автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Совершенствование весовых, жесткостных и прочностных показателей автобусных кузовов путем использования свойств конструкций типа "Монокок"

ВОРОНКОВ ОЛЕГ ВИКТОРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВЕСОВЫХ, ЖЕСТКОСТНЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОБУСНЫХ КУЗОВОВ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИЙ ТИПА «МОНОКОК»

Специальность 05.05.03 - «Колесные и гусеничные машины»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005546661

П) АПР 2014

Нижний Новгород - 2014

005546661

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Автомобили и тракторы» ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (НГТУ).

Научный руководитель: Песков Вячеслав Иванович

кандидат технических наук, доцент (ФГБОУ ВПО НГТУ им. P.E. Алексеева, профессор кафедры «Автомобили и тракторы»)

Официальные оппоненты: Гируцкий Ольгерт Иванович

доктор технических наук, профессор, заслуженный машиностроитель РФ, лауреат Государственной премии РФ, лауреат премии Правительства РФ (ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», заместитель председателя Экспертного совета)

Ким Игорь Владимирович

кандидат технических наук (ООО ИЛ «ПОЛИНОМ», научный руководитель испытательной лаборатории)

Ведущая организация: Федеральный исследовательский испытательный

центр машиностроения - ОАО «ФИИЦМ»

Защита диссертации состоится « 15 » мая 2014 г. в « 12 » часов на заседании Диссертационного совета Д 212.165.04 при ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева» по адресу: 603950, г. Н. Новгород, ул. К. 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-doktorantnra/dissertacii

Автореферат разослан «_» марта 2014 г.

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

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Минимально возможная собственная масса несущих частей при обеспечении необходимой прочности и жесткости является одним из важных требований, предъявляемых к современному автобусному кузову. Доминирующая на данный момент в конструкциях автобусных кузовов каркасная концепция находится уже практически на пределе возможностей по дальнейшей их весовой оптимизации, так как не позволяет эффективно использовать существующие высокопрочные материалы и материалы низкой плотности. Следовательно, дальнейшее совершенствование автобусного кузова должно быть связано с разработкой новой концепции прочностной работы его несущей системы. Одной из таких новых концепций является разработанная автором концепция автобусного кузова типа «монокок» как развитие идеи Я. Павловского о «закрытом» в механическом смысле кузове. Концепция нацелена на эффективное использование в конструкции кузова автобуса различных материалов и несущих трехслойных панелей, высокая весовая эффективность которых доказана в ходе длительного опыта их производства и эксплуатации в различных отраслях техники. Способам внедрения трехслойных панелей в конструкцию автобусных кузовов к настоящему моменту посвящено относительно небольшое количество научных работ.

В сложившейся ситуации существует реальная потребность в подробном исследовании вопросов механики автобусного кузова типа «монокок» и поиске путей эффективного внедрения трехслойных панелей в конструкцию несущей системы такого кузова с целью снижения ее собственной массы.

Цель работы: теоретически и экспериментально исследовать возможности повышения прочности и жесткости автобусных кузовов и снижения их массы за счет использования свойств конструкций типа «монокок».

Объект исследования. Несущие конструкции двух специально разработанных автором прототипов кузовов автобусов, несущие конструкции кузовов автобусов Самотлор-3241, Самотлор-3242 и Самотлор-3283.

Предмет исследования. Прочностные, жесткостные и весовые характеристики несущих систем автобусных кузовов.

Научная новизна. При выполнении данной диссертационной работы получены следующие новые результаты:

• дано новое определение автобусного кузова типа «монокок» на базе понятия «закрытого» кузова по Я. Павловскому, позволяющее определять соответствие кузова любого автобуса этому типу, на основании данного определения сконструированы оригинальные прототипы такого кузова повышенной прочности и жесткости или сниженной собственной массы, указанные свойства которых подтверждены расчетно-экспериментальным сравнением с кузовами традиционных каркасных конструкций;

• разработана методика совершенствования весовых, жесткостных и прочностных показателей автобусных кузовов, применяемая на этапе проектирования, основанная на использовании свойств кузова типа «монокок» и внедрении в его конструкцию трехслойных панелей, оптимизированных по материалам и размерам;

• дано новое определение элементарной конструктивной плоскости (ЭКП) как неотъемлемой части кузова типа «монокок», уточняющее соответствующее понятие Я. Павловского, для которого расчетно-экспериментальным путем выведен критерий, позволяющий установить принадлежность любой структурной единицы кузова ЭКП на основе ее удельной сдвиговой жесткости. Показано, что трехслойная панель является самой эффективной ЭКП;

• разработана методика, позволяющая выбирать рациональное сочетание материалов для трехслойных панелей основания или крыши автобусного кузова на основе выведенного набора сравнительных коэффициентов эффективности материалов в различных нагрузочных ситуациях;

• выведен новый коэффициент, названный автором «индекс жесткости», являющийся характеристикой материала, позволяющей на этапе проектирования определять эффективность совместного использования различных материалов в конструкции трехслойной панели;

• разработана методика, реализованная в виде компьютерной программы, позволяющая находить рациональные размеры «ребристых» трехслойных панелей, тип которых обоснован как эффективный для применения в автобусном кузове. Указанная методика основывается на выведенных автором инженерных зависимостях для определения прочностных и жесткостных характеристик данных панелей;

• выведен новый коэффициент, названный автором «коэффициент разгрузки», характеризующий нагруженное состояние трехслойной панели основания или крыши в составе автобусного кузова, позволяющий на этапе проектирования рассматривать прочность и жесткость указанных панелей отдельно от остальных частей кузова;

• получены научно обоснованные результаты и выводы.

Методы исследования. При проведении теоретических исследований использовались расчетные методы оценки прочности и жесткости кузовов автобусов и их отдельных силовых элементов: а) метод ЭКП Я. Павловского для укрупненного прочностного анализа конструкции кузова в целом и его основных структурных единиц; б) метод конечных элементов (МКЭ) для подробного рассмотрения и анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции автобусного кузова в целом и его отдельных деталей; в) методы сопротивления материалов и методы теории пластин для теоретического рассмотрения и анализа НДС отдельных силовых элементов и трехслойных панелей кузова.

Для выбора рациональных параметров трехслойных панелей основания и крыши автобусного кузова использовались численные методы оптимизации. Основные положения, выносимые на защиту Из теоретических разработок:

• новые определения ЭКП и автобусного кузова типа «монокок», критерий соответствия структурной единицы несущего кузова ЭКП;

• набор сравнительных коэффициентов эффективности различных материалов по массе тонколистовой детали и стоимости материала детали, новая характеристика материала, названная автором «индекс жесткости»;

• инженерные расчетные зависимости для оценки прочностных и жесткостных характеристик трехслойной панели основания или крыши автобусного кузова на этапе проектирования, «коэффициент разгрузки», характеризующий нагруженное состояние трехслойной панели основания или крыши в составе автобусного кузова.

Из научно-методических разработок:

• методика совершенствования весовых, жесткостных и прочностных характеристик автобусных кузовов путем использования свойств конструкций типа «монокок» на этапе проектирования;

• методика выбора эффективного сочетания материалов и проведения сравнительной оценки принятого варианта для конструктивных элементов «ребристой» трехслойной панели основания или крыши автобусного кузова на этапе проектирования;

• методика поиска рациональных геометрических параметров трехслойной панели с ребристым средним слоем, являющейся основанием или крышей автобусного кузова, на этапе проектирования.

