. На стенде кафелры было испытано две секции передка, два задка с внутренними панелями и цкдняя секция кузова без сидении. Эти секции были специально изготовлены и доработаны так, чтобы они имели конструкции, аналогичные тем, которые присутствуют в кузове. Их погружение осуществлялось поочередно (по две секции) через специальную динамометрическую балку под углом а = 16 в условиях, имитирующих опрокидывание автобуса с уступа. Измерение упруго-пластических деформаций и характера разрушения секций осуществлялось с помощью комплекта тензодатчиков (50 шт.), реохордных (8 шт.) и струнно-кольцевых (6 шт.) датчиков перемещешш. Графическое изображение полученных зависимостей для задков и передков кузова показаны на рис. 5, для отдельных сечений средней секщш и подсекций - на рис. 6.

В результате испытаний получены реальные механизмы разрушения секций, значения максимальных разрушающих нагрузок, приведенных в табл. 1; установлены зависимости между нагрузкой и деформируемостью секций; выявлен характер разрушения отдельных элементов и их сечений. Подобные исследования с участием автора были проведет в ГУП «НИЦИАМТ», где было испытано четыре образца секции задка (без внутренних панелей). Одна из них разрушена на

горизонтальном статическом прессе и три - на маятниковом копре. Результаты разрушений имеют идентичный характер.

Рис. 5. Деформируемость задкоз (1 и 2) и передков (3 и 4) кузова: 1, 3 -опрокидывание влево, 2, 4 - опрокидывание вправо

нагрузка,--------разгрузка

Сравнение результатов статических и динамических испытаний задков кузова показало, что в рассматриваемых условиях опрокидывания, когда скорость удара кузова (маятника) не превышает 8 м/с, разрушение конструкций происходит при одной и той же нагрузке. Отличительной особенностью протекания ударного процесса является наличие повышенной динамической жесткости конструкций в первоначальный момент упруго-пластической деформации. Там же проведены испытания трех секций специально разрезанного «черного» кузова на вертикальном статическом прессе. Эти секции отличались от выше рассмотренных конструкцией и количеством силовых сечений. Они имели все составные части кузова (сиденья, поручни, кастнл пола, перегородку за водителем с воздуховодами).

В п. 4.4 даны выводы по главе, в которых обосновывается правомерность замены полномасштабных испытаний автобусов испытаниями отдельных секций кузовов.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны методики расчетной, расчетко-эксперпментальной оценки безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания по результатам анализа несущей способности их секций и силовых сечений, позволяющие проводить выбор безопасной конструкции кузова при проектировании, доводке автобусов, а также оценивать их безопасность при сертификации.

2. Разработан алгоритм и программа расчета РН и энергоемкости кузовов автобусов, их секций и силовых сечений. Получены расчетные зависимости РН для силовых сечений кузовов от их конструктивных параметров, позволяющие конструктору и расчетчику операпгоно решать вопросы выбора безопасной конструкции.

3. Разработаны и обоснованы расчетные модели кузовов автобусов ПАЗ-3205, 5269(71), 4223, их секций и силовых сечений. Выполненные исследования НДС кузовов позволили определить предполагаемые механизмы их разрушения. Проведен анализ механизмов разрушения секций, силовых сечений; получены значения РН, допускаемых деформаций и энергоемкости конструкций; дана оценка безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания. Получена удовлетворительная сходимость (в пределах 20%) результатов расчетов и экспериментов.

4. Разработана методика проведения специальных испытаний; изучен реальный характер разрушения кузова, его отдельных частей, секций и силовых сечений; получено обоснование принятым в инженерных расчетах допущениям и гипотезы о постоянстве разрушающей нагрузки для определения верхней границы несущей способности конструкции; выявлен характер разрушения тонкостенных сечений силовых элементов кузова; дана оценка влияния отдельных конструктивных решений, технологии изготовления и сборки кузова на безопасность автобуса.

5. Анализ результатов экспериментов показывает, что энергоемкость кузова автобуса в условиях опрокидывания должна оцениваться по двум фазам разрушения: упруго-пластической в пределах боковых перемещений крыши до 0,1 м и условно-пластической при деформациях свыше 0,1 м. На первой фазе она составляет около 10% от всей поглощаемой энергии. Доля поглощаемой энергии

на участках диаграммы Рр — f(S) с резким падением или всплеском нагрузки сравнительно невелика (не более 10%).

6. Безопасность автобуса в большой мерс определяется конструкцией каркаса кузова и зависит от характера его разрушения. Рассматриваемые кузова имеют наибольшую сопротивляемость разрушениям и энергоемкость в том случае, когда пластические шарниры возникают в оконных стойках боковин, поэтому при проектировании безопасного кузова следует стремиться «закладывать» зоны пластических деформаций выше подоконного пояса боковин.

7. Конструкции сидений пассажиров, поручней и перегородок салона играют существенную роль в повышении безопасности автобуса. Сиденья могут повысить несущую способность кузова в условиях опрокидывания до 25%, стойки поручней - до 20%, двери - до 10%. Важную роль в восприятии боковой нагрузки играют металлические панели передка, задка и крыши кузова, при условии надежного и качественного их соединения с трубчатыми элементами каркаса.

8. Разработанная методика, полученные результаты внедрены в ОАО «Павловский автобус» и рекомендуются для практического применения в конструкторских и расчетных отделах заводов, в ГУЛ «НИЦИАМТ» и в органах по сертификации автобусов.

