воскресенье, 16 июня 2013 г.

Расчет на прочность и определение вибрационных характеристик каркаса кузова автобуса в условиях изгиба

В данной публикации идет речь об анализе на прочность (в частности, линейный статический расчет на изгиб) и модальном анализе (определение собственных частот и форм изгибающих колебаний) типичной конструкции каркаса кузова автобуса, выполненных в рамках курсовой работы.
Изгиб каркаса кузова колесной машины происходит по причине действия на неё вертикальных симметричных нагрузок, возникающих во время езды по неровной поверхности, когда оба колеса, переднее и заднее, одновременно наталкиваются на препятствия.


 Основные этапы решения поставленной задачи:

  1. Построение расчетной модели, рис 1.






 Рисунок 1 - Расчетная модель


Поведение конструкции анализирывалось на основе детальной КЭ модели кузова автобуса с использованием оболочечных элементов треугольной и четырехугольной формы. Нагружение кузова учитывает массовые параметры модели: максимальное заполнение автобуса пассажирами, основные агрегаты и другие элементы автобуса со значительной массой и приложены в узлах расчетной модели, которые отвечают действительным местам их расположения. Статическая определенность конструкции была реализована введением 12 упругих элементов, которые имитируют рессорное подвешивание.

  1. Прочностной анализ.
Напряженное состояние вычислялось с учетом коэффициента динамичности (для автобусов kд = 2).

Анализ результатов показал, что во время изгиба каркаса кузова напряжения в большенстве находятся в допустимых пределах σ=40-60 МПа. Но наблюдаются перенагруженные зоны, напряжения в которых доходят до σ=969 МПа: проёмы дверей, колесные арки, зона установки двигателя, рис. 2.



Рисунок 2 -Распределение напряжений

Учитывая механические свойства стали 3, которая принята материалом каркаса кузова, его наиболее нагруженные элементы в нескольких зонах не выдерживают требований по критериям предела текучести в 235 МПа и прочности 420 МПа.
Максимальные перемещения достигают 25 мм, рис. 3.



Рисунок 3 - Перемещения

  1. Модальный анализ
На рисунке представлено диаграмму собственных частот каркаса кузова автобуса. 



Рисунок 4 - Диаграмма собственных частот 

   Величина первой собственной частоты ниже нормативного значения и не будет обеспечивать достаточную комфортность езды. Она является следствием неверно подобранных характеристик упругих элементов.
На рис. 4 представлено форму собственных колебаний кузова автобуса, которая отвечает наименьшей частоте изгибных колебаний:

 

Рисунок 4 - Форма, соответствующая наименьшей собственной частоте при изгибе

Максимальные вертикальные амплитуды наблюдались в передней части обвязки.
Наименьшая изгибная частота тоже ниже нормы, такая её величина обуславливается недостаточной жесткостью кузова.
  1. Корректировка расчетной модели по результатам линейного статического и модального анализов, предусматривающая изменение профилей некоторых поперечин рам кузова автобуса и увеличение площади сечения продольных балок, чтобы уменьшить провисание его задней части, рис. 5.


  2. Рисунок 5 - Вариант усиления каркаса кузова автобуса

  3. Проверка усиленной конструкции расчетом, рис. 6,7,8.


Рисунок 6 - Распределение напряжений в усиленной конструкции


Предложенные меры позволили уменьшить напряжения по всей конструкции и избавиться от некоторых перенапряженных зонНо узел А и поперечина 1 все еще ​​требуют внимания.


Рисунок 7 - Перемещения



Рисунок 8 - Форма колебаний, соответствующая наименьшей частоте изгибных колебаний

Наименьшая собственная частота при изгибе всё ещё низка. Но удалось повысить её более чем на 1 Гц.
Но также следует отметить, что расчетная модель не учитывает обшивку, остекление и поручни, которые повышают жесткость каркаса кузова автобуса.
Основная трудность, с которой  столкнулась при решении поставленной задачи, – разбиение геометрической модели на конечные элементы. Так как сетка должна быть совместной, нельзя допускать, чтобы большие и очень маленькие по площади поверхности были рядом. В данной конструкции такие проблемы могут возникать, если не уследить за стыками «труб» (поверхности не должны пересекаться). Также следует быть внимательными при использовании 3Д эскизов – они должны быть полностью определены, чтобы избежать вышеописанной проблемы.



2 комментария:

  1. Доброго времени суток! Прочитав Ваши выводы, я не совсем понял. На кртинах представленных выше, такое впечатление, что модель - балочная, но в вывоах указаны поверхности.
    Хотел бы узнать какой тип элемента вы использовали, насколько получились мелкие элементы. А так-же как и в каком комплексе была построена геометрия, если не секрет. Заранее спкасибо

    ОтветитьУдалить
  2. 3Д модель расчетной сборки поверхностная и была построена в CAD-системе SolidWorks, а далее импортирована в комплекс ANSYS Workbench.
    КЭ сетка состоит из оболочечных элементов треугольной и четырехугольной формы (тип элемента shell 181) по 2-3-4 элемента на сторону трубы в зависимости от сортамента.

    ОтветитьУдалить