Из научно-технических разработок:

• оригинальный прототип кузова автобуса типа «монокок», выявленные в ходе исследования его особенности и преимущества;

• подробные конечно-элементные (КЭ) модели, результаты КЭ-расчетов и экспериментальных испытаний масштабных макетов отдельных ЭКП на режиме сдвига и макетов автобусных кузовов в целом на режимах кручения и изгиба;

• компьютерная программа поиска рациональных геометрических параметров «ребристой» трехслойной панели основания или крыши автобусного кузова. Достоверность результатов. Достоверность результатов расчетных исследований, правомерность допущений и теоретических положений, адекватность разработанных моделей и расчетных схем реальным конструкциям подтверждены сравнением полученных результатов с результатами специально проведенных экспериментов и результатами сторонних экспериментов, доступных в литературных источниках.

Практическая ценность. Разработанные методики позволяют на стадии проектирования кузова автобуса I класса получать конструкцию сниженной собственной массы, по сравнению с традиционной каркасной конструкцией, при обеспечении необходимой эксплуатационной прочности и жесткости.

Разработанная компьютерная программа позволяет численно определять рациональные геометрические параметры «ребристой» сэндвич-панели основания или крыши кузова автобуса I класса и может быть использована при проектировании автобусных кузовов типа «монокок»..

Материалы диссертации могут быть использованы в конструкторских отделах автобусных предприятий и в учебном процессе.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, разработанные методики и компьютерная программа внедрены в ООО «Промтех», ОАО «Павловский автобус», а также в учебном процессе кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ им. P.E. Алексеева.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Авто НН 03. Автомобильный транспорт в XXI веке», посвященной 40-летию кафедры «Автомобильный транспорт» НГТУ (2003 г.); на Международной научно-технической конференции «Проектирование, испытания, эксплуатация транспортных машин и транспортно-технологических комплексов», посвященной 70-летию кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ (2005 г.); на Международной научно-технической конференции «Авто НН 08. Автомобильный транспорт в XXI веке», посвященной 45-летию кафедры «Автомобильный транспорт» НГТУ (2008 г.); на Международной научно-технической конференции «Безопасность транспортных средств в эксплуатации», посвященной 75-летию кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ (2010 г.); на Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Будущее технической науки» (с 2004 по 2009 гг. и в 2011 г.). Указанные конференции проводились в г. Н. Новгород, НГТУ им. P.E. Алексеева.

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 15 печатных работах: 4 статьи опубликованы в журналах, входящих в Перечень российских рецензируемых научных журналов, рекомендованных ВАК РФ; 2 статьи - в журналах, не входящих в данный перечень; 8 тезисов научных докладов и 1 монография.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, рекомендаций, библиографического списка и приложений. Диссертационная работа содержит 304 страницы основного машинописного текста, 142 рисунка, 77 таблиц, библиографический список из 96 наименований и 10 приложений на 117 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель, перечислены методы исследования и объекты исследования, а также новые научные результаты, полученные автором, указаны основные положения, выносимые на защиту, отмечена практическая ценность работы, приведены примеры практической апробации предлагаемых решений и реализации результатов работы.

В первой главе произведен краткий обзор ранее выполненных работ по вопросам расчетной оценки и повышения прочности и жесткости автобусного кузова на эксплуатационных режимах нагружения и снижения массы его несущей системы. Указанным вопросам посвящены работы следующих отечественных авторов: A.B. Бычкова, A.C. Батурина, Н.И. Воронцовой, Д.В. Гельфгата, О.И. Ги-руцкого, З.А. Годжаева, Ю.А. Долматовского, В.Н. Зузова, И.В. Кима, В.А. Кол-тунова, С.М. Кудрявцева, JI.H. Орлова, В.И. Пескова, А.Г. Пирякина, Д.В. Соловьева, A.B. Тумасова, Ф.А. Фараджева, В.Б. Цимбалина и др. Из зарубежных авторов можно отметить: С. Батди, М. Вилпаса, Д. Крокера, Ф. Лана, С. Манокру-анга, В.А. Мацака, Е. Тессера, Я. Павловского, Д. Фентона, A.A. Фернандеса, Б.Д. Эммонса.

В работах упомянутых авторов всесторонне исследуется механика широко распространенных на данный момент автобусных кузовов каркасной конструк-

ции, приводятся различные способы их весовой оптимизации, однако относительно мало внимания уделяется рассмотрению свойств «закрытых» в механическом смысле кузовов, эффективному использованию различных конструкционных материалов и внедрению трехслойных панелей в несущую систему кузова.

Вопросам механики трехслойных панелей и эффективному применению конструкционных материалов посвящены работы A.C. Авдонина, А.Я. Александрова, H.A. Алфутова, В.В. Болотина, Э.И. Григолюка, Л.Г. Донела, В.Н. Кобелева, Б. Ласкопа, В.Т. Лизина, М.Г. Шайдулина и др., однако эти работы не связаны с автобусной тематикой и не учитывают ее специфики, например, присущие автобусному кузову нагрузочные ситуации. Положения, приведенные в указанных работах, требуют адаптации к автобусным конструкциям.

Из проведенного анализа работ следует, что ряд вопросов, касающихся прочности, жесткости и весовой оптимизации автобусных кузовов, нуждается в дополнительном исследовании и дальнейшем изучении. На основании упомянутого анализа для достижения поставленной цели были определены следующие основные задачи данного диссертационного исследования:

1) разработать новое определение понятия автобусного кузова типа «монокок» на базе понятия «закрытого» кузова по Я. Павловскому, исследовать механику его прочностной работы, сравнить кузов этого типа с кузовами традиционной каркасной конструкции, выявить его преимущества, особенности и возможности повышения прочности и жесткости по сравнению с кузовом каркасной конструкции, разработать методику получения автобусного кузова типа «монокок» сниженной собственной массы при обеспечении эксплуатационной прочности и жесткости;

2) разработать новое определение понятия «ЭКП», уточняющее соответствующий термин Я. Павловского, в качестве неотъемлемой части кузова типа «монокок», разработать критерий ЭКП, обосновать наибольшую эффективность трехслойной панели в качестве ЭКП, обосновать тип трехслойных панелей, рациональный для применения в несущей системе кузова автобуса;

3) разработать методику выбора эффективного сочетания материалов для трехслойных панелей основания или крыши автобусного кузова типа «монокок»;

4) исследовать механику прочностной работы выбранного типа трехслойных панелей в нагрузочных ситуациях, присущих основанию и крыше автобусного кузова, разработать методику поиска рациональных размеров таких панелей, реализовать ее в виде компьютерной программы, оценить возможности снижения массы автобусного кузова типа «монокок» за счет оптимизации параметров входящих в его состав трехслойных панелей;

5) провести необходимые экспериментальные исследования и оценить сходимость теоретических результатов с экспериментальными данными.

Во второй главе рассматривается автобусный кузов типа «монокок» и ЭКП как его неотъемлемая часть. Глава разделена на пять пунктов. В п. 1 даются разработанные автором определения: «монокок» - кузов, являющийся замкнутой системой надежных ЭКП; элементарная конструктивная плоскость ГЭКШ -структурная единица кузова (боковина, основание, крыша и т.п. или их часть), имеющая вид пластины или пологой оболочки (одно измерение существенно

меньше двух других), основные силовые элементы которой при нагружении в ее условной плоскости испытывают простые деформации растяжения, сжатия или сдвига. В отличие от этого, не отвечающие понятию ЭКП структуры допускают работу отдельных силовых элементов на изгиб как основную форму сопротивления деформированию. В связи с этим подчеркивается основная особенность ЭКП — высокая жесткость при деформировании в ее условной плоскости. По инженерному методу Я. Павловского обобщенно рассматривается механика кузова типа «монокок» на режимах кручения, изгиба на длине базы, резкого торможения и бокового заноса в сравнении с кузовом каркасной конструкции, не все структурные единицы которого отвечают требованиям ЭКП. Указывается основное полезное свойство кузова типа «монокок»: повышенная прочность и жесткость, в особенности на режиме кручения. На рис. 1 показан разработанный автором прототип кузова-монокока (МК) с основанием и крышей в виде трехслойных панелей. Его отдельные структурные единицы демонстрируют примеры ЭКП. На рис. 2 показан используемый для сравнений специально разработанный автором прототип кузова традиционной каркасной (ТК) конструкции (на рисунках листы обшивки условно не показаны для раскрытия строения каркаса). На рис. 3 для примера приведена расчетная схема автобусного кузова на режиме кручения при его обобщенном рассмотрении по инженерному методу Я. Павловского.