Публикации. Основное содержание изложено в следующих работах:

1. Орлов Л.Н., Барахтанов Л.В., Кочанов Е.В., Орлов А.Л. Повышение безопасности кузовов автобусов на стадии проектирования II Проектирование, испытание, эксплуатация и маркетинг автотракторной техники: Сб. научн. трудов к 60-летию каф. «Автомобили и тракторы». - Н. Новгород, Hl ТУ, 1997. - С. 230238.

2. Орлов Л.Н., Орлов А.Л. Комплексная оценка прочности и безопасности кузовов автобусов // Проектирование, испытания, эксплуатация и маркетинг автотракторной техники: Сб. научн. трудов к 60-летию каф. «Автомобили и тракторы». - Н. Новгород, НГТУ, 1997. - С. 239-245.

3. Орлов Л.Н., Кочанов Е.В., Карев Р.В., Орлов А.Л. Анализ прочности и безопасности кузова микроавтобуса и его модификаций // Проектирование, испытания, эксплуатация и маркетинг автотракторной техники: Сб. научн. трудов к 60-летию каф. «Автомобили и тракторы». - Н. Новгород, НГТУ, 1997. - С. 246249.

4. Орлов А.Л Сравнительный анализ безопасности кузовов автобусов ПАЗ // Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России: Материалы междунар. науч.-техн. конф., посвященной 35-летнему юбилею каф. «Автомобильный транспорт». - Н. Новгород, НГТУ, 1998. - С. 220-221.

5. Орлов А.Л., Орлов Л.Н. Оценка безопасности кузовов при проектировании и доводке автобусов // Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России: Материалы междунар. науч.-тсхн. конф., посвященной 35-летнему юбилею каф. «Автомобильный транспорт». - Н. Новгород, НГТУ, 1998. - С. 221226.

6. Орлов А.Л., Орлов Л.Н. Экспериментальная оценка несущей способности по разрушающим нагрузкам кузовов автобусов, их секций и элементов // Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России: Материалы междунар. науч.-

техн. конф., посвященной 35-летнему юбилею каф. «Автомобильный транспорт». -Н. Новгород, НГТУ, 1998. - С. 226-238.

7. Орлов Л.Н.. Колтунов В.А., Барахтанов Л.В., Орлов А.Л., Кочанов Е.В., Шеремет С.М. Анализ безопасности и прочности кузовов при проектировании автобусов ПАЗ // Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России: Материалы междунар. науч.-техн. конф., посвященной 35-летнему юбилею каф. «Автомобильный транспорт». - Н. Новгород, НГТУ, 1998. - С. 238-242.

8. Орлов Л.Н., Колтунов В.А., Кочанов Е.В., Орлов А.Л., Шеремет С.М., Соловьев Д.В. Сравнительный анализ прочности кузовов автобусов ПАЗ // Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России: Материалы междунар. науч,-техн. конф., посвященной 35-летнему юбилею каф. «Автомобильный транспорт». -Н. Новгород. НГТУ, 1998. - С. 242-243.

9. Орлов А.Л. Расчетно-экспериментальная оценка безопасности кузовов автобусов // Прогресс транспортных средств и систем: Материалы научн.-пракг. конф. Ч. 1. - Волгоград, 1999. - С. 112-114.

10. Орлов А.Л., Кудрявцев С.М., Орлов Л.Н. Инженерный метод расчета кузовов автобусов на безопасность // Прогресс транспортных средств и систем: Материалы научн.-практ. конф. Ч .1. - Волгоград, 1999. - С. 115-118.

11. Орлов Л.Н., Орлов А.Л., Барахтанов Л.В., Колтунов В.А. Повышение прочности и безопасности кузовов при проектировании и доводке автобусов ПАЗ // Автотракторостроение, промышлешюсть и высшая школа. К 60-летию воссоздания МАМИ: Тез. докл. на XXVII науч.-техн. конф. ААИ. Ч. II. - М., 1999. -С. 23-24.

12. Орлов Л.Н., Соловьев Д.В., Орлов А.Л., Кочанов Е.В., Шеремет С.М. Расчетная оценка прочности кузовов автобусов ПАЗ // Автотракторостроение, промышленность и высшая школа. К 60-летию воссоздания МАМИ: Тез. докл. на XXVII науч.-техн. конф. ААИ. Ч. II. - М„ 1999. - С. 32Г-34.

Y

Подписано в печать 19.05.2000. Формат 60х84'/16. Бумага писчая № 1. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 60 экз. Заказ 354.

Типография НГТУ. 603600, Н. Новгород, ул. Минина, 24.

Перечень основных сокращений и условных обозначений.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАБОТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ И

ОЦЕНКЕ БЕЗОПАСНОСТИ КУЗОВОВ АВТОБУСОВ.

1.1. Анализ экспериментальных и расчетных исследований по кузовам автобусов.

1.2. Анализ требований безопасности к кузовам автобусов.

1.3. Задачи исследования.

1.4. Структура работы.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАЗРАБОТКИ ВОПРОСОВ ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ КУЗОВОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ,

ДОВОДКЕ И СЕРТИФИКАЦИИ АВТОБУСОВ.

2.1. Критерии оценки безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания.

2.2. Методика расчетной оценки безопасности кузовов в условиях опрокидывания.

2.3. Методика инженерного расчета кузовов автобусов на безопасность в условиях опрокидывания.

2.3.1. Алгоритм расчета кузова.

2.3 .2. Алгоритм и программа вычисления разрушающей нагрузки для силового сечения кузова.

2.3.3. Алгоритм и программа вычисления пластического момента сопротивления сечения тонкостенного элемента.

2.4. Особенности применения метода конечных элементов при оценке безопасности кузовов автобусов.

