Расчет несущих систем машин при случайных стационарных колебаниях

2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ......................................................6
1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАСЧЕТОВ ПРОЧНОСТИ НЕСУЩИХ СИСТЕМ МАШИН ПРИ НЕРЕГУЛЯРНЫХ РЕЖИМАХ НАГРУЖЕНИЯ..............................10
1.1. Состояние исследуемой проблемы........................... 10
1.2 Выводы................................................... 60
1.3 Задачи исследования........................................64
2. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ.................................................... 66
2.1. Объект исследования.......................................66
2.2. Характеристики микропрофилей дорог........................71
2.3. Вынужденные стационарные случайные колебания линейных динамических систем и основные соотношения спектрального метода статистической динамики....................................76
2.4. Разработка структуры динамической модели несущей системы 82
2.5 Расчет частотных характеристик колебаний подрессоренных масс
обыкновенной динамической системы..........................86
2.6. Расчет частотных характеристик напряжений в элементах несущей системы...................................................... 96
2.7 Методика и результаты экспериментов по определению частотных
характеристик динамической системы по различным выходам...103
2.8 Выводы....................................................106
3. РАЗРАБОТКА СПОСОБА СХЕМАТИЗАЦИИ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ НАГРУЖЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН МЕТОДОМ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ ЦИКЛОВ.........................................109
3.1. Модели случайных процессов нагружения элементов машин и характерные значения реализации процессов..................109
3.2. Обоснование правила выделения циклов случайного процесса 112
3.3. Определение амплитуды цикла случайных процессов нагружения деталей машин при схематизации методом эквивалентных циклов. 115
3.4. Оценка точности определения амплитуды эквивалентного цикла нагрузки................................................. 122
3.5. Сравнительная оценка методов полных и эквивалентных циклов