Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ работ по проблеме пассивной безопасности автобусов и методам ее оценки 9
1.1. Анализ работ в области исследования статистики дорожно-транспортных происшествий с участием автобусов 9
1.2. Анализ расчетно-экспериментальных исследований пассивной безопасности кузовов автобусов 13
Выводы по главе 1 30
ГЛАВА 2. Теоретические основы определения параметров опрокидывания автобусов, оценки несущей способности и пассивной безопасности их кузовов 33
2.1. Разработка математической модели движения автобуса при опрокидывании с уступа 33
2.1.1. Условия проведения полномасштабного опрокидывания автобуса и его секций в соответствии с Правилами ЕЭК ООН №66 34
2.1.2. Вывод дифференциальных уравнений движения автобуса (секции) при опрокидывании до момента столкновения кузова с опорной поверхностью кювета 36
2.1.3. Программа для решения полученных дифференциальных уравнений движения 45
2.2. Алгоритм и программа оценки несущей способности по разрушающим нагрузкам кузовов, их секций и силовых сечений 50
2.2.1. Основы теории инженерного метода расчета кузовных конструкций по предельному состоянию 51
2.2.2. Описание разработанной программы для оценки несущей способности кузовов автобусов по разрушающим нагрузкам 58
2.3. Основы компьютерного моделирования условий опрокидывания автобуса и оценки его безопасности в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН №66 61
2.3.1. Основные положения метода конечных элементов 61
2.3.2. Основы представления контактного взаимодействия в конечно-элементном анализе 64
2.3.3. Анализируемые параметры и критерии для оценки пассивной безопасности кузовов автобусов 69
Выводы по главе 2 74
ГЛАВА 3. Расчетно-экспериментальные исследования несущей способности секций и безопасности кузовов автобусов 76
3.1. Определение характеристик материалов 76
3.2. Выбор расчетного режима нагружения, действующего на автобус при его опрокидывании с уступа 87
3.3.Обоснование и определение границ применимости стержневых конечно-элементных моделей кузовов при оценке пассивной безопасности автобусов 95
3.4. Расчетно-экспериментальные исследования несущей способности секций кузова автобуса ПАЗ-3205 100
3.5. Расчетно-экспериментальные исследования несущей способности и деформируемости характерных конструкций секций кузовов автобусов 107
3.5.1. Описание объектов исследования и условий их нагружения 107
3.5.2. Сравнительный анализ результатов расчетов и эксперимента на примере секции симметричной конструкции 113
3.5.3. Сравнительный анализ результатов расчетов и эксперимента на примере секции несимметричной конструкции 120
Выводы по главе 3 124
ГЛАВА 4. Методика обеспечения пассивной безопасности кузовов автобусов при проектировании и доводке. Практическая апробация методики 126
4.1. Методика обеспечения пассивной безопасности кузовов автобусов при проектировании 126
4.1.1. Выбор рациональной силовой схемы автобуса по результатам инженерного расчета по предельному состоянию его силовых сечений 129
4.1.2. Предварительная оценка пассивной безопасности автобуса и влияния на нее принимаемых конструктивных решений с использованием конечно-элементного анализа и комбинированных моделей кузова 130
4.1.3. Разработка подробной конечно-элементной модели, верификация результатов расчетов и оценка пассивной безопасности автобуса на заключительном этапе проектирования 132
4.2. Практическая апробация разработанной методики 137
4.2.1. Выбор безопасной силовой схемы кузова автобуса 22501 FOX на основе результатов инженерного расчета его каркаса по предельному состоянию 138
4.2.2. Оценка влияния принимаемых конструктивных решений на повышение пассивной безопасности автобуса 22501 FOX по результатам конечно-элементного анализа его комбинированной модели 146
4.2.3. Окончательная оценка пассивной безопасности автобуса 22501 FOX по результатам конечно-элементного анализа его подробной модели 151
Выводы по главе 4 159
Заключение 161
Библиографический список
- Анализ расчетно-экспериментальных исследований пассивной безопасности кузовов автобусов
- Алгоритм и программа оценки несущей способности по разрушающим нагрузкам кузовов, их секций и силовых сечений
- Выбор расчетного режима нагружения, действующего на автобус при его опрокидывании с уступа
- Предварительная оценка пассивной безопасности автобуса и влияния на нее принимаемых конструктивных решений с использованием конечно-элементного анализа и комбинированных моделей кузова
Введение к работе
Актуальность работы. Создание безопасных конструкций кузовов является неотъемлемым условием проектирования автобусов. Этот факт накладывает дополнительную ответственность на инженера-конструктора и расчетчика, занимающихся проектированием кузовов автобусов. По статистике, опрокидывание автобусов является наиболее опасным видом дорожно-транспортных происшествий (ДТП) с их участием. Во многих проведенных исследованиях отмечается тяжесть последствий опрокидывания автобуса с точки зрения полученных пассажирами травм. Это указывает на важность проведения дальнейшего исследования в области повышения пассивной безопасности автобусов. Следовательно, тема данной диссертационной работы является актуальной
Степень разработанности темы исследования. При проектировании, доводке и сертификации автобусов Правилами допускается применение расчетных методов оценки их пассивной безопасности. В последнее время наиболее распространенным из них является применение компьютерного моделирования процесса деформирования кузова при действии нагрузки, имитирующей аварийную. Достоверность результатов расчетов оценивается путем их сопоставления с данными натурных испытаний конструкции. Проведение полномасштабного натурного эксперимента требует определенных материальных затрат и оправдано только при сертификации автобусов. Поэтому совершенствование методов компьютерного моделирования аварийных процессов является актуальным направлением развития расчетных методик обеспечения пассивной безопасности кузовов при проектировании автобусов.