2.4.1. Основы метода конечных элементов.

2.4.2. Основные положения программного комплекса МКЭ, используемого в работе.

2.5. Основы выбора расчетных моделей кузовов автобусов.

2.5.1. Выбор упрощенных моделей секций и силовых сечений.

2.5.2. Выбор уточненной конечно-элементной модели кузова.

2.6. Методика расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов в условиях опрокидывания при проведении сертификации автобусов.

2.7. Выводы по главе.

3. РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СЕКЦИЙ И СИЛОВЫХ СЕЧЕНИЙ ИССЛЕДУЕМЫХ КУЗОВОВ. ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ КУЗОВОВ АВТОБУСОВ В

УСЛОВИЯХ ОПРОКИДЫВАНИЯ.

3.1 Расчет несущей способности по разрушающей нагрузке силовой схемы оконного проема боковины кузова автобуса ПАЗ

3 .2. Анализ несущей способности секций кузова и оценка безопасности автобуса ПАЗ

3 .3. Анализ работоспособности кузова, его силовых сечений и оценка пассивной безопасности автобуса ПАЗ-5269(71).

3.3.1. Анализ прочности кузова в условиях опрокидывания.

3.3.2. Анализ несущей способности силовых сечений кузова по разрушающим нагрузкам.

3.3.3. Оценка пассивной безопасности автобуса.

3.4. Выводы по главе.

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ПО РАЗРУШАЮЩИМ НАГРУЗКАМ КУЗОВА, СЕКЦИЙ И ОТДЕЛЬНЫХ СИЛОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОБУСА.

4.1. Методологические основы проведения экспериментов. Оборудование и аппаратура.

4.2. Анализ результатов разрушающих испытаний образцов элементов и участков каркаса кузова.

4.3. Анализ результатов испытаний кузова и секций автобусов.

4.4. Выводы по главе.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Рекомендации по выбору безопасной конструкции кузова в условиях опрокидывания автобуса.

Внедрение результатов исследований.

Актуальность работы

Роль автобусного парка в нашей стране и в ближнем зарубежье достаточно велика. Это требует постоянного улучшения и совершенствования конструкций автобусов, дальнейшего повышения их безопасности, в том числе и безопасности кузовов.

В настоящее время безопасность кузова, заложенная в конструкции при проектировании, оценивается по результатам натурных полномасштабных испытаний автобуса на автомобильном полигоне при проведении сертификации. Это связано с большими материальными затратами и в современных экономических условиях посильно не каждому заводу. Отсутствие на заводах доступной расчетной методики проектирования безопасных кузовов автобусов снижает эффективность и качество разработок. Ограниченные возможности в проведении заводских испытаний кузовов на безопасность из-за отсутствия единых общепринятых нормативов и упрощенных методик затягивают процесс доводки их конструкций. У конструктора и испытателя отсутствуют необходимые «инструменты», позволяющие прогнозировать и оценивать безопасность кузова.

Это говорит о том, что вопросы прогнозирования безопасности кузовов автобусов при проектировании; оценки ее при доводке и сертификации с применением расчетных методов не решены в полной мере. Поэтому внедрение в практику конструкторских отделов заводов и органов по сертификации методики расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов на основании результатов исследований несущей способности по разрушающим нагрузкам их секций является задачей своевременной и важной. Об этом говорилось и на научном симпозиуме в МАМИ при участии ААИ и РШТА.

Предпосылки для этого были заложены уже в дополнении к Правилам № 66 ЕЭК ООН. Однако, они не нашли практической реализации до настоящего времени из-за отсутствия методов расчета и наработок по результатам стендовых испытаний кузовов и их секций в условиях опрокидывания автобусов.

Следовательно, изучение и практическое решение вопросов прогнозирования и повышения безопасности кузовов при проектировании, доводке; оценки безопасности при сертификации автобусов является актуальным.

Цель работы

Разработка методик расчетной и расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания по результатам анализа несущей способности (сопротивляемости разрушениям) секций, силовых сечений и их практическая реализация.

Методы исследований

Исследования безопасности кузовов базировались на использовании методов математического моделирования. Расчеты напряженно-деформированного состояния кузовов при упругих деформациях в условиях опрокидывания проведены методом конечных элементов с использованием программного комплекса GIFTS.

В расчетах разрушающих нагрузок использованы основы расчета кузовов автомобилей по предельному состоянию, разработанные на кафедре «Автомобили и тракторы» НГТУ.

Экспериментальные исследования проведены в стендовых условиях кафедры «Автомобили и тракторы» и лаборатории пассивной безопасности автомобильного полигона в целью обоснования и подтверждения результатов расчетов.

Научная новизна

1. Впервые разработана методика расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания по результатам анализа несущей способности их секций и силовых сечений.

2. Получены аналитические зависимости РН от параметров секций, необходимые для проектирования безопасных конструкций кузовов. Разработаны алгоритм и программа расчета разрушающих нагрузок.

3. Разработаны и обоснованы расчетные модели кузовов автобусов ПАЗ, на основе которых дана оценка безопасности их конструкций.

4. Получены экспериментальные закономерности разрушения секций кузова, обосновывающие правомерность практического применения разработанных методик.

Основные положения, выносимые на защиту

• Методики расчетной и расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания по результатам анализа несущей способности к разрушающим нагрузкам их секций.

• Результаты теоретических и экспериментальных исследований механизмов разрушения силовых секций кузова. Зависимости разрушающих нагрузок от конструктивных параметров секций.

• Алгоритм и программа расчета разрушающих нагрузок силовых сечений.