В п. 2 производится расчетно-экспериментальное исследование типовых структурных единиц автобусного кузова: рамки; рамки, подкрепленной тонколистовой обшивкой (РПО); фермы; трехслойной панели. Экспериментальная часть исследования основывается на испытаниях масштабных макетов рассматриваемых конструкций при нагружении сдвигающей нагрузкой в плоскости структурной единицы с замером деформаций для определения величины жесткости. Расчетная часть исследования основывается на КЭ-расчетах, моделирующих процесс испытания каждой структурной единицы. Построение жесткостных масштабных макетов основывается на разработанном автором наборе масштабов (табл. 1), используя который можно обеспечить поведение макета под нагрузкой в упругой фазе материала, подобное поведению реальной конструкции. Масштабный макет

Рис. 3. Расчетная схема режима кручения

Рис. 2. Прототип ТК

структурной единицы в виде фермы для примера показан на рис. 4. Пример полученной расчетной кривой деформирования с наложенными измеренными в ходе соответствующего эксперимента значениями приведен на рис. 5.

Таблица 1 - Основные масштабные соотношения

В табл. 1 обозначено индекс «к» означает принадлежность реальной конструкции, индекс «м» - макету; индексы масштабов в соответствии с подписями во 2-м столбце; М - масштаб; Р - сила; М - масса; Ь -линейный размер; -

минимальная толщина листа; р - плотность; А - линейная деформация; у — угло-

линейных размеров Мл (1)

нагрузки (силы) М„ му-мл2 (2)

Я упругих характеристик му (3)

а плотности М„ = Р«/Рк (4)

2 линейной деформации Мд = Дм / Дк = М„/(М„ му) (5)

угловой деформации = у«/тг« = М. /(М; му) (6)

массы ми = ми/м. = Мп ■ (7)

вая деформация.

Результаты проведенного исследования приведены на рис. 6, из которого видно, что удельные жесткости структурных единиц в виде РПО (1-й участок), фермы и трехслойной панели находятся примерно на одном уровне. Удельные жесткости рамки и РПО (2-й участок) существенно ниже, что подтверждает обоснованность разделения структурных еди-

600

1ч Д-Р /1

2., д л £ г

/

Рис. 4. Макет фермы

0 5 10 15

перемещение, мм/100

Рис. 5. Деформирование макета

фермы: 1) эксперимент; 2) КЭ-расчет

ниц кузова на ЭКП и не ЭКП. Для РПО расчетным (см. рис. 7) и экспериментальным путями было выявлено наличие двух участков деформирования, что связано с появлением волн на обшивке, сопровождающимся резкой потерей жесткости конструкции. Поэтому ЭКП дополнительно можно разделить на надежные, для которых этот эффект в рассматриваемом диапазоне нагрузок не наблюдается, и ненадежные. Отмечено, что трехслойная панель является самой эффективной надежной ЭКП, так как имеет наивысшую удельную сдвиговую жесткость.

На основании полученных данных был разработан критерий соответствия понятию ЭКП структурной единицы автобусного кузова:

Ь )

кЩмм-кг) = Сп,

(В)

где Суя - удельная сдвиговая жесткость; Сп - пороговое значение удельной сдвиговой жесткости; Кж - коэффициент эффективности материала структурной единицы по жесткости (см. описание гл. 3) по отношению к стали Юпс; Ь, мм - размер структурной единицы, перпендикулярный линии действия сдвигающей силы; 1,7 кН/(мм кг) - экспериментально полученное значение Сп для 6= 950 мм для конструкции из стали Юпс ГОСТ 16523-97.

Рис. 6. Удельные жесткости структурных единиц: 1 - эксперимент; 2 - КЗ-расчет; а - рамка; б - РПО (1-й уч.); в - РПО (2-й уч.); г - ферма; д - трехслойная панель

Рис. 7. Релаксация обшивки

В п. 3 производится сравнительное расчетно-экспериментальное исследование прототипов кузовов, показанных на рис. 1 и рис. 2. Экспериментальная часть исследования основывается на испытаниях масштабных макетов (рис. 8 и рис. 9) рассматриваемых кузовов на режимах кручения и изгиба на длине базы. Для испытаний специально спроектирован и изготовлен испытательный стенд (рис. 8 и рис. 9). В ходе испытаний замерялись деформации конструкций с целью последующего определения величины жесткости. Расчетная часть исследования основывается на КЭ-расчетах соответствующих подробных моделей в линейной и нелинейной постановке (нелинейная постановка учитывает геометрическую изменяемость конструкции в процессе деформирования). Поведение материала рассматривается в упругой фазе. Расчеты моделируют упомянутые испытания. Пример полученной из КЭ-расчета картины напряженного состояния (НС) для кузова-монокока на режиме изгиба показан на рис. 10. Построение масштабных макетов основывается на положениях, апробированных в ходе выполнения п. 2. В качестве материала макетов используется техническая бумага. Сравниваемые кузова выполнены из стали Юпс. Сравнение прочностных и жест-костных свойств производится при условии примерно равной массы сравниваемых кузовов (МК и ТК). На рис. 11 приведен пример полученной расчетной кривой деформирования с наложенными измеренными в ходе соответствующего эксперимента значениями. Также в п. 3 производится расчетное исследование возможности снижения массы кузова МК за счет оптимизации входящих в его конструкцию трехслойных панелей (основание и крыша) по используемым конструктивным материалам и геометрическим параметрам (см. гл. 3 и 4). Снижение массы производится при условии обеспечения требуемой прочности и жесткости. Для кузова с оптимизированными трехслойными панелями (МКоп) проводятся проверочные КЭ-

Рис. 8. Испытание макета МК на изгиб

Рис. 9. Испытание макета ТК на кручение

расчеты, моделирующие испытания на кручение и изгиб на длине базы. Полученные расчетные кривые прогибов и углов закрутки для рассматриваемых вариантов кузовов представлены на рис. 12 и рис. 13.

В табл. 2 приведены сводные результаты проведенного исследования. Для сравнения в указанной таблице также приводятся некоторые данные по кузову автобуса ПАЗ-3205, взятые из литературных источников. В табл. 2 обозначено: Мк - масса кузова; Ск - относительная стоимость кузова (только стоимость материалов); МА - полная масса автобуса; - минимальный коэффициент запаса прочности; Скр - жесткость на кручение;

экв

Рис. 10. НС кузова МК на режиме изгиба

Рис. 11. Кривая углов закрутки (УЗ) МК: 1) эксперимент; 2) экспериментальное среднее; 3) нелинейный расчет; 4) линейный расчет

скру - удельная жесткость на кручение; Си - жесткость на изгиб. Из приведенных данных (см. табл. 2, рис. 12 и рис. 13) видно, что крутильная и изгиб-ная жесткости кузовов ТК и МКоп примерно равны. Прочность всех рассматриваемых кузовов на режимах кручения и изгиба обеспечивается (для кузова ТК с превышением допускаемых напряжений на 5%, что допустимо). Таким образом, снижение массы кузова МКоп рассматривается при условии обеспечения прочности и при равной с кузовом ТК жесткости.

