Разработка рациональной по условиям прочности, жёсткости, металлоёмкости и безопасности конструкции кузова в настоящее время уже не может осуществляться без применения расчётных методов и конечно-элементных моделей [1-5]. В работе рассматриваются результаты анализа прочности каркасной конструкции кузова автобуса с панелями из композитного материала, выполненного в ходе его проектирования. Расчетные исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках выполнения проекта по договору № 02.G25.31.0006 от 12.02.2013 г. (постановление Правительства Российской Федерации от 9 апреля 2010 года № 218).
Прочность исследуемой конструкции оценивалась в условиях действия изгибающих и скручивающих нагрузок. Целью работы являлось исключение относительно слабых мест и обеспечение равнопрочности конструкции кузова при заданной массе автобуса. Для этого были разработаны стержневая и подробная конечно-элементные модели кузова исходного варианта. Соединения отдельных панелей в местах сварки представлены жёсткими элементами. Реальные болтовые закрепления кузова с рамой в модели представлены пучками элементов, работающих на растяжение-сжатие. Подробная модель содержит более 1 200 000 элементов. При задании скручивающих нагрузок рассмотрены режимы «чистого» кручения модели и вывешивания одного из колёс.
Установлено, что наиболее напряжённым является режим вывешивания правого переднего и левого заднего колёс. Для них и рассматривалось влияние вносимых конструктивных изменений на прочность и жёсткость кузова. На начальных этапах проектирования кузова было выявлено, что он имеет неравномерное распределение напряжений по силовым элементам каркаса. Поэтому были выполнены исследования по оценке влияния отдельных решений конструкции на характер распределения максимальных напряжений в элементах и на изменение диагональных размеров дверей, окон и люков кузова. Их обозначения показаны на рис. 1.
В ходе исследований установлено, что существенное влияние на распределение напряжений и деформируемость каркаса кузова оказывает способ соединения его передней части с основанием. Поэтому рассмотрены варианты с боковыми шарнирными связями, с центральной связью и без них, показанные на рис. 2.
В табл. 1 приведены для сравнения соответствующие значения деформации проёмов каркаса кузова при разных вариантах нагружения для комбинированной модели, состоящей из стержневых элементов каркаса кузова и пластинчатых элементов обшивки. Такая модель даёт возможность оперативно, при небольших затратах машинного времени, решать задачи влияния конструктивных изменений на прочность и безопасность кузова. Существенное (до 30%) снижение напряжений в элементах проёма лобового окна и его деформируемости происходит при введении в модель панелей передней части (под подоконным поясом). Эти панели, так же как панели крыши и задней части кузова, играют важную роль при восприятии аварийных ударных нагрузок, возникающих в условиях опрокидывания автобуса, по требованиям Правил ЕЭК ООН № 66.
Из таблицы видно, что наиболее нагруженным вариантом является вывешивание заднего левого колеса. Такое воздействие нагрузки рассмотрено чисто теоретически, так как в реальных условиях эксплуатации оно маловероятно из-за сравнительно большей нагрузки (более чем в 2 раза) на заднюю ось. Относительно небольшие изменения диагональных размеров наблюдаются у проёмов окна со стороны водителя (окно 0), лобового окна, передней пассажирской двери.