• Результаты оценки напряженно-деформированного состояния кузовов в условиях упругого деформирования при опрокидывании.

• Результаты оценки безопасности исследуемых кузовов автобусов в условиях опрокидывания и их практическая реализация.

Объекты исследований

Объектами исследований являются кузова автобусов ПАЗ-Э205, 5269(71), 4223, отдельные секции и силовые элементы кузовов.

Практическая ценность

Разработанные методики позволяют на стадии проектирования создавать безопасную конструкцию кузова и в последующем оценивать безопасность при доводке и проведении сертификации автобуса без проведения разрушающих испытаний. Материалы диссертации могут быть использованы в конструкторских и расчетных отделах автобусных и автомобильных заводов, в органах по сертификации автобусов, на автополигоне ГУЛ «НИЦИАМТ».

Реализация результатов работы

Разработанные методики, расчетные модели и результаты исследований использованы:

• при доводке кузовов ПАЗ-3205, 5269(71) и ПАЗ-4223 по условиям требований Правил № 66 ЕЭК ООН.

• в учебном процессе, в курсах «Строительная механика автомобиля», и «САПР кузовов» на кафедре «Автомобили и тракторы» НГТУ.

• в совместных исследованиях НГТУ с АО «Павловский автобус» и ГУЛ «НИЦИАМТ» по созданию методики сертификации автобусов по результатам расчетов и испытаний секций кузовов.

Акты о внедрении материалов исследований приложены к диссертационной работе.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научно-технической конференции «Проектирование, испытания, эксплуатация и маркетинг автотракторной техники», г. Нижний Новгород, 1997 г.; международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России», г. Нижний Новгород, 1998 г.; международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем», г. Волгоград, 1999 г.; международном научном симпозиуме «Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа». К 60-летию воссоздания МАМИ, г. Москва, 1999 г.

Публикации

Основное содержание работы опубликовано в 12 печатных работах.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих результатов и выводов, включающих рекомендации, материалы внедрения результатов, списка литературы и трех приложений. Содержит 128 страниц основного машинописного текста, 29 рисунков и 5 таблиц, библиографию из 111 наименований, трех приложений на 5 страницах, включающих распечатки программ и 55 рисунков.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны методики расчетной, расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания по результатам анализа несущей способности их секций и силовых сечений, позволяющие проводить выбор безопасной конструкции кузова при проектировании, доводке автобусов, а также оценивать их безопасность при сертификации.

2. Разработаны алгоритм и программа расчета разрушающих нагрузок и энергоемкости кузовов автобусов, их секций и силовых сечений. Получены расчетные зависимости разрушающих нагрузок для силовых сечений кузовов автобусов от их конструктивных параметров, позволяющие конструктору и расчетчику оперативно решать вопросы выбора безопасной конструкции.

3. Разработаны и обоснованы расчетные модели кузовов автобусов ПАЗ-3205, 5269(71), 4223; их секций и силовых сечений. Выполненные расчетные исследования напряженно-деформированного состояния кузовов позволили определить предполагаемые механизмы разрушения кузовов. На их основе проведен анализ механизмов разрушения секций, силовых сечений; получены значения разрушающих нагрузок, допускаемых деформаций и энергоемкости конструкций; дана оценка безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания.

4. Разработана методика проведения специальных испытаний; изучен реальный характер разрушения кузова, его отдельных частей, секций и силовых сечений; получено обоснование принятым в инженерных расчетах допущениям и гипотезы о постоянстве разрушающей нагрузки для определения верхней границы несущей способности конструкции; выявлен характер разрушения тонкостенных сечений силовых элементов кузова; дана оценка влияния отдельных конструктивных решений, технологии изготовления и сборки кузова на безопасность автобуса.

5. Анализ результатов экспериментов показывает, что энергоемкость кузова автобуса в условиях опрокидывания должна оцениваться по двум фазам разрушения: упруго-пластической в пределах боковых перемещений крыши до 0,1 ми условно-пластической при деформациях свыше 0,1 м. На первой фазе она составляет около 10% от всей поглощаемой энергии. Доля поглощаемой энергии на участках диаграммы Рр = /(8) с резким падением или всплеском нагрузки сравнительно невелика (не более 10%).

6. Безопасность автобуса в условиях опрокидывания в большой мере определяется конструкцией каркаса кузова, зависит от характера его разрушения. Рассматриваемые кузова наибольшую сопротивляемость разрушениям и энергоемкость имеют в том случае, когда пластические шарниры возникают в оконных стойках боковин. Поэтому при проектировании безопасного кузова автобуса следует стремиться «закладывать» зоны пластических деформаций (шарниров) выше подоконного пояса боковин.

7. Конструкции сидений пассажиров, поручней и перегородок салона играют существенную роль в повышении безопасности автобуса. Сиденья могут повысить несущую способность кузова в условиях опрокидывания до 25%; стойки поручней - до 20%; распашные двери - до 10%. Важную роль в восприятии боковой нагрузки играют металлические панели передка, задка и крыши кузова, в случае надежного и качественного их соединения с трубчатыми элементами каркаса.

8. Выполненные исследования, удовлетворительная сходимость результатов расчетов и экспериментов (в пределах 20%) подтверждают обоснованность и целесообразность практического применения разработанных методик в конструкторских и расчетных отделах заводов; в ГУЛ «НИЦИАМТ» и в органах по сертификации автобусов.