В п. 3 в ходе выполнения исследования также делаются важные замечания относительно прочностной работы трехслойных панелей, входящих в конструкции МК и МКоп: 1) нагруженность трехслойных панелей на режиме кручения кузова мала; 2) на режиме изгиба для панелей основным является прогиб на пролете между боковинами (рис. 10). Указанные выводы подтверждают результаты обобщенного рассмотрения, выполненного п. 1.

В п. 4 положения, апробированные в п. 3, сводятся в методику совершенствования весовых, жесткостных и прочностных показателей автобусных кузовов за счет использования свойств конструкций типа «монокок». Объектом для данной методики является автобус I класса по Правилам №107 ЕЭК ООН, однако в ряде случаев приведенные положения могут быть распространены и на автобусы прочих классов. Блок-схема методики приведена на рис. 14.

В п. 5 описывается практическая апробация положений предлагаемой методики, внедренных при разработке автобусов Самотлор-3242, Самотлор-3283 и

Таблица 2 - Результаты исследования кузовов

Характеристика Кузов

МКоп МК ТК ПАЗ-3205

Весовые и стоимостные свойства

Мк, кг 1716 2772 2674 -

Л/к/Л/™0" 1 1,615 1,558 -

Ск 1,040 1 0,964 -

МА, кг 14000 14000 14000 8390

Прочностные и жесткостные свойства при кручении

1,03 1,50 0,97 -

Скр, Н-м/град 3,31-Ю5 4,75-105 3,27105 6,46-104

(-< / /-< МКоп 1,000 1,435 0,988 0,195

База, м 7,097 7,097 6,'947 3,600

Скру, Н-м2/град 2,35-106 3,37-106 2,27-106 2,33-105

С ! (~< МКоп 1 1,435 0,967 0,099

Прочностные и жесткостные свойства при изгибе

1,06 1,06 0,95 -

Си, Н/мм 3,71 • 104 4,44104 3,88-104 4,70-103

/ с МКоп ' ""И 1 1,197 1,046 0,127

Самотлор-3241. При разработке указанных автобусов автор являлся ведущим конструктором по кузовам.

Автобус Самотлор-3242 (рис. 15) имеет кузов традиционной каркасной конструкции. Потенциал снижения собственной массы для кузова данного автобуса продемонстрирован на примере его типовой секции. Производилась замена каркасных конструкций основания и крыши на оптимизированные трехслойные панели при обеспечении требуемой прочности и жесткости. После указанной замены кузов стал соответствовать признакам кузова типа «монокок». В результате такой модернизации было достигнуто снижение собственной массы рассматриваемой секции на 50% при уменьшении суммарной стоимости материалов на 36%. Прочность трехслойных панелей в составе секции оценивалась расчетом подробной КЭ-модели 1/4 части секции (рис. 18) на режиме изгиба на пролете между боковинами. Данный режим для трехслойных панелей является основным, как было отмечено в п. 3. В ходе данного расчета также проверялись предлагаемые инженерные зависимости (см. гл. 4), используемые при про--12 -1.0 -0 8 -Об -0 4 -0,2 0,0 0 2 0,4 екгировочных расчетах трех-Рис. 13. Кривые прогибов: 1,2,5-ТК; 3,4,6-МКОП; СЛОИНЫХ панелей С «ребри-1, 3 - правый бок; 2, 4 - левый бок; стым» средним слоем.

5, 6 - середина пролета Автобус Самотлор-3283

(рис. 16) имеет кузов-монокок, основание, крыша и подоконные секции боковин и задка которого выполнены в виде несущих трехслойных панелей (см. рис. 19).

-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0~0 0,2 Рис. 12. Кривые углов закрутки (УЗ): 1,3,5 (2,4,6) - нелинейный (линейный) КЭ-расчет; 1, 2 - МК; 3,4 - ТК; 5, 6 -МКоп

Опытный образец был изготовлен в 2006 г. По результатам Московского международного автомобильного салона ММАС-2006 указанный опытный образец получил звание «Лучший микроавтобус ММАС-2006», что подтверждается соответствующим дипломом. Коэффициент тары (отношение снаряженной массы к полной) для данного автобуса составляет 0,501. Для сравнения, если бы такой коэффициент тары имел автобус ПАЭ-32054, то для него это означало бы снижение снаряженной массы примерно на 1300 кг при полной массе в 8415 кг. Для автобуса ПАЭ-3204 аналогичная величина составила бы 1100 кг.

В ходе изготовления опытного образца данного автобуса был выполнен производственный эксперимент, целью которого являлась проверка прочностных качеств кузова. Суть эксперимента: несущая конструкция кузова была статически нагружена распределенными по поверхности основания вертикальными усилиями, суммарная величина которых вдвое превышала весовую нагрузку при полном заполнении автобуса пассажирами. Нагружение было произведено при одном вывешенном переднем колесе. Результаты эксперимента: а) прочность стекол была обеспечена, так как возникновения трещин в стеклах и их отклеивания не наблюдалось; б) значения длин диагоналей дверных проемов после завершения эксперимента равнялись соответствующим значениям до эксперимента, т.е. дверные проемы остаточных деформаций не получили. Данный эксперимент подтвердил высокие прочностные свойства кузова типа «монокок» на режиме совместного действия

экстремального изгиба и кручения.

Дополнительная проверка жизнеспособности разработанной конструкции была произведена путем пробега автобуса по дорогам общего пользования по маршруту «Нижний Новгород - Москва - Санкт-Петербург - Москва - Нижний

Стадия разработки

Действие

Сконструировать структурные единицы как ЭКП, основание и крышу - как трехслойные панели с «ребристым»

1им слоем

Расчет прочности и жесткости кузова (кручение, изгиб и т.п.)

Выбрать эффективные материалы для элементов

трехслойных панелей______

—1

Выбрать рациональные геометрические параметры трехслойных панелей

Проверочный расчет прочности и жесткости кузова (кручение, изгиб и т.п.)

нет да

Результирующая конструкция кузова автобуса

Рис. 14. Блок-схема методики совершенствования весовых, жесткостных и прочностных показателей кузова автобуса

Новгород» общей протяженностью более 2500 км. В ходе пробега признаков разрушения кузовных конструкций выявлено не было, замечания по шумности и вибрациям отсутствовали.

конструкционных материалов. Упор делается на выборе эффективных материалов для тонколистовых конструктивных элементов основания и крыши в виде трехслойных панелей с «ребристым» средним слоем (рис. 23) как основных источниках снижения собственной массы автобусного кузова (см. гл. 2). Однако предлагаемые зависимости можно применять и для прочих силовых элементов при условии схожести напряженного состояния. Эффективность некоторого материала предлагается численно оценивать при помощи разработанного автором диссертации набора сравнительных коэффициентов эффективности, показывающих, во сколько раз конструктивный элемент из рассматриваемого материала будет легче (дешевле), чем при использовании некоторого базового материала, при условии равной прочности или жесткости. Вид формул для коэффициентов эффективности зависит от рассматриваемого нагрузочного режима (растяжение-сжатие, сдвиг или изгиб). Промежуточные коэффициенты и величины:

у = я'/[о]р; х = р,/р2; 7Р,с,и = Мр.с.ш/Мр.с.ш; гов=И,/[х]2; (9)

Рр,с=Е;/Е;-у Рсдв=0, /С2; С = С,/С2; 5 = &,/8*2; Е' =Е/( 1-к-ц2); [а]'РС =[ст]РС/(1-к/-ц), где V — индекс жесткости материала (вводится автором) используется при выборе коэффициентов эффективности материалов, а также при рассмотрении вопроса о совместном использовании различных материалов (см. рис. 21); % ~ относительная плотность; у - относительная прочность; р — относительная жесткость; С -относительная стоимость; 5 - относительная адаптивность по толщине; р - плотность; Е - модуль Юнга; [а], [х] - допускаемые нормальные и касательные на-

Автобус Самотлор-3241 (рис. 17) имеет кузов-монокок с основанием и крышей в виде цельностальных несущих трехслойных панелей (рис. 20). Рама шасси интегрирована в конструкцию кузова. Коэффициент тары для данного автобуса составляет 0,579. Если бы такой коэффициент тары имел автобус ПАЭ-32054, то для него это означало бы снижение снаряженной массы примерно на 700 кг. Для автобуса ПАЭ-3204 аналогичная величина составила бы 340 кг.