Цель работы. Разработка методики обеспечения пассивной безопасности кузовов автобусов при их проектировании и доводке на основе результатов математического и компьютерного моделирования в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН №66.
Научная новизна
Разработана методика обеспечения пассивной безопасности кузовов при проектировании и доводке на основе результатов статических и динамических расчетов с использованием инженерного метода, конечно-элементного анализа, математического моделирования и испытаний, отличающаяся рассмотрением процесса падения модели с использованием дифференциальных уравнений ее движения.
Впервые разработаны математическая модель движения автобуса при опрокидывании с уступа до момента столкновения кузова с опорной поверхностью кювета и программа ее решения, позволяющие определять значения скоростей, ускорений и перемещений центра масс автобуса, необходимые для компьютерного моделирования данного режима нагружения.
Впервые получена зависимость энергии ударного нагружения модели автобуса (секции) от коэффициента трения, действующего между конструкцией и поворотной платформой.
Определено расхождение результатов расчетных методов, применяемых на ранних и промежуточных этапах проектирования автобусов, от результатов экспериментов и расчетов подробных конечно-элементных моделей в условиях динамического нагружения при полномасштабном опрокидывании. Полученные расхождения целесообразно учитывать в качестве коэффициентов запаса при выборе силовой схемы автобуса и при предварительной оценке его пассивной безопасности.
Объекты исследования: кузова и отдельные секции автобусов FOX и ПАЗ, а также типовые секции каркаса кузова.
Теоретическая значимость работы. Разработанные методика и математическая модель движения повышают точность результатов использования метода конечных элементов при моделировании опрокидывания автобуса в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН №66 и вносит вклад в развитие расчетных методов оценки пассивной безопасности кузовных конструкций автотранспортных средств.
Практическая значимость работы. Разработанная методика позволяет повысить эффективность процесса проектирования кузовов автобусов, отвечающих требованиям пассивной безопасности в соответствии с Правилами ЕЭК ООН №66 путем прогнозирования ее на ранних этапах при выборе силовых схем и последующего ее обеспечения на основе результатов математического и компьютерного моделирования. Материалы диссертации могут быть использованы в расчетных и конструкторских отделах автобусных заводов и предприятий, а также в органах по сертификации автотранспортных средств и в высших учебных заведениях.
Методология и методы исследования. При разработке методики обеспечения пассивной безопасности кузовов автобусов, математической модели движения, а также при определении рационального способа компьютерного моделирования опрокидывания автобуса использовалась совокупность методов научного познания, состоящая из метода сравнения, метода моделирования и метода индукции. Математическая модель в виде систем дифференциальных уравнений движения автобуса как жесткого тела решается численными методами. В основе программы расчета несущей способности кузовов автобусов по разрушающим нагрузкам в условиях опрокидывания лежат зависимости кинематического метода расчета кузовных конструкций по предельному состоянию, разработанные на кафедре "Автомобили и тракторы". Определение напряженно-деформированного состояния и энергоемкости конструкций исследуемых автобусов при опрокидывании с уступа выполнялось с применением компьютерного моделирования, основанного на методе конечных элементов в нелинейной постановке. Экспериментальные исследования проводились с использованием
поверенного измерительного оборудования центра коллективного пользования "Транспортные системы" НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
Основные положения, выносимые на защиту:
методика обеспечения пассивной безопасности кузовов при проектировании и до-водке на основе результатов статических и динамических расчетов и испытаний;
математическая модель движения автобуса до момента столкновения кузова с опорной поверхностью кювета;
особенности разработки подробных конечно-элементных моделей кузовов и секций автобусов; выбора исходных данных для проведения компьютерного моделирования;
результаты компьютерного моделирования опрокидывания секций автобуса с учетом их движения до и после удара в опорную поверхность;
практические рекомендации по повышению несущей способности кузовов и пассивной безопасности автобусов в условиях опрокидывания с уступа в соответствии с требованием Правил ЕЭК ООН №66.