Рекомендации по выбору безопасной конструкции кузова в условиях опрокидывания автобуса

Материалы выполненных в данной работе теоретических и экспериментальных исследований и накопленный опыт работ специалистов, занимающихся пассивной безопасностью автобусов, показывают, что безопасность кузова при опрокидывании автобусов определяется сопротивляемостью конструкции каркаса кузова, сидений, надстройки, перегородки разрушающим действиям аварийных нагрузок. Поэтому основными направлениями проектирования безопасного кузова автобуса являются:

- выбор безопасной конструкции каркаса кузова (или силовой несущей системы);

- максимальное использование несущих свойств наружной обшивки и всех панелей кузова;

- рациональное крепление сидений, обеспечивающее увеличение несущей способности кузова по разрушающим нагрузкам;

- выбор рациональных силовых конструкций перегородок внутри салона; поручней и стоек;

- введение энергопоглощающих элементов конструкции.

Конструктивное решение этих мероприятий должно осуществляться с использованием расчетных методов оценки несущей способности по разрушающим нагрузкам отдельных силовых сечений, секций и конструкции кузова в целом. На первых этапах проектирования следует использовать разработанные алгоритм, программу инженерного расчета конструкций, зависимости между разрушающими нагрузками и конструктивными параметрам.

На завершающих этапах проектирования кузова должна проводиться расчетная оценка его безопасности с использованием уточненной конечно-элементной модели.

При выборе безопасного каркаса следует ориентироваться на конструкцию, обеспечивающую регламентируемую сопротивляемость разрушениям (разрушающую нагрузку Рр). Это достигается выбором соответствующего механизма разрушения каркаса по такой схеме, чтобы Рр > .

Прогнозирование разрушения по тому или иному механизму достигается обеспечением соответствующего соотношения размеров сечений элементов и их 1Гт, Поэтому, чтобы силовое сечение кузова разрушалось по механизму с наибольшим значением Рр, необходимо в нижней части стоек боковин иметь значения ¡¥1П. больше, чем в оконных стойках. Увеличение IVпл. достигается не только повышением размеров или толщины стенки сечения элемента. Конструктивно это обеспечивается и введением дополнительных параллельно работающих элементов, например, раскосов. Дополнительная более жесткая заделка боковин с основанием, применение надстройки пола, привязка каркасов сидений к боковинам - все это смещает зоны пластических деформаций (разрушения) боковин вверх, от основания в сторону крыши, повышая безопасность кузова при соответствующем выборе размеров сечений оконных стоек боковин.

Наружная обшивка и внутренние металлические панели всегда хорошо работают на восприятие нагрузки, когда они не теряют устойчивость формы и надежно приварены к стержневым элементам каркаса. В условиях опрокидывания при приложении боковой нагрузки перпендикулярно плоскости боковины, обшивка боковины на оказывает сопротивляющего действия. В этом случае на повышение безопасности автобуса можно «заставить работать» только панели крыши, передка, задка кузова и перегородки салона. Конструктивно это может быть обеспечено за счет прочной и надежной приварки их к дугам крыши, стойкам передка, задка и перегородки, увеличением количества дуг и стоек. Сопротивляемость разрушениям панелей повышается и с введением ребер жесткости или выштамповок.

Жесткое крепление каркасов сидений к основанию (надстройке) и боковинам создает подкрепляющий эффект для боковин. Это приводит к смещению вверх зон их разрушения (пластических шарниров) при опрокидывании автобуса, увеличению стойкости кузова к разрушениям и повышению пассивной безопасности.

Перегородка салона повышает безопасность кузова. Чем выше ее разрушающее значение нагрузки, тем выше стойкость кузова к разрушениям. Увеличение РрПерет. должно осуществляться подбором сечений ее силовых элементов, выбором схемы ее присоединения к кузову, подбором материала силовых элементов.

Поручни салона для пассажиров способствуют повышению безопасности кузова при рациональном выборе количества стоек, их размещения, способа крепления к основанию и крыше. Более жесткое крепление увеличивает сопротивляемость кузова разрушению. Важным фактором является обеспечение надежности их соединения с полом и крышей.

Практическое решение проблемы повышения пассивной безопасности автобуса должно осуществляться при комплексной реализации всех конструктивных мероприятий, включая и безопасные ремни (пневмоподушки или другие средства защиты), внутренние элементы интерьера салона, стекла и т.д.

Конкретные рекомендации по результатам расчетных и экспериментальных исследований рассматриваемых кузовов даны в соответствующих разделах глав 3 и 4.

Внедрение результатов работы

Результаты выполненной работы внедрены в производстве и в учебном процессе:

На АО «Павловский автобус» внедрены:

- методика расчета кузовов автобусов на безопасность при опрокидывании;

- расчетные модели кузовов ПАЗ-5269 (71), 4223, 3205 в качестве базы данных для использования при доводке кузовов;

- результаты расчетов указанных кузовов на прочность и безопасность;

- рекомендации и конструктивные предложения по повышению прочности и безопасности кузовов.

Акты внедрения прилагаются.

В учебном процессе кафедры «Автомобили и тракторы» в курсе «Строительная механика автомобиля». В лекционном курсе используются разработки автора, касающиеся алгоритма и программы расчета кузовов автобусов на безопасность при опрокидывании, расчетные модели кузовов автобусов городского типа (большой вместимости) и результаты их расчетов.

Акт прилагается.

На автополигон «НИЦИАМТ» переданы для практического использования:

- методика расчетно-экспериментальной оценки безопасности автобусов при проведении их сертификации;

- расчетные модели секций и силовых сечений кузова автобуса ПАЭ-3205;

- разработки и предложения по проведению разрушающих испытаний секций кузовов автобусов в соответствии с дополнением Правил № 66 ЕЭК ООН;

- совместные с АО «Павловский автобус» разработанные и изготовленные опытные образцы секций автобуса ПАЗ-3205 для проведения стендовых статических и ударных испытаний;

- результаты расчетов и стендовых испытаний для совместной разработки РД на оценку безопасности кузовов автобусов по результатам расчетов и испытаний их секций и силовых сечений.