Рис. 18. НС секции при весовой нагрузке на панель пола

Рис. 20. Кузов автобуса Самотлор-3241, готовность -80%

В третьей главе рассматривается вопрос об эффективности применения различных

пряжения соответственно; С, - стоимость 1 кг материала; & - шаг стандартных толщин листов; индексы 1 и 2 указывают на базовый материал и рассматриваемый материал соответственно; индексы Р, С, И, сдв. указывают на нагрузочные режимы растяжения, сжатия, изгиба и сдвига соответственно; верхний индекс * показывает, что характеристика материала является приведенной; к - коэффициент типа силового элемента: для балки к = 0, для пластины к = 1; / - коэффициент гипотезы прочности: / = 1 - гипотеза максимальных касательных напряжений, i = ц - гипотеза максимальных линейных деформаций, i = [а]р /[а]с - гипотеза Мора.

Предлагаемые автором формулы для сравнительных коэффициентов эффек-

тивности тонколистовых деталей по массе:

- при растяжении (сжатии): Кп = % / у р,С); Кж = % / РР(С); (Ю) -присдвиге: Кп=х'у'ст; Кж=%'/(И)

- приизгибе: Кп =х/>/ь ; (12) по стоимости материала при равной прочности (жесткости): Л:с = С■ АГП(Ж), (13)

где Кп, Кж, Кс - коэффициенты эффективности материала по прочности, жесткости и стоимости соответственно; при сдвиге индекс * означает, что характеристики материала ребер среднего слоя условно приведены к эквивалентному по прочности (жесткости) сплошному среднему слою.

Коэффициенты, получаемые по зависимостям (10) - (12), имеют идеализированный характер. Для учета влияния технологических ограничений, таких как наличие стандартного ряда толщин, на эффективность материалов, автором вводятся коэффициенты эффективности по массе материала, учитывающие влияние указанных ограничений:

^шг = X '8; т = &г/(2-5); Км = (1 + от,)/(1/.Кщж) +т1 /^шт)!

(14)

Км=(Кпж+Кш-т2)/(1 + т2), (15)

где К]т - коэффициент шага толщин; т - относительное отклонение массы конструкции; Кщж - Кп или Кж для рассматриваемого режима нагружения, от выбора данного коэффициента зависит смысл коэффициента Км \ Ки - коэффициент эффективности по массе. Для Кы приведены две зависимости, позволяющие определять его величину на базе размеров базовой (14) или проектируемой (15) конструкции.

Эффективность комбинации материалов предлагается определять по следующим зависимостям:

К' = 1/(Х\/К,+Х'2/К2+Х',/К3); (16) К = К1\1+К2-\2+К,-Х3, (17)

где К - коэффициент эффективности комбинации материалов; К, - коэффициент эффективности материала детали; X - массовая доля детали в общей массе панели; индексы 1, 2, 3 означают принадлежность обшивкам (верхней/нижней) и среднему слою (ребрам) соответственно; штрих означает, что расчет ведется по размерам и массовым долям базовой конструкции.

Приведенные в гл. 3 положения, апробация которых описана в гл. 2, оформлены в методику выбора эффективного сочетания материалов для конструктив-

ребра, "ф

[База материалов: различные комбинации

оШтщ , индекс о <....... .............

ДаГ\..нет:

1Г

ных элементов трехслойной панели основания или крыши автобусного кузова. Блок-схема данной методики приведена на рис. 21.

В четвертой главе рассматриваются вопросы, связанные с выбором рациональных геометрических параметров трехслойных панелей основания и крыши автобусного кузова на этапе проектирования. Трехслойная панель с «ребристым» средним слоем (рис. 23) обосновывается как наиболее рациональная к применению в конструкции автобусного кузова: при примерно равной прочности у панелей со сплошным пено-заполнителем она выигрывает по жесткости; у панелей с ячеистым (сотовым) заполнителем - по технологичности.

Предлагаются инженерные зависимости для определения деформаций панели и напряжений в ее от-

Рис. 21. Блок-схема методики выбора эффективного сочетания материалов

дельных силовых элементах на режиме прогиба распределенной весовой нагрузкой на пролете между боковинами автобуса (основной режим прочностной работы панели, как было показано в гл. 2). Данные инженерные зависимости основываются на расчетных схемах (см. рис. 22 - рис. 24).

М = -

1 д-У-

1 + А-

ст(п = Мх / кл;

Ь, -А, +с31 •

Е\ (А, -е,)'

я = р->;

(18) (19)

е:

? +

ЛЭ1 т г,' "А:

_ ■£,'•& + с32 • (/г — е2) + с3) -,?3, ■ Е] -е, ,

ЛМ2 _ ~ , . _ ,, Г" р ' *М]

д(" =

■ Е} ■ А + с31 ■

К .

р-Ь" 5-Ар

■Ег ■ (А - е,) + с3:

р1Ь2

А,

-; Д(2> =

"(32) -

р.г

К

1 Л А

к ' 1 Л12 1 + ^2,

К '

; К

1 + *„

3 р-Т2

(20)

384 /п Л + кг '8-«3-А3-03 ' ~ 32-• 20 5,-а, ' = е; ■ 1, ■ А,2 + с„ -Е\ -(А, -е,)2 + Е\ ■ ч ■ А,2 + с32 • Е\ ■ $ъг • (А2 -е2)2; Д = Д(" + Д<2', где Мх - изгибающий момент на единицу ширины панели; М - максимум Мх;

- сдвигающее усилие на один шаг ребер; £) - максимум £>„,; <т(1)(2) - напряжения в верхней и нижней обшивках соответственно; р - давление на панель, 0,00534 МПа для панели пола - 1 человек массой 68 кг на 0,125 м2 площади пола по Правилам № 107 ЕЭК ООН; а(31)(32) - напряжения в полках ребер, прилежащих

касательные напряжения в

Рис. 22. Расчетная схема панели при изгибе

к верхней и нижней обшивкам соответственно; т ребре; «зи2, а3, й12, Л3, А, е,2, Т - см. рис. 22 и рис. 23; Сз,^ - скважность верхней и нижней полок ребер соответственно; Ja - жесткость на единицу ширины панели; Д(1) - прогиб панели в целом; Д<2) - локальный прогиб от распределенной нагрузки; Д - максимальный прогиб панели; кр - коэффициент разгрузки, вводимый автором для учета моментной реакции на панель со стороны боковин, позволяет рассматривать нагруженное состояние панели отдельно по упрощенной расчетной схеме (рис. 24). Величина данного коэффициента определяется в ходе проверочного расчета конструкции как соотношение величин изгибающих моментов у края и в середине пролета между боковинами. На этапе проектирования принимается, как для аналогичной конструкции. При рассмотрении модифицированной секции автобуса Самотлор-3242 (см. п. 5 гл. 2) величина кг была определена как 0,118 для панели пола и 0,816 для панели крыши.

Приведенные инженерные зависимости позволяют на этапе проектирования производить оценку прочности и жесткости разрабатываемой трехслойной панели. На основании данных зависимостей разработана методика поиска рациональных геометрических параметров трехслойной панели (рис. 25). Алгоритм указанной методики реализован в виде компьютерной программы.