Достоверность результатов работы подтверждается хорошим согласованием результатов расчетов с экспериментальными данными, полученными с использованием современного поверенного измерительного оборудования, а также применением известных достижений фундаментальных и прикладных наук и апробированных программных комплексов расчета.
Апробация Работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных молодежных научно-технических конференциях "Будущее технической науки" (г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2011, 2012, 2014 гг.), 79-й Международной научно-практической конференция ААИ "Безопасность транспортных средств в эксплуатации" (г. Н. Новгород, НГТУ им. Р.Е. Алексеева, 2012г.), 85-й Международной научно-технической конференции ААИ "Будущее автомобилестроения России" (г. Москва, МАМИ, 2014г.), FISITA World Automotive Congress (г. Мастрихт, Голландия, 2014г.), 86-й Международной научно-технической конференции ААИ "Конструктивная безопасность автотранспортных средств" (г. Дмитров-7, ФГУП НИЦИАМТ, 2014 г.), III научно-практической конференции "Инновационные направления в расчетах прочности с использованием суперкомпьютеров и грид-технологий" (г. Снежинск, ООО "Стрела", 2014г.).
Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены в ООО "ПАЗ" при разработке конструкций автобусов ПАЗ - 225602, ПАЗ -320412, ПАЗ - 4243; ООО "ИНТЕХ" при разработке кузова автобуса 225010; НП "ИНСАТ" при оценке пассивной безопасности транспортных средств. Теоретические разработки и методика расчета используются в учебном процессе кафедры "Автомобили и тракторы" НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных работах, из которых 8 статей - в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 3 статьи - в зарубежных
журналах и материалах конференций, 1 патент РФ на полезную модель, 2 статьи - в других изданиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 163 наименований, приложения. Диссертация содержит 176 страниц основного машинописного текста, включая 132 рисунка, 15 таблиц, 143 формулы и 13 страниц приложения.
Анализ расчетно-экспериментальных исследований пассивной безопасности кузовов автобусов
Исследования в области обеспечения безопасности пассажиров автомобилей в результате аварийных ситуаций начались в 30-40х годах ХХ века. Результатом этих исследований стало введение нормативных документов, касающихся требований к конструкции автомобилей с целью обеспечения их пассивной безопасности. В Европе таким документом стали единообразные требования Европейской Экономической Комиссии организации Объединенных Наций (ЕЭК ООН), принятие которых состоялось в 1958году. В США единый стандарт в области безопасности автомобилей (FMVSS) вступил в силу в 1966 году. В соответствии с этими документами требования к пассивной безопасности автобусов при опрокидывании сводились к проведению статического испытания (расчета) автобуса, при действии вертикальной равномерно распределенной нагрузки на крышу равной его максимальной массе. Критериями оценки выступали ограничение максимального прогиба крыши и сохранение работоспособности аварийных выходов автобуса.
В 1973 г. Венгрия выступила инициатором разработки нового регламента в области обеспечения пассивной безопасности автобусов при опрокидывании. В результате сбора статистической информации о ДТП в различных странах Европы в течении 12 лет были разработаны методика проведения испытаний и критерии оценки пассивной безопасности, положенные в основу действующих Правил ЕЭК ООН №66. Анализ статистики ДТП стал проводится регулярно в различных странах с целью наблюдения за эффективностью действующего регламента, внесения в него изменений или доработки.