1. Александров A.B., Ляшенков Б.Я., Шапошников H.H. Строительная механика (тонкостенные пространственные системы). Под ред. чл.-кор. АН СССР А.Ф. Смирнова. М., Стройиздат, 1983.

2. Агапов В.П., Краснов Д.В. Учет пластических деформаций при статическом расчете стержневых систем методом конечных элементов // Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа: Тез. докл. междун. научн. симпозиума: МГТУ. МАМИ. М, 1999.

3. Антипцев В.П., Никульников Э.Н., Благодарный Ю.Ф. Проблемы и перспективы расчетно-экспериментальных методов оценки прочности верхней части кузова автобуса // Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа: Тез. докл. междун. науч. симпоз: М., 1999.

4. Афанасьев Л.Л., Дьяков А.Б., Иларионов В.Л. Конструктивная безопасность автомобиля. М.: Машиностроение, 1983. - 212 с.

5. Багров Г.М. Проектирование и оптимизация автомобилей // Активная и пассивная безопасность и надежность автомобиля. Межвуз. сб. щущ. тр. М.: МАМИ, 1984.

6. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М., Стройиздат, 1982.

7. Батуев Г.С. и др. Инженерные методы исследования ударных процессов. М., Машиностроение, 1969.

8. П.Бочаров Н.Ф. и др. К вопросу исследования напряженно-деформированного состояния кузовов автобусов // Автомобильная промышленность. 1980,- № 11.

9. Власов В.З. Тонкостенные упругие стержни. М.: Гос. изд-во ф. м. лит., 1958.

10. Воронцова Н.И., Круглов A.A., Сарычев Ю.А. Расчет кузова большого городского автобуса на изгиб и кручение. М.: Труды НАМИ, 1986.

11. Гельфгат Д.Б. Прочность автомобильных кузовов. М.: Машиностроение, 1972. - 142 с.

12. ГОСТ 27815-88 (Правила № 36 ЕЭК ООН). Автобусы. Общие требования к безопасности конструкции. М.: Изд-во стандартов, 1988. 45 с.

13. Гируцкий О.И. Проблема развития автобусостроения и пути ее решения. -Дисс. д.т.н., М. 2000.

14. Григолюк Э.И., Коган Е.А., Кулаков H.A. Нормирование прочности несущих систем автобусов // Под ред. Григолюка Э.И. М.: Моск. гос. акад. автом. и тракт, маш-я. 1994. - 132 с.

15. Грошев А.М., Дорохов А.П., Золин Д.Е., Орлов Л.Н. Расчетно-экспериментальная оценка прочности и безопасности кузова вахтового автобуса // Динамика и прочность автомобиля; Тез. докл. 4-го всесоюзн. науч.-техн. совещ.-М, 1990.-С. 72-73.

16. Зузов В.Н. Проблемы использования метода конечных элементов для исследования несущей способности кузова автобуса // Изв. вузов, Машиностроение. 1979. № 11. - С. 87-91.

17. Зузов В.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния кузова автобуса применительно к системе автоматизированного проектирования несущих систем автомобилей. Дисс. к.т.н. М., 1980.

18. Иванов В.Н., Лялин В.А. Пассивная безопасность автомобиля. М.: Транспорт, 1979.-304 с.

19. Коган Е.А., Григолюк Э.И. О разработке норм прочности несущих систем автомобильных конструкций // Автомобилестроение. Промышленность и высшая школа.: Тез. докл. намежд. науч. симпозиуме. М, 1999.

20. Колтунов В.А. Теоретическое и экспериментальное исследование прочности кузова автобуса. Дисс. к.т.н. Горький, 1974. - 306 с.

21. Колтунов В.А., Орлов Л.Н. Расчетный анализ прочности кузова автобуса // Тр. ин-та / ВКЭИАВТОБУСПРОМ. Львов, 1985. - С. 132-138.

22. Колтунов В.А., Кудрявцев С.М., Орлов Л.Н., Песков В.И., Цимбалин В.Б. Расчетный метод оценки безопасности кузовов и кабин автомобилей // Пути повышения безопасности дорожного движения. Ташкент, 1986. - С.

23. Коршаков И.К. Пространство выживания при встречных соударениях автомобилей // Организация автомобильных перевозок и безопасность движения: Сб. науч. тр. М.: МАДИ, 1972. Вып. 43. - С. 53-55.

24. Кудрявцев С.М. Исследование кузова легкового автомобиля. Теоретические расчеты и эксперименты на стендах. Дисс. к.т.н., Горький, 1970.

25. Кудрявцев С.М., Чалов В.П., Антонец В.А. Использование конструкционных свойств автомобильных стекол // Международный научный симпозиум: Тез. докл. по секц. «Автомобили» 4.1. М., МГТУ МАМИ, 1999. - С. 43-45.

26. Кулаков H.A. Методы расчета напряженно-деформированного состояния несущих систем автомобильных конструкций при действии динамической нагрузки от дороги // Тр. ин-та / ВКЭИАВТОБУСПРОМ. Львов. 1985. - С. 115-122.

27. Любин А.Н. Напряженно-деформированное состояние и весовая оптимизация несущей системы автобусов. Дисс.к.т.н. М.: МАМИ, 1987. - 251 с.

