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.
2. 
   

 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.

2. Прочностной анализ.

Напряженное состояние вычислялось с учетом коэффициента динамичности (для автобусов k_д = 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

3. 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.

4. 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.
5. 
   
   
   
   Рисунок 5 - Вариант усиления каркаса кузова автобуса
   
   
6. Проверка усиленной конструкции расчетом, рис. 6,7,8.
7. 
   

Рисунок 6 - Распределение напряжений в усиленной конструкции

Предложенные меры позволили уменьшить напряжения по всей конструкции и избавиться от некоторых перенапряженных зон. Но 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.