Основные результаты первых в СССР исследований пассивной безопасности автомобилей, которые проводились в НАМИ и МАДИ, отражены в работе А.И. Рябчинского [1]. В ней представлены направления повышения пассивной безопасности автомобилей, результаты исследования механизмов травмирования человека в результате различных ДТП, требования пассивной безопасности к конструкции автотранспортных средств. Также приведена подробная статистика ДТП по СССР в период с 1965 по 1980 г.г. и ее анализ. Было отмечено, что из всех ДТП с участием автобусов, опрокидывания составили 20%. Установлено, что основными причинами травмирования при опрокидывании являются выбрасывание человека из салона автомобиля, нарушение остаточного жизненного пространства в результате деформаций кузова и удар головой о выступающие элементы интерьера салона. В работе также приведен анализ результатов натурных испытаний, имитирующих опрокидывание автобуса с уклона. По результатам проведенных исследований автором были предложены размеры и форма остаточного жизненного пространства для оценки пассивной безопасности автобусов при опрокидывании. В работе [2] обобщены требования, предъявляемые к пассивной безопасности транспортных средств.
Статистика по различным видам ДТП в СССР, кроме опрокидывания, также рассматривается в работе Иванова В.Н. и Лялина В.А. [3]. На основании проведенных исследований для расчетного анализа пассивной безопасности предлагается полуэмпирическая теория удара с учетом локальных упругопластических деформаций. При математическом моделировании аварийного нагружения автомобилей энергопоглощающие зоны кузова (в данном случае передние и задние части) представляются совокупностью упругих и демпфирующих элементов, а именно пружин с заданной жесткостью и демпферов с определенным коэффициентом затухания соответственно. Недостатками такого моделирования кузовных конструкций является отсутствие возможности рассмотрения влияния подробной геометрии кузова на его деформации, невозможность проведения анализа разрушения силовых элементов кузова.
В работе А.М. Иванова, А.А. Никитина и др. приведена статистика ДТП с участием автобусов на дорогах России в период с 2002 по 2066гг. Отмечается общий рост происшествий в эти годы. При этом ДТП и пострадавшие в них пассажиры распределяются по маркам автобусов. В соответствии с представленными данными из общего числа ДТП наибольшее количество составляют столкновения, на втором месте находятся опрокидывания. Такая же закономерность прослеживается с количеством погибших пассажиров маломестных автобусов марки ГАЗ, где в столкновениях погибло 74,5% от общего количества, тогда как в опрокидываниях 10% [4].
Анализ ДТП с опрокидыванием автобусов проводился в 1973-1976 гг. в Венгрии [5] (19 ДТП, в которых погибло 10 и серьезно ранено 37 человек), а в 1976-1977 гг. - в Великобритании [6] (8 ДТП, 50 погибших). Эти работы выявили недостатки в системе сбора информации о ДТП, такие как отсутствие публикаций о происшествиях в средствах массовой информации (СМИ) и секретность в органах полиции. Все рассмотренные в работах происшествия были классифицированы по типам: опрокидывание на боковину на плоской дороге (вращение кузова на 90), опрокидывание на крышу на плоской дороге (вращение на 180), опрокидывание с уклона или в кювет (вращение на 270-540), падение с моста, сочетание указанных типов. Были сделаны выводы о тяжести каждого типа опрокидывания. На базе собранных статистических данных международная рабочая группа в Женеве (GRSA) продолжило сбор информации и ее изучение. В результате ее работы [7] было рассмотрено 33 опрокидываний автобусов, приведшие к 93 смертельным случаям среди пассажиров. В целом отмечено, что чаще всего из рассмотренных типов совершается опрокидывание с дороги в кювет. По тяжести последствий данный тип опрокидывания был сопоставим с падением автобуса с моста. Поскольку снижение степени тяжести травмирования пассажиров за счет элементов конструкции автобуса представлялось возможным только в случае опрокидывания в кювет, на основании проведенных исследований были разработаны Правила ЕЭК ООН №66.
Алгоритм и программа оценки несущей способности по разрушающим нагрузкам кузовов, их секций и силовых сечений
Методика обеспечения пассивной безопасности кузовов автобусов при проектировании должна включать в себя этапы их расчетной оценки на протяжении всего процесса от начальных до завершающих. Разрабатываемая методика ориентирована на выполнение требований и условий Правил ЕЭК ООН №66, предусмотренных в приложениях №8 и №9. Поэтому в данной главе рассмотрены теоретические основы алгоритмов и расчетных методов оценки несущей способности кузовов и пассивной безопасности автобусов применительно к теме диссертации. Приводится вывод дифференциальных уравнений движения автобуса до его касания с опорной поверхностью и их решение с помощью программы, разработанной в MATLAB/Simulink. Указаны допущения, принимаемые при создании данной математической модели. Приведены блок схема и описание программы автоматизированного расчета несущей способности кузовов автобусов по разрушающим нагрузкам с использованием инженерного (кинематического) метода. Рассмотрены теория инженерного метода, алгоритм расчета кузовов автобусов на его основе и программа расчета разрушающих нагрузок. В краткой форме приведены основы метода конечных элементов в статической и динамической постановках. Для обоснования необходимости математического моделирования движения автобуса (секции) в процессе опрокидывания, в краткой форме изложены основы представления контактного взаимодействия в конечно-элементном анализе. Рассмотрены критерии и условия расчетной оценки пассивной безопасности кузовов автобусов.