28. Любин А.Н., Кулаков H.A., Вида М.И. Исследование напряженно-деформированного состояния кузова автобуса ЛиАЗ-5256 с учетом обшивки при изгибе статической нагрузкой // Тр. ин-та / ВКЭИАВТОБУСПРОМ. Львов. 1985. - С. 122-131. *

29. Методика испытания автобусов на опрокидывание. № АО 136. Автополигон НАМИ, Дмитров, 1969.

30. Михельбергер П. Влияние конструкции крыши на стабилизацию кузова. -Перевод № 257. Автополигон НАМИ. Дмитров, 1972.

31. Нил Б.Г. Расчет конструкций с учетом пластических свойств материалов. Госстройиздат. М., 1961 (пер. с англ.).

32. Орлов А.Л. Расчетно-экспериментальная оценка безопасности кузовов автобусов // Прогресс транспортных средств и систем: Материалы международной научно-практической конференции. Ч. 1 Волгоград, 1999. -С. 112-114.

33. Орлов А.Л., Кудрявцев С.М., Орлов Л.Н. Инженерный метод расчета кузовов автобусов на безопасность // Прогресс транспортных средств и систем: Материалы международной научно-практической конференции. Ч. 1. -Волгоград, 1999.-С. 115-118.

34. Орлов Л.Н. Исследование основных характеристик безопасности кузовных конструкций автомобилей. Дисс. к.т.н. Горький, 1974. - 242 с.

35. Онат Е.Т. Влияние геометрических измерений на зависимость между нагрузкой и деформацией для пластических тел. Период, сб. переводов. «Механика», 1962, №1.

36. Островцев А.Н. Системность в развитии автомобильной науки и техники. -Автомобильная промышленность. 1978, №4, с. 15-18.

37. ОСТ 37.001.009-70. Безопасность конструкции сидений технические требования и методы испытаний. М, 1970.

38. ОСТ 37.001.284-84. Несущие системы автомобилей. Термины и определения. -М.: Минавтопром, 1985. 11 с.

39. Осепчугов В.В., Атоян K.M. О жесткости и прочности кузова автобуса ЛАЗ-695 // Автомобильная промышленность. 1958, № 5.

40. Осепчугов В.В. Автобусы. М.: Машиностроение, 1971. - 312 с.

41. Османов H.A., Трепененков И.И. Методы испытания безопасных кабин на прочность. Труды 3-й научной конференции молодых специалистов НАТИ. -М., 1966.

42. Павловский Я. Автомобильные кузова. М.: Машиностроение, 1977. - 544 с.

43. Песков В.И. Исследование нагрузочных режимов кузовов легковых автомобилей и надежности кузовных конструкций.-Дисс.к.т.н., Горький, 1970.

44. Постнов В.А., Дмитриев С.А., Елтышев Б.К., Родионов A.A. Метод суперэлементов в расчетах инженерных сооружений. Под общей редакцией Постнова В.А. Л.: Судостроение, 1979. - 288 с.

45. Савостьянок Ю.А. Напряженно-деформированное состояние, колебания и устойчивость автобусных кузовов. Дисс.к.т.н. М.: МИИТ, 1990.62. Правила ЕЭК ООН № 52.

46. Правила ЕЭК ООН № 66. Добавление 65. Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения крупногабаритных пассажирскихтранспортных средств в отношении прочности верхней части их конструкции, 1986.

47. Протокол № 16/66/242-94 сертификационных испытаний автобуса ПАЗ-З205.

48. Ржаницын А.Р. Строительная механика. М.: Высшая школа, 1982. - 400 с.

49. Рябчинский А.И. Методология системного подхода в исследованиях вопросов обеспечения пассивной безопасности. Автомобильная промышленность, 1977, №5, с. 14-15.

50. Рябчинский А.И. Пассивная безопасность автомобиля. М.: Машиностроение, 1983. - 145 с.

51. Рябчинский А.И., Мельников О.В. Современные системы зашиты водителей и пассажиров грузовых автомобилей и автобусов при дорожно-транспортных происшествиях и методы их испытаний. М., НИИНавтопром, 1976. С. 68.

52. Рябчинский А.И., Фролов В.В. Ударно-прочностные качества кабины и пассивная безопасность грузовых автомобилей. М., НИИНавтопром, 1974.

53. Рябчинский А.И., Фотин Р.К. Оценка пассивной безопасности легковых автомобилей при имитации дорожно-транспортных происшествий. М., НИИНавтопром, 1973.

54. Сафонов Н.Б. Разработка расчетно-экспериментального метода определения вибрационных характеристик несущей системы кузова автобуса с целью уменьшения ее вибронагруженности. Дисс.к.т.н. М.: МАДИ, 1999.

55. Сегерлинг JI. Применение метода конечных элементов: Пер. с англ. М.: Мир. 1979. -392 с.

56. Справочник проектирования (расчетно-теоретический) промышленных,жилых и общественных зданий и сооружений. Под ред. A.A. Уманского. Кн.2. М.,1973.

57. Ташлыцкая A.C., Чугунов Б.М. К вопросу оценки прочности автобусных кузовов // Исследование и расчет конструкций и эксплуатационной надежности автобусов. Львов, ВКЭИАВТОБУСПРОМ, 1989. - С. 73-85.

58. Фентон Дж. Несущий каркас кузова автомобиля и его расчет. Пер. с англ. К.Г. Бронштейна. Под ред. чл.-корр. АНСССР Э.И. Григолюка. М.: Машиностроение. 1984. - 200 с.

59. Ходж Ф.Г. Расчет конструкций с учетом пластических деформаций. М., Машгиз, 1963 (пер. с англ.).

