- •1 Обзор программных средств моделирования и расчета, компьютерных исследований конструкций автомобилей
- •1.1 Обзор программных комплексов, использующих методы дискретизации
- •1.2 Обзор программных комплексов для решения задач динамики движения
- •1.3 Обзор инженерно-проектных работ и научных исследований в области моделирования и конечно-элементного расчета конструкций транспортных средств
- •2 Описание конструкции рамы и моделей
- •2.1 Описание некоторых конструктивных особенностей лонжеронных автомобильных рам
- •2.2 Описание конструкции исследуемой рамы и моделей
- •2.2 Выводы
- •3 Описание и обоснование распространенных методик расчета рам
- •3.1 Статические расчеты
- •3.2 Выводы
- •4 Описание методики расчетов в конечно-элементных комплексах
- •4.1 Матричная формулировка основных уравнений мкэ для решения задач статики
- •4.2 Особенности реализации метода конечных элементов в SolidWorks и Abaqus
- •4.3 Формирование уравнений движения и описание собственных форм и частот конструкции в методе конечных элементов
- •4.4 Решатели в SolidWorks и Abaqus
- •4.5 Особенности описания движения твердых тел в программном комплексе фрунд
- •4.5 Особенности расчета ударного воздействия
- •4.6 Определение усталостного срока службы
- •4.7 Выводы
- •5 Исследование напряженно-деформированного состояния рамы с использованием компьютерного моделирования
- •5.1 Расчет на изгиб
- •5.2 Расчет кососимметричного нагружения
- •5.3 Расчет кручения
- •5.4 Расчет бокового удара
- •5.5 Расчет на продольное нагружение
- •5.6 Расчет собственных форм и частот колебаний
- •5.7 Расчет столкновения с препятствием
- •5.8 Расчет усталостного срока службы
- •5.9 Выводы, результаты, предложения совершенствования
2 Описание конструкции рамы и моделей
2.1 Описание некоторых конструктивных особенностей лонжеронных автомобильных рам
Рама служит остовом для крепления узлов и агрегатов автомобиля. Она должна обладать достаточной жесткостью, чтобы под действием инерционных и реактивных нагрузок относительное расположение укрепленных на ней механизмов оставалось неизменным, а деформации кузова были минимальными [1].
В зависимости от конструкции рамы разделяют на лонжеронные и хребтовые. Лонжеронные рамы состоят из двух продольных лонжеронов и нескольких поперечин. Поперечины соединяют лонжероны рамы, придают ей жесткость и служат опорой для узлов. В связи с тенденцией снижения высоты применяют преимущественно периферийные и Х-образные рамы (рис. 22). В случае использования лестничных рам для понижения уровня пола высоту сечения их лонжеронов в необходимых местах уменьшают за счет увеличения ширины [22].
При использовании периферийной рамы ширина и высота туннеля для карданного вала и труб системы выпуска газов минимальные, однако ширина порогов больше, чем при использовании рам других типов [30].
Положение поперечин по длине рамы зависит от размещения агрегатов шасси, кабины, платформы и пр. Преимущественно применяются податливые на кручение поперечины открытого профиля. В некоторых случаях для обеспечения минимальной жесткости рамы на кручение применяют поперечины закрытого профиля, обычно из круглых труб [22].
Иногда поперечиной соединяют наиболее нагруженные кронштейны. Применение крестообразных поперечин целесообразно в широких и коротких рамах, что увеличивает их жесткость, однако, приводит к увеличению напряжений в местах соединений. Повысить жесткость рамы на кручение можно введением элементов вынесенных из плоскости рамы и жестко соединенных с ней вертикальными кронштейнами (жесткость рамы повышается при установке параллельно ее плоскости жесткого элемента) [30].
Рис. 22 – Лонжеронные автомобильные рамы: а – периферийная; б – X-образная; в – лестничная
Конструкция рамы выполняется так, чтобы напряжения в полках лонжеронов при кручении распределялись равномерно, т.е. не было значительных местных напряжений от стесненного кручения. Рекомендуются соединения поперечин и лонжеронов, которые позволяют создать небольшое стеснение концевых сечений в узле. Наиболее удачными соединениями с точки зрения минимизации напряжений от стесненного кручения являются Н-образное и П-образное, а также швеллер, усиленный уголком. Свобода депланации в них обеспечивается путем присоединения только части контура поперечин к лонжерону [14].
Конструкция лонжеронных рам должна быть легко изгибаемой на труднопроходимых дорогах до тех пор, пока не будут разработаны конструкции мягких подвесок с вертикальным ходом, достаточным для достижения минимальных перемещений базы, что особенно важно для автомобилей высокой проходимости [14].
Закрытый коробчатый профиль поперечин приводит к наибольшей жесткости рамы, но и большим осевым напряжениям. Применение открытого трубчатого профиля поперечин приводит к большим крутильным напряжениям, но меньшему на 40 % максимальному напряжению, к падению жесткости в 1,5-3 раза. Применение П-образного открытого профиля поперечин приводит к снижению жесткости на 10 %, но уменьшению напряжений в 2-2,5 раза [22].
Расчет поперечных сечений несущих элементов, конструктивные формы, а значит, масса и расход материалов обычно определяются условиями обеспечения прочности и жесткости. В то время как для стационарных объектов масса определяет лишь расход материалов и их стоимость, то для подвижных, например, автомобилей, она влияет и на технико-экономические показатели (грузоподъемность, скорость и др.) [11].
Для изготовления лонжеронов применяют углеродистую сталь марок 25 кп, 30 кп и низколегированные стали марок 15ГЮТ, 10ХСНД, 19ХГС; для поперечин используют углеродистую сталь 20, 25, 25 кп. Иногда применяются титанистые стали 30Т, позволяющие благодаря более высоким механическим свойствам снизить вес рамы. Для некоторых автомобилей применяются не штампованные, а прокатные профили из малоуглеродистых низколегированных сталей 14ХСНД, 19ХГС и др. [14].
К числу требований, предъявляемых к раме, относятся:
1) высокая изгибная и крутильная жесткость и прочность (при минимальном весе), исключающие расшатывание и поломки элементов рамы при движении автомобилей со значительными перекосами осей и колес;
2) целесообразность конструкции, позволяющей наиболее удобно и экономно разместить и закрепить все монтируемые на раме агрегаты, а также установить достаточные по вместимости грузовые емкости;
3) рациональность геометрической формы, допускающей низкое расположение центра тяжести автомобиля, значительные ходы подвески и большие углы поворота управляемых колес.