щАз

.0.5Т

-5? ГЧуЯ V

< / ^ /

; Технологические | и компоновочные ограничения

Нойое сочетание материалов

Рис. 23. Расчетная схема панели при сдвиге

¡Стандарт.' | ряды | толщин

|Диапазоны изменения размеров

СУга., ж:

конструщия

¡Ориентировочные ! размеры новой конструкции

Базовые ^материалы

■и Базовые П размеры

Комбинация размеров

.........

^Оценка прочности]" и жесткости

ЪзГ"

да ,

лучшего }

Итоговая конструкция

Рис. 24. Внутренние усилия

Инженерные зависи мости Перебор вариантов на ЭВМ

Рис. 25. Блок-схема методики выбора рациональных геометрических параметров трехслойной панели

Практическая апробация и экспериментальная проверка предлагаемой методики и инженерных зависимостей производились в ходе выполнения пп. 3, 5 гл. 2 путем сравнения с результатами соответствующих КЭ-расчетов и экспериментальными данными.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработано новое инженерное определение автобусного кузова типа «моно-кок», позволяющее идентифицировать и проектировать конструкции данного типа. Исследована механика прочностной работы оригинального прототипа кузова-монокока в сравнении со специально разработанным прототипом кузова традиционной каркасной конструкции близких массы, размеров и компоновки, что позволило выявить следующие его преимущества: а) повышенная в 1,5 раза прочность ив 1,45 раза жесткость на режиме кручения; б) повышенная в 1,14 раз жесткость и примерно равная прочность на режиме изгиба. По сравнению с выпускаемым в настоящее время автобусом ПАЭ-3205 данный кузов-монокок имеет в 14,5 раз превосходящую удельную крутильную жесткость и в 9,45 раз превосходящую изгибную жесткость. Разработана методика снижения собственной массы кузова-монокока за счет оптимизации входящих в его конструкцию трехслойных панелей основания и крыши по материалам и размерам, позволяющая при обеспечении прочности и сохранении жесткости на уровне упомянутого прототипа кузова традиционной каркасной конструкции добиться снижения собственной массы несущей системы на 38,1% при удорожании конструкции всего на 3,8% (по цене материалов).

2. Дано новое инженерное определение понятия ЭКП как неотъемлемой части кузова типа «монокок», позволяющее идентифицировать и проектировать конструкции данного типа. Разработан количественный критерий ЭКП, позволяющий определять соответствие структурной единицы несущего кузова ЭКП. Трехслойная панель обоснована как ЭКП, имеющая наивысшую удельную сдвиговую жесткость по сравнению с фермой, рамкой и рамкой, подкрепленной обшивкой. Тип трехслойных панелей с «ребристым» средним слоем обоснован как рациональный для применения в конструкции кузова автобуса с точки зрения прочности, жесткости и технологичности.

3. Разработаны набор сравнительных коэффициентов эффективности и методика выбора эффективного сочетания материалов для трехслойных панелей автобусного кузова, которые позволяют на этапе проектирования выбирать рациональные конструкционные материалы, обеспечивающие снижение массы или стоимости (по цене материалов) конструкции. Выведен новый коэффициент - индекс жесткости, позволяющий качественно оценить совместимость различных материалов при их использовании в трехслойной панели.

4. Выведены инженерные расчетные зависимости, позволяющие оценивать прочность и жесткость трехслойных панелей с «ребристым» средним слоем при нагрузочных ситуациях, присущих основанию и крыше автобусного кузова. На основании данных зависимостей разработана методика поиска рациональных геометрических параметров трехслойных панелей, позволяющая

минимизировать их массу при обеспечении заданной прочности и жесткости. Алгоритм данной методики реализован в виде компьютерной программы. Выведен новый коэффициент - коэффициент разгрузки, позволяющий на этапе проектирования рассматривать прочность и жесткость трехслойных панелей основания и крыши автобуса отдельно от остальных частей кузова.

5. Отличие теоретических результатов от экспериментальных данных (среднего) составляет: а) до 9% по сдвиговой жесткости отдельных структурных единиц; б) до 14% по крутильной жесткости кузовов; в) до 25% по изгибной жесткости кузовов; г) до 10% по деформациям трехслойных панелей; д) до 14% по напряжениям в конструктивных элементах трехслойных панелей.

6. Положения диссертации внедрены в ООО «Промтех», ОАО «Павловский автобус», а также в учебный процесс кафедры «Автомобили и тракторы» ФГБОУ ВПО НГТУ им. P.E. Алексеева.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ

1. Воронков, О.В. Методика выбора рационального сочетания материалов для трехслойной панели автобусного кузова / О.В. Воронков, В.И. Песков // Журнал автомобильных инженеров / Издательский дом ААИ ПРЕСС. - М., 2010. №5(64).-С. 8-13.

2. Воронков, О.В. Элементы механики современного автобусного кузова / О.В. Воронков, В.И. Песков // Журнал автомобильных инженеров / Издательский дом ААИ ПРЕСС. - М., 2011. № 3(68). - С. 44-52.

3. Воронков, О.В. Снижение массы автобусного кузова за счет применения в его конструкции оптимизированных несущих трехслойных панелей / О.В. Воронков, В.И. Песков // Журнал автомобильных инженеров / Издательский дом ААИ ПРЕСС. - М., 2012. № 2(73). - С. 24-27.

4. Воронков, О.В. Расчетно-экспериментальное исследование свойств ЭКП / О.В. Воронков, В.И. Песков // Журнал автомобильных инженеров / Издательский дом ААИ ПРЕСС. -М„ 2013. № 3(80). - С. 28-33.

В прочих изданиях

5. Воронков, О.В. Новое в конструкции и проектировании автобусных кузовов: монография / О.В. Воронков, В.И. Песков, A.A. Хорычев // НГТУ. -Н.Новгород, 2009. - 186 с.

6. Воронков, О.В. Использование сэндвич-панелей в конструкции автобусных кузовов / В.И. Песков, О.В. Воронков // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева: журнал / НГТУ. -Н.Новгород, 2010. № 3 (82). - С. 148-154.

7. Воронков, О.В. Расчетно-экспериментальное сравнение жесткости автобусных кузовов / В.И. Песков, О.В. Воронков // Труды Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева: журнал / НГТУ. -Н.Новгород, 2013. № 4 (101). - С. 91-97.

В сборниках конференций

8. Воронков, О.В. Моделирование клеевого соединения ветрового стекла с проемом кузова / В.И. Песков, О.В. Воронков // Автомобильный транспорт в XXI веке: сб. науч. ст. Междунар. науч.-технич. конф. / НГТУ. - Н.Новгород, 2003.-С. 159.

9. Воронков, О.В. Проблема потери устойчивости кузовных панелей при действии сдвигающих нагрузок / О.В. Воронков, В.И. Песков // Будущее технической науки: тез. докл. III Междунар. молодежи, науч.-технич. конф. / НГТУ. -Н.Новгород, 2004. - С. 170.

10. Воронков, О.В. Конструкция каркаса крыши автобуса повышенной энергоемкости и жесткости / О.В. Воронков, В.И. Песков // Будущее технической науки: тез. докл. IV Междунар. молодежи, науч.-технич. конф. / НГТУ. -Н.Новгород, 2005. - С. 127.

11. Воронков, О.В. Модульная компоновка городского низкопольного автобуса с кузовом из сэндвич-панелей / О.В. Воронков, В.И. Песков // Будущее технической науки: тез. докл. VIII Междунар. молодежи, науч.-технич. конф. / НГТУ. - Н.Новгород, 2009. - С. 141.