60. Цимбалин В.Б., Орлов JI.H. К методике исследований пассивной безопасности автомобилей. Труды ГПИ, 1974, т. XXIX, вып. 2.

61. Цыбин М.В., Палюх М.Д. Исследование характеристики энергопоглощения бамперной системы и кузова автобуса // Тр. ин-та / ВКЭИАВТОБУСПРОМ. -Львов. 1985. С. 138-147.

62. Чалов В.П., Кудрявцев С.М. Роль стекла в автомобилестроении // Проект., испыт., экспл. и марк. автотр. техн: Сб. научн. тр. Н. Новгород, НГТУ, 1997. -С. 293-296.

63. Шадур Л. А. Расчет вагонов на прочность. М., Машиностроение, 1971.

64. Школьников М.Б. Исследование прочности несущего кузова-фургона. Автомобильная промышленность, 1961, № 10.

65. Школьников М.Б. О приближенном расчете на кручение несущего кузова автобуса. М., ОНТИНАМИ, 1970.

66. Штробель В.К. Современный автомобильный кузов. М.: Машиностроение, 1984. 175 с. (пер. с нем.).

67. Alaylioglu Н., Ali R. Analysis of an automotive structure using hybrid stress finite elements // Computers structures an International Journal, 1978, vol. 8, pp. 237-242.

68. Appel H., Fiala E., Willumeit H. Entwicklungsstand der VW-Experimental-Sicherheitsautos. ATZ, № 2, 1972 .

69. Atzori B. Moderni metodi eprocedimenti di calcolo nella progettazione meccanica. -Bari, 1979.

70. Argiris J.H., Kelsey S. The analysis of Fuselages of Arbitary Cross-section and Tapper. Aircraft Engineering. 1959, vol. 31; 1960, vol. 33.

71. Cali C., Giudice E., Soprano A. Alterazione per trattamento meccanico di alcune caratteristiche delle lamiere da stampaddio. LaMecanica Italiana, n 125, 1979.

72. Fasolio F., Garro A., Rana A. Modelli matematici nella progettazione dei veicoli. ATA, dicembre, 1979, p. 518-523.

73. Franchini E. Provo di urto su autoveicoli industríale. ATA, v. 23, № 8, 1970.

74. Gay F., Garro A., Uslen Ghi P. Interventy del calcolo strutturale nella progettazione della Fiat Ritmo. ATA, maggio, 1978, p. 223-232.

75. Hinton E., Owen D. R. J. Finite Element Programming. Academic press. London, 1977.

76. Kamel H. A., McCabe M.W., Hunta K.A. GIFTS 5 Theoretical Manual.

77. Locati L. Vehicle post-crash considerations. XIII Congresso FISITA. ATA, Luglio, 1970.

78. Mazzuolo G. Contrbutto alia ricerca della sicurizza all urto nella progettazione della carrozzeria di un autoveicolo. ATA, № 7, 1965.

79. Orlov L., Soprano A., Cali C. Crireti di progettazione di cabine per autocarro. ATA (Ingegneria automotoristica), maggio 1983, vol. 36, n. 5, pag. 305-312.

80. Seiffert U. Konstructive Sicherheit im Automobilbau. ATZ, № 5, 1970, 149-155.

81. Strifler P. Einige Sicherheits-und Festigkeitsprobleme an Omnibussen // ATZ Automobiltechnische Zeitschrift 78 (1976) № 4. C. 173-174.

82. Shkolnikov M.B. Application of the Thin-Walled Beam Theory in Analysis of Automobile Structures. Vehicle Structural Mechanics Conference. Thjsition, Detroit, Mechigan, Fpril 2-4, 1984.

83. Dellis E.A. Evolutions in safety Automotive Engineering. January 1990, vol. 98, # 1, pp. 51.55.

84. Zienkiewicz О. The Finite Element Methodin Engineering Scince. Перевод: Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М., «Мир», 1975.

85. Baracos R., Rhodes A. Ford «S» frame. SAE Transaction, 1969, vol. 78, Paper 690004.

86. Burdisso R., Nikolaidis E., Kuo E., Jayasuriya A.M.M. Nondestructive Estimation of Degradation in Vehicle Joints Due to High Mileage. SAE Transactions, 1997, section 6, part 2, vol. 106. C. 2246-2252.

87. Garrett Т.К. Structural design. Part 1: Analytical method for chassisless vehicle design. Automobile Engineer, 1953, vol. 43, № 564, pp. 103-111.

88. Lowe W.T., Al-Hassani S., Johnson W. Impact behaviour of smoll seale model motor coaches. Automobile Engineering, 1963, vol. 2, № 6, pp. 54-58.

89. Lucas A.H. The Argyris method. Structural analysis using matrix algebra. Automotive Design Engineering, 1963, vol. 2, № 6, pp. 54-58.

90. Miura R., Kawamura K. Analysis of deformation mechanism in head-on collision. SAE Transactions, 1968, vol. 77, Paper 680484.

91. Reidelbach W. Zur Frage der Gestaltfestigkeit von Karosserie-Oberbauten. Automobiltechnische Zeitschrift, 1964, № 3. SS 63-66.

92. Yim H.J., Lee S.B. Design Optimisaton of the Pillar Joint Structure Using Equivalent Beam Modeling Technique. SAE Transaction, 1997, S. 6, p. 2, vol. 106.

93. Ml. Schramm V.U. Strukturoptimierung Ein effektives Werkzeug inder Automobilentwicklung. ATZ Juni 1998, Nr. 6 - c. 456 ^ 462.