Таблица 1
Изменение диагональных размеров проемов кузова, 10-3 м
|
Проем |
Вариант нагружения модели |
|||||||
|
Вывешивание правого |
«Чистое» |
Вывешивание заднего левого колеса |
||||||
|
с боковой |
с центральной связью |
без связей |
с боковой |
|||||
|
Лобовое окно |
7,7 |
-7,8 |
5,1 |
-5,1 |
5,1 |
-5,1 |
17,6 |
-17,8 |
|
Заднее окно |
2,9 |
-2,8 |
3,5 |
-3,4 |
3,6 |
-3,6 |
7,4 |
-7,3 |
|
Дверь передняя |
5,1 |
-7,5 |
1,6 |
-2,4 |
1,6 |
-2,4 |
11,2 |
-16,5 |
|
Дверь задняя |
0,9 |
-0,9 |
0,9 |
-0,9 |
1,0 |
-0,9 |
2,3 |
-2,1 |
|
Окно 0 (л) |
9,8 |
-5,6 |
3,8 |
-2,3 |
3,9 |
-2,4 |
22,5 |
-13 |
|
Окно 1 (пр) |
4,8 |
-4,7 |
5,9 |
-5,7 |
6,0 |
-5,9 |
12,0 |
-11,8 |
|
Окно 1 (л) |
2,9 |
-2,9 |
3,7 |
-3,8 |
3,8 |
-3,8 |
7,0 |
-7,0 |
|
Окно 2 (пр) |
4,4 |
-4,4 |
5,5 |
-5,4 |
5,7 |
-5,6 |
11,2 |
-11,1 |
|
Окно 2 (л) |
2,5 |
-2,6 |
3,4 |
-3,5 |
3,5 |
-3,6 |
6,2 |
-6,3 |
|
Окно 3 (пр) |
3,8 |
-3,9 |
4,8 |
-4,9 |
4,9 |
-5,0 |
9,9 |
-10,1 |
|
Окно 3 (л) |
2,0 |
-2,0 |
2,8 |
-2,8 |
2,8 |
-2,9 |
5,1 |
-5,2 |
|
Окно 4 (л) |
1,8 |
-1,8 |
2,4 |
-2,4 |
2,5 |
-2,5 |
4,5 |
-4,5 |
|
Окно 5 (пр) |
0,5 |
-0,7 |
0,5 |
-0,5 |
0,5 |
-0,5 |
1,0 |
-1,2 |
|
Окно 5 (л) |
1,4 |
-1,5 |
1,9 |
-2,0 |
1,9 |
-2,0 |
3,5 |
-3,6 |
|
Люк 1 |
3,7 |
-3,7 |
3,4 |
-3,4 |
3,5 |
-3,5 |
8,9 |
-8,9 |
|
Люк 2 |
2,9 |
-2,9 |
3,3 |
-3,3 |
3,4 |
-3,4 |
-7,3 |
7,3 |
Установлено, что в случае отсутствия жёстких связей передней части кузова с лонжеронами основания она существенно разгружается при кручении кузова. При этом снижаются значения максимальных напряжений и уменьшается деформируемость проёмов лобового окна (в 1,5 раза), передней двери (в 3,1 раза), окна 0 (в 2,5 раза). Почти такой же эффект наблюдается при наличии центральной связи передней части с основанием кузова. Следует отметить, что режим «чистого» кручения модели воспроизводился при её установке в передней части на центральную шарнирную опору. По воздействию на модель он аналогичен вывешиванию переднего колеса, когда под одним из колёс устанавливается шарнирная опора, а к противоположному колесу прикладывается сосредоточенная сила, равная половине нагрузки, приходящейся на переднюю ось автобуса полной массы.
Проведённые в процессе проектирования расчётные исследования прочности и пассивной безопасности кузова позволили на начальном этапе выбрать безопасную силовую схему конструкции, оценить прочность и жёсткость каркаса кузова исходного варианта, внести в него соответствующие конструктивные изменения, далее по результатам компьютерного моделирования оценить безопасность кузова и разработать практические рекомендации, обеспечивающие тридцатипроцентный её запас.
Выполненная работа имеет важное практическое значение. Приведённая информация может быть полезна для специалистов, занимающихся проектированием кузовов автобусов, исследованием, оценкой их прочности и безопасности. Рассмотренные подходы могут быть использованы при исследовании прочности разных классов автобусов, в том числе микроавтобусов, выполненных на базе шасси легких коммерческих автомобилей.
Рецензенты:
Аникин Алексей Александрович, д.т.н., генеральный директор ООО «Завод вездеходных машин», г. Нижний Новгород.
Вахидов Умар Шахидович, д.т.н., доцент, и/о зав. кафедрой «Строительные и дорожные машины» НГТУ им. Р.Е. Алексеева, г. Нижний Новгород.