Не смотря на широкие возможности компьютерного моделирования с применением современных программных комплексов на основе МКЭ, необходимо оценивать достоверность результатов, полученных с помощью этого метода расчета, вследствие допущений и аппроксимаций, принимаемых при разработке компьютерных моделей. Повышение точности конечно - элементного анализа ударного нагружения и деформаций кузова автобуса достигается путем верификации результатов расчета и эксперимента на примере отдельных силовых элементов и секций силовой структуры. Определение нагрузочного режима кузова, который обуславливается движением автобуса (секции) во время падения с уступа, может быть достигнуто разработкой систем дифференциальных уравнений либо конечно-элементным моделированием. Процесс конечно-элементного моделирования движения автобуса во время его падения требует значительного времени счета. Кроме этого описание контактного взаимодействия в конечно элементном анализе содержит несколько значительных допущений, о которых пойдет речь в п. 2.3.2. Поэтому для определения нагрузочного режима, действующего на кузов (секцию) в результате опрокидывания автобуса была разработана и решена математическая модель, о которой пойдет речь в данном разделе.
Автобус с заблокированной подвеской помещается на платформу для опрокидывания и медленно наклоняется до достижения положения неустойчивого равновесия. Если автобус не оборудован ремнями безопасности для пассажиров, то его масса должна соответствовать массе в порожнем состоянии. Если оборудован, то испытания проводятся при его приведенной массе М, равной: М = Мсн. + 0,5-Мт, (2.1) где Мк - масса автобуса в порожнем состоянии (масса транспортного средства в снаряженном состоянии без пассажиров и груза, но с учетом 75-килограммовой массы водителя, массы топлива, соответствующей 90% емкости топливного бака и массы охлаждающей жидкости, смазки, инструментов и запасного колеса, если оно имеется); Мт -совокупная масса всех пассажиров и членов экипажа, занимающих сиденья, оснащенные удерживающими системами (ремнями безопасности). В более развернутом виде формула определения приведенной массы выглядит следующим образом: Ма = Мсн + Мв + 0,5-Мпасс П, (2-2) где Мсн - снаряженная масса автобуса, Мв - масса водителя (75 кг), Мпасс - масса пассажира (68 кг); п - число пассажиров, занимающих сиденья. При достижении автобусом положения неустойчивого равновесия (положение 2 центра тяжести на рисунке 2.1), начинается его опрокидывание с высоты 800 мм в кювет, имеющий сухую и ровную бетонную поверхность [147].
Устройство поворотной платформы также нормируется Правилами. Она должна содержать опоры для предотвращения соскальзывания транспортного средства в кювет во время ее поворота. При разной ширине колеи осей транспортного средства, указанные опоры должные быть отрегулированы таким образом, чтобы продольная вертикальная плоскость симметрии автобуса проходила параллельно оси вращения. Кроме этого, платформа не должна давать объекту испытаний возможность двигаться вдоль своей продольной оси. Основные размеры, необходимые для вывода дифференциальных уравнений движения твердотельной модели, приведены на рисунке 2.2
В Приложении 5 Правил ЕЭК ООН указываются требования к конструкции поворотной платформы, которая должна быть изготовлена таким образом, чтобы исключить возможное перемещение транспортного средства по его продольной оси. Про исключение компонент вращений ТС относительно его поперечной и вертикальной оси в Правилах ничего не говорится. Конструктивно, исключение перемещения вдоль продольной оси предполагает исключение вышеуказанных компонент вращения, поскольку эти компоненты движения связаны между собой, а введение сложного шарнира в центре тяжести автобуса невозможно без серьезного вмешательства в конструкцию его силовой структуры. Поэтому второе допущение является полностью согласованным с требованиями Правил ЕЭК ООН №66.