12. Воронков, О.В. Определение рационального шага и угла наклона ребер цельностальной сэндвич-панели несущего основания автобусного кузова / О.В. Воронков, В.И. Песков, A.A. Демичев // Будущее технической науки: тез. докл. VIII Междунар. молодежи, науч.-технич. конф. / НГТУ. - Н.Новгород, 2009. - С. 144.

13. Воронков, О.В. Определение рациональных параметров сэндвич-панели для несущего основания кузова автобуса / О.В. Воронков, В.И. Песков,

A.A. Демичев // Будущее технической науки: тез. докл. VIII Междунар. молодежи. науч.-технич. конф. / НГТУ. - Н.Новгород, 2009. - С. 142.

14. Воронков, О.В. Автобусный кузов типа «монокок» с основанием и крышей в виде сэндвич-панелей с ребристым средним слоем / О.В. Воронков,

B.И. Песков // Безопасность транспортных средств в эксплуатации: мат. 71-й международ, науч.-технич. конф. / НГТУ. - Н.Новгород, 2010. - С. 50.

15. Воронков, О.В. Методика обоснования параметров масштабных макетов для определения деформаций реальных конструкций / О.В. Воронков, В.И. Песков // Будущее технической науки: тез. докл. X Междунар. молодежи. науч.-технич. конф. / НГТУ. - Н.Новгород, 2011. - С. 137.

Воронков Олег Викторович

Совершенствование весовых, жесткостных и прочностных показателей автобусных кузовов путем использования свойств конструкций типа «монокок» Автореф. дисс. на соискание ученой степени кандидата тех. наук.

Подписано в печать 14.03.2014. Формат 60x84 '/«. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1. Тираж 100 экз. Заказ № 201.

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева.

Типография НГТУ.

Адрес университета и полиграфического предприятия: 603950, г. Нижний Новгород, ул. К. Минина, 24.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. ^екс^ва»

(НГТУ)

На правах рукописи

_______УДК 629.341

ВОРОНКОВ ОЛЕГ ВИКТОРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ВЕСОВЫХ, ЖЕСТКОСТНЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ АВТОБУСНЫХ КУЗОВОВ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИЙ ТИПА «МОНОКОК»

Специальность 05.05.03 - «Колесные и гусеничные машины»

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ им. P.E. Алексеева Вячеслав Иванович Песков

Нижний Новгород - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение........................................................................................................................4

1. Анализ состояния проблемы и задачи исследования..................12

1.1. Механика автобусных кузовов............................................................12

1.2. Пути снижения собственной массы автобусного кузова при удовлетворении требований по прочности и жесткости............13

1.3. Трехслойные панели и оболочки, разновидности конструкций, механика прочностной работы ......................................................17

1.4. Эффективность применяемых материалов....................................21

1.5. Анализ существующих методик выбора оптимальных параметров трехслойной панели..................................................................23

1.6. Постановка цели и задач исследования..........................................25

2. Автобусный кузов типа «монокок»............................................................27

2.1. Элементы механики современного автобусного кузова............27

2.2. Расчетно-экспериментальное исследование механических свойств ЭКП................................................................................................55

2.3. Расчетно-экспериментальное исследование прочностных и жесткостных свойств автобусного кузова типа «монокок» ... 95

2.4. Методика совершенствования весовых, жесткостных и прочностных характеристик автобусных кузовов ....................................166

2.5. Примеры практической апробации предложенных принципов

и методики......................................................................................................168

3. Оценка эффективности конструкционных материалов............183

3.1. Условия сравнения: допущения и гипотезы....................................183

3.2. Характеристические коэффициенты материалов........................184

3.3. Коэффициенты эффективности материалов....................................192

3.4. Методика выбора эффективного сочетания материалов............206

4. Механика трехслойной панели..................................................................213

4.1. Тип трехслойных панелей, рациональный для применения в автобусных кузовных конструкциях................................................213

4.2. Виды и величины действующих нагрузок..........................................223

4.3. Величины применяемых коэффициентов запаса..............................233

4.4. Напряженное состояние трехслойной панели....................................237

4.5. Устойчивость конструктивных элементов панели........................254

4.6. Деформированное состояние трехслойной панели........................261

4.7. Методика выбора рациональных геометрических параметров трехслойной панели....................................................................................280

Результаты, выводы и практические рекомендации........................288

Библиографический список..............................................................................294

Приложение А............................................................................................................305

Приложение Б............................................................................................................311

Приложение В............................................................................................................343

Приложение Г............................................................................................................356

Приложение Д............................................................................................................361

Приложение Е............................................................................................................366

Приложение Ж............................................................................................................376

Приложение И............................................................................................................403

Приложение К............................................................................................................407

Приложение Л............................................................................................................409

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Минимально возможная собственная масса несущих частей при обеспечении необходимой прочности и жесткости является одним из важных требований, предъявляемых к современному автобусному кузову. Доминирующая на данный момент в отношении конструкции автобусных кузовов каркасная концепция находится уже практически на пределе возможностей по дальнейшей весовой оптимизации таких конструкций, т.к. не позволяет эффективно использовать существующие высокопрочные материалы и материалы низкой плотности. Следовательно, дальнейшее совершенствование автобусного кузова должно быть связано с разработкой новой концепции прочностной работы его несущей системы. Одной из таких новых концепций является разработанная автором концепция автобусного кузова типа «монокок» как развитие идеи Я. Павловского о «закрытом» в механическом смысле кузове автобуса [54]. Данная концепция подразумевает эффективное использование в конструкции кузова автобуса различных материалов и несущих трехслойных панелей, высокая весовая эффективность которых доказана в ходе длительного опыта их производства и эксплуатации в различных отраслях техники. Эффективным способам внедрения трехслойных панелей в конструкцию автобусных кузовов к настоящему моменту посвящено относительно небольшое количество научных работ.

В сложившейся ситуации существует реальная потребность в подробном исследовании вопросов механики автобусного кузова типа «монокок» и поиске путей эффективного внедрения трехслойных панелей в конструкцию несущей системы такого автобусного кузова с целью снижения ее собственной массы.

Цель работы: теоретически и экспериментально исследовать возможности повышения прочности и жесткости автобусных кузовов и снижения их массы за счет использования свойств конструкций типа «монокок».

Задачи исследования. Для достижения сформулированной цели необходимо решить следующие задачи:

1) разработать новое определение понятия автобусного кузова типа «монокок» на базе понятия «закрытого» кузова по Я. Павловскому [54], исследовать механику его прочностной работы, сравнить кузов этого типа с кузовами традиционной каркасной конструкции, выявить его преимущества, особенности и возможности повышения прочности и жесткости по сравнению с кузовом каркасной конструкции, разработать методику получения автобусного кузова типа «монокок» сниженной собственной массы при обеспечении эксплуатационной прочности и жесткости;

2) разработать новое определение понятия ЭКП (элементарная конструктивная плоскость), уточняющее соответствующий термин Я. Павловского [54], в качестве неотъемлемой части кузова типа «монокок», разработать критерий ЭКП, обосновать наибольшую эффективность трехслойной панели в качестве ЭКП, обосновать тип трехслойных панелей, рациональный для применения в несущей системе кузова автобуса;

3) разработать методику выбора эффективного сочетания материалов для трехслойных панелей основания или крыши автобусного кузова типа «монокок»;

4) исследовать механику прочностной работы выбранного типа трехслойных панелей в нагрузочных ситуациях, присущих основанию и крыше автобусного кузова, разработать методику поиска рациональных размеров таких панелей, реализовать ее в виде компьютерной программы, оценить возможности снижения массы автобусного кузова типа «монокок» за счет оптимизации параметров входящих в его состав трехслойных панелей;

5) провести необходимые экспериментальные исследования и оценить сходимость теоретических результатов с экспериментальными данными. Объект исследования. Несущие конструкции двух специально разработанных автором прототипов кузовов автобусов I класса [64], [65], несущие конструкции кузовов автобусов САМОТЛОР-3241, САМОТЛОР-3242 и САМО-ТЛОР-3283.