Вследствие деформации шин может отсутствовать скольжение автобуса по опорам колес поворотной платформы. Поэтому данное допущение может повлиять на результаты математического моделирования движения автобуса. Тот факт, что при опрокидывании по Правилам ЕЭК ООН №66 секция должна быть установлена на внешние опоры, имитирующие шасси транспортного средства (приложение 6 п. 3.4 Правил) исключает влияние деформации шин на характер движения секции.
Рассмотренные далее дифференциальные уравнения позволяют описывать движение автобуса при наличии вышеуказанного допущения. Движение секции автобуса в процессе опрокидывания может быть смоделировано в такой постановке задачи без допущений.
Система уравнений плоского движения в общем случае выглядит следующим образом [148]: где / - момент инерции тела, ф - угловое ускорение поворота тела относительно его центра масс, Ы\ - момент внешней силы, приложенной к телу, относительно оси параллельной оси z и проходящей через центр масс тела, га - масса тела, х, у - проекции поступательного ускорения тела соответственно на оси х и у , F% , Fy - проекции вектора внешней силы соответственно на оси х и у.
Расчетная схема с внешними силами, действующими на автобус в начальный момент его опрокидывания, показана на рисунке 2.3. Угол, соответствующий положению неустойчивого равновесия автобуса, обозначен как р0. На конструкцию действует сила тяжести mg, реакция со стороны опоры колес поворотной платформы N-L и сила трения в точке контакта колеса (опоры секции) с опорой поворотной платформы fiN
Выбор расчетного режима нагружения, действующего на автобус при его опрокидывании с уступа
При решении нелинейных задач методом конечных элементов широко применяются две схемы интегрирования по времени. Неявная схема интегрирования использует время как параметр приращения нагрузок. На каждом шаге приращения с помощью этой схемы, происходит увеличение нагрузки с определенным шагом, затем производится ряд итераций для достижения баланса энергий и сил в системе. Величина шага по времени в данном случае ограничивается сходимостью задачи. Поэтому данный метод подходит для низко нелинейных задач, где нет необходимости в большом количестве шагов приращения. Наиболее распространенными конечно-элементными решателями, использующими неявную схему интегрирования являются Abaqus Implicit, MSC Marc. В явной схеме интегрирования размер шага приращения времени вычисляется с помощью условия Куранта - Фридрикса - Леви [149], которое определяет устойчивый шаг решения для элемента
Как видно из формулы (2.76), максимальный временной шаг ограничен временем, за которое упругая волна преодолевает расстояние, равное самому маленькому элементу в системе. Если размер шага по времени превышает эту величину, решение становится неустойчивым. Явную схему интегрирования используют программные комплексы LS - Dyna, Abaqus explicit, MSC Dytran. Столкновение автобуса с опорной поверхностью в процессе опрокидывания и дальнейшие деформации кузова являются высоконелинейными динамическими процессами. Как правило, такие процессы моделируются с использованием явной схемы интегрирования конечно-элементного решателя [149].
При определении контактного взаимодействия для решения с использованием явной схемы интегрирования одна из граничащих поверхностей определяется как главная поверхность, а другая как подчиненная. Каждая поверхность задается набором из трехузловых или четырехузловых сегментов, называемых главными и подчиненными сегментами, с которыми должны взаимодействовать узлы подчиненной и главной поверхности соответственно. Перечень главных и подчиненных сегментов является необходимыми исходными данными для контактного алгоритма. Контакт определяется путем выявления локаций проникновений подчиненных узлов в главные сегменты. Поиск проникновений с использованием различных алгоритмов выполняется на каждом временном шаге приращения. При этом сила, действующая на подчиненный узел, пропорциональна его проникновению. Направлена данная сила по нормали к главному сегменту контактной границы. Другими словами обработка контакта представляется действием линейной пружины между подчиненным узлом и ближайшим главным сегментом. Параметры данной пружины определяются по-разному, в зависимости от подхода, принятого пользователем. Существует два похода вычисления параметров контактного усилия: штрафной метод и метод мягкого ограничения.
Поскольку данный метод использует размер контактного сегмента и свойств его материала для определения жесткости контактной пружины, он эффективно работает когда значения жесткости материалов контактирующих поверхностей являются величинами одного порядка. В тех случаях, когда в контакт вступают разнородные материалы, этот метод может давать нестабильное решение.