Предмет исследования. Прочностные, жесткостные и весовые характеристики несущих систем автобусных кузовов.

Методы исследования. При проведении теоретических исследований использовались расчетные методы оценки прочности и жесткости кузовов автобусов и их отдельных силовых элементов: а) метод ЭКП Я. Павловского [54] для укрупненного прочностного анализа конструкции кузова в целом и его основных структурных единиц; б) метод конечных элементов (МКЭ) для подробного рассмотрения и анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) конструкции автобусного кузова в целом и его отдельных деталей; в) методы сопротивления материалов и методы теории пластин для теоретического рассмотрения и анализа НДС отдельных силовых элементов и трехслойных панелей кузова.

Для выбора рациональных параметров трехслойных панелей основания и крыши автобусного кузова использовались численные методы оптимизации.

Научная новизна. При выполнении данной диссертационной работы получены следующие новые результаты:

• дано новое определение автобусного кузова типа «монокок» на базе понятия «закрытого» кузова по Я. Павловскому [54], позволяющее определять соответствие кузова любого автобуса этому типу, на основании данного определения сконструированы оригинальные прототипы такого кузова повышенной прочности и жесткости или сниженной собственной массы, указанные свойства которых подтверждены расчетно-экспериментальным сравнением с кузовами традиционных каркасных конструкций;

• разработана методика совершенствования весовых, жесткостных, и прочностных показателей автобусных кузовов, применяемая на этапе проектирования, основанная на использовании свойств кузова типа «монокок» и на внедрении в его конструкцию трехслойных панелей, оптимизированных по материалам и размерам;

• дано новое определение ЭКП как неотъемлемой части кузова типа «монокок», уточняющее соответствующее понятие Я. Павловского [54], для которого расчетно-экспериментальным путем выведен критерий, позволяющий

установить принадлежность любой структурной единицы кузова ЭКП на основе ее удельной сдвиговой жесткости, показано, что трехслойная панель является самой эффективной ЭКП;

разработана методика, позволяющая выбирать рациональное сочетание материалов для трехслойных панелей основания или крыши автобусного кузова на основе выведенного набора сравнительных коэффициентов эффективности материалов в различных нагрузочных ситуациях;

выведен новый коэффициент, названный автором «индекс жесткости», являющийся характеристикой материала, позволяющей на этапе проектирования определять эффективность совместного использования различных материалов в конструкции трехслойной панели;

разработана методика, реализованная в виде компьютерной программы, позволяющая находить рациональные размеры «ребристых» трехслойных панелей, тип которых обоснован как эффективный для применения в автобусном кузове; указанная методика основывается на выведенных автором инженерных зависимостях для определения прочностных и жесткостных характеристик данных панелей;

выведен новый коэффициент, названный автором «коэффициент разгрузки», характеризующий нагруженное состояние трехслойной панели основания или крыши в составе автобусного кузова, позволяющий на этапе проектирования рассматривать прочность и жесткость указанных панелей отдельно от остальных частей кузова;

получены научно обоснованные результаты и выводы. Основные положения, выносимые на защиту. Из теоретических разработок.

• Новое определение ЭКП и автобусного кузова типа «монокок», критерий соответствия структурной единицы кузова ЭКП.

• Набор сравнительных коэффициентов эффективности различных материалов по массе тонколистовой детали и стоимости материала детали, новая характеристика материала: «индекс жесткости».

• Инженерные расчетные зависимости для оценки прочностных и жесткост-ных характеристик трехслойной панели основания или крыши автобусного кузова на этапе проектирования, «коэффициент разгрузки», характеризующий нагруженное состояние трехслойной панели основания или крыши в составе автобусного кузова.

Из научно-методических разработок.

• Методика совершенствования весовых и прочностных характеристик автобусных кузовов путем использования свойств конструкций типа «монокок» на этапе проектирования.

• Методика выбора эффективного сочетания материалов и проведения сравнительной оценки принятого варианта для конструктивных элементов «ребристой» трехслойной панели основания или крыши автобусного кузова на этапе проектирования.

• Методика поиска рациональных геометрических параметров трехслойной панели с ребристым средним слоем, являющейся основанием или крышей автобусного кузова, на этапе проектирования.

Из научно-технических разработок.

• Оригинальный прототип кузова автобуса типа «монокок», выявленные в ходе исследования его особенности, преимущества и недостатки.

• Подробные конечно-элементные (КЭ) модели, результаты КЭ-расчетов и экспериментальных испытаний масштабных макетов для отдельных ЭКП на режиме сдвига и автобусных кузовов в целом на режимах кручения и изгиба.

• Компьютерная программа поиска рациональных геометрических параметров «ребристой» трехслойной панели основания или крыши автобусного кузова.

Достоверность результатов. Достоверность результатов расчетных исследований, правомерность допущений и теоретических положений, адекватность разработанных моделей и расчетных схем реальным конструкциям подтверждены сравнением полученных результатов с результатами специально проведенных

экспериментов и результатами сторонних экспериментов, доступных в литературных источниках.

Практическая ценность. Разработанные методики позволяют на стадии проектирования несущей системы кузова автобуса I класса [64], [65] получать конструкцию сниженной собственной массы по сравнению с традиционной каркасной конструкцией при обеспечении необходимой эксплуатационной прочности и жесткости.

Разработанная компьютерная программа позволяет численно определять рациональные геометрические параметры «ребристой» сэндвич-панели основания или крыши кузова автобуса I класса [64], [65] и может быть использована при проектировании автобусных кузовов типа «монокок».

Материалы диссертации могут быть использованы в конструкторских отделах автобусных предприятий и в учебном процессе.

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, разработанные методики и компьютерная программа внедрены в ООО «Промтех», ОАО «Павловский автобус», а также в учебном процессе кафедры «Автомобили и тракторы» НГТУ им. P.E. Алексеева.

Копии (сканы) актов о внедрении результатов научно-исследовательской (опытно-конструкторской) работы приложены к диссертации (см. прил. А).

Личный вклад соискателя. Автором диссертации самостоятельно выполнено следующее: сформулированы новые определения ЭКП и автобусного кузова типа «монокок», разработан критерий ЭКП, трехслойная панель обоснована как наиболее эффективная ЭКП, обоснован тип трехслойных панелей, рациональный для внедрения в конструкцию кузова автобуса; разработан прототип кузова типа «монокок» для автобуса I класса [64], [65]; разработаны подробные КЭ-модели исследуемых конструкций, произведен анализ их НДС на различных режимах на-гружения; разработан набор сравнительных коэффициентов эффективности материалов, разработана новая характеристика материала, названная автором «индекс жесткости»; разработаны инженерные расчетные зависимости для определения прочностных и жесткостных параметров «ребристой» трехслойной панели осно-

вания или крыши автобуса, разработан «коэффициент разгрузки», характеризующий нагруженное состояние трехслойной панели основания или крыши в составе кузова автобуса; разработана методика совершенствования весовых и прочностных характеристик автобусных кузовов путем использования свойств конструкций типа «монокок» на этапе проектирования; разработана методика выбора рационального сочетания материалов и проведения сравнительной оценки принятого варианта для конструктивных элементов «ребристой» трехслойной панели основания или крыши автобусного кузова на этапе проектирования; разработана методика поиска рациональных геометрических параметров трехслойной панели с ребристым средним слоем на этапе проектирования, разработана и отлажена компьютерная программа для реализации предложенного алгоритма поиска; сформулированы научно обоснованные выводы и рекомендации по совершенствованию конструкций кузовов исследованных автобусов, внедренные на предприятиях автомобильной промышленности.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конфе