Метод мягкого ограничения вычисляет жесткость линейных контактных пружин на основе значений вступающих в контакт масс и размера глобального временного шага. В результате контактная жесткость не зависит от свойств материала и хорошо подходит для описания контакта между разнородными материалами. Формула определения контактной жесткости для этого метода имеет вид k = SOFSCL , (2.84) At2 где SOFSCL - коэффициент пересчета контактных усилий, задаваемый пользователем (по умолчанию равен 0,1), т - масса находящихся в зоне контакта узлов, At - размер шага временного приращения.
Все вышеперечисленные зависимости и параметры жесткости относятся к контактному взаимодействию между деформируемыми телами. В случае взаимного контакта жестких тел его жесткость будет полностью определяться пользователем. Зависимость жесткости от величины проникновения в этом случае может быть введена как константа или как кусочно-линейная характеристика. Так как контакт между жесткими телами весьма актуален при моделировании опрокидывания автобуса с переключением материала с деформируемого на жесткий в процессе расчета [77, 118, 150], неопределенность в определении жесткости данного контакта может существенно сказаться на результатах оценки пассивной безопасности автобуса.
Линейная пружина, действующая на подчиненные узлы в зоне их внедрения в главные сегменты, характеризуется также демпфированием. Действие демпфирования в зоне контакта направлено на гашение высоких частот колебаний контактных усилий. Его величина характеризуется параметром вязкого затухания VDC, величина которого задается в процентах от критического демпфирования (при котором система приходит в состояние равновесия за половину периода колебания [151]). Как правило, для контакта между телами с одинаковыми материалами рекомендуется значение VDC20. Величина коэффициента демпфирования определяется Мс = fc + (fc /d)e DcKTHl , (2.88) где fc - статический коэффициент трения, fd - динамический коэффициент трения, Dc -коэффициент экспоненциального затухания, который определяет плавность перехода от статического трения к динамическому, 0Tli - относительная скорость поверхностей контакта.
Контактное взаимодействие в конечно-элементном анализе насчитывает несколько допущений, которые могут исказить получаемые результаты расчета:
Как это заметно по вышеприведенным формулам (2.81) - (2.87), контактная жесткость и демпфирование зависят от значений, которые определяются пользователем. При этом они не являются физическими величинами, значение которых можно определить экспериментально. Поэтому определение адекватных значений вводимых величин может быть затруднено.
Низкая точность или нестабильность контактного взаимодействия может быть связана с аппроксимацией гладких поверхностей конечным числом элементов. По этой причине поверхность представляется кусочно-линейной. На рисунке 2.19 показано, что на определенном шаге приращения гладкие поверхности потенциально должны контактировать между собой, но вследствие кусочно-линейного представления узлы конечно-элементной модели находятся на удалении друг от друга. На следующем шаге приращения контакт возможен, но зависимый узел проникнет глубоко в контактную зону, что вызовет сильный всплеск контактной реакции (рисунок 2.20) и дальнейшую нестабильность решения.
Контактные силы возникают в направлении нормалей главных сегментов. Поскольку поверхности имеют кусочно-линейную форму, возникают существенные различия в направлениях контактных реакций соседних главных сегментов (рисунок 2.21). При решении дифференциальных уравнений, которые содержат в себе описание контактного взаимодействия, или при натурном контакте между скругленными поверхностями сила реакции опоры всегда будет действовать по нормали к контактирующему с ней объекту. В конечно-элементном (КЭ) анализе это условие не всегда будет соблюдаться.
Предварительная оценка пассивной безопасности автобуса и влияния на нее принимаемых конструктивных решений с использованием конечно-элементного анализа и комбинированных моделей кузова
На основании выполненных исследований, анализа полученных результатов, обоснования правомерности использования расчетных методов оценки несущей способности и пассивной безопасности кузовов автобусов сложилось четкое понимание методики проектирования безопасных конструкций кузовов на основе результатов математического моделирования процесса их нагружения в условиях опрокидывания автобусов с уступа в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН №66. Необходимо отметить, что методика, предложенная автором диссертации, не является первой в своем роде. Известны методики расчетной и расчетно-экспериментальной оценки пассивной безопасности, которые приведены в работах [65,74,82,117]. Рассмотренные в указанных методиках подходы к оценке пассивной безопасности по результатам инженерного метода расчета, созданию конечно-элементных моделей, определению характеристик материалов, а также критерии оценки пассивной безопасности используются в разработанной автором методике обеспечения пассивной безопасности кузовов автобусов при проектировании. Ее главным отличием (новизной) от разработанных ранее методик является проведение математического моделирования движения автобуса или его секции в процессе опрокидывания с уступа до момента касания опорной поверхности кювета, что позволяет определить уточненные параметры режима нагружения конструкции. Кроме этого, в методике систематизировано применение на отдельных этапах проектирования существующих расчетных методов оценки для обеспечения пассивной безопасности кузовов автобусов.
Мероприятия по обеспечению пассивной безопасности автобуса в процессе его проектирования должны начинаться с выбора его рациональной силовой схемы. Решение этой задачи целесообразно проводить с использованием инженерного (кинематического) метода расчета. Для более эффективного использования этого метода автором была разработаны алгоритм и программа оценки несущей способности по разрушающим нагрузкам. С целью повышения достоверности выбора силовой схемы на начальном этапе проектирования автором были определены границы отклонения результатов инженерного метода от результатов динамического нагружения секций автобуса в процессе опрокидывания.
После выбора рациональной силовой схемы кузова делается предварительная оценка пассивной безопасности автобуса, а также оценка влияния отдельных силовых элементов и принимаемых конструктивных решений на пассивную безопасность. На этом этапе проектирования применяется конечно-элементный анализ комбинированных моделей кузова или его секций, которые подвергаются квазистатическому или динамическому нагружению, в зависимости от вычислительных мощностей и наличия программного обеспечения.
После получения положительного результата предварительной оценки ПБ автобуса формируется его подробная конечно-элементная модель. Этот процесс сопровождается экспериментальным определением пластических характеристик материалов кузова, верификацией расчетов посредством проведения нагружения отдельных силовых элементов кузова и последующим сравнением результатов с экспериментальными.
Для определения нагрузочного режима проводится решение разработанных в данной диссертации систем дифференциальных уравнений движения автобуса. Проводится верификация результатов конечно-элементного анализа и натурного опрокидывания отдельной секции автобуса. Если получено хорошее согласование расчета и эксперимента, то проводится компьютерное моделирования полномасштабного опрокидывания автобуса, по результатам которого проводится окончательная оценка его пассивной безопасности. Структурная схема разработанной методики показана на рисунках 4.1, 4.2. Подробное описание отдельных этапов
Блок-схема второго и третьего этапов методики обеспечения пассивной безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания при проектировании
Выбор рациональной силовой схемы автобуса по результатам инженерного расчета по предельному состоянию его силовых сечений
Силовой схемой автобуса является совокупность силовых элементов, воспринимающих нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации и при аварийном нагружении. На сегодняшний день большинство автобусов имеют каркасную конструкцию. Таким образом, силовой схемой таких автобусов является совокупность тонкостенных труб, имеющих стандартные сечения или профили с более сложными сечениями, полученные в результате штамповки или гибки листового металла. Учитывая приведенные особенности каркасных конструкций, на первоначальных этапах проектирования можно провести аппроксимацию их силовых схем с помощью стержневых расчетных моделей. Это позволяет применять инженерный (кинематический) метод расчета для выбора рациональной силовой схемы автобуса на начальном этапе проектирования, поскольку при рассмотрении относительно большого количества возможных вариантов схем требуется минимизация времени счета. Выбор силовой схемы заключается в проработке различных вариантов взаимного расположения силовых элементов каркаса, типа размеров его профилей (сечений) и их материала. За первоначальный вариант силовой схемы можно принимать уже известные конструкции либо создавать принципиально новую схему руководствуясь основными параметрами будущего автобуса (пассажировместимость, габаритные размеры, и т.д.). Основы теории инженерного кинематического метода расчета и примеры его использования приводятся в работах [65,74], а также в п. 2.2.1 данной диссертации. Для сокращения времени расчета силовых схем с использованием инженерного метода, исключения ошибок расчета, обусловленных человеческим фактором, и, таким образом, повышения эффективности использования данного расчетного метода автором диссертации были разработаны алгоритм и программа оценки несущей способности по разрушающим нагрузкам кузовов, их секций и силовых сечений. Подробное их описание приведено в п.п. 2.2.2 данной диссертации. Необходимо отметить, что на данном этапе экспериментальное получение подробных пластических характеристик материалов нецелесообразно в силу того, что в качестве исходных данных для инженерного метода необходим только предел текучести, значение которого можно определить используя существующие табличные данные. Увеличением предела текучести в результате механической обработки (прокатки) труб тонкостенного сечения на данном этапе проектирования можно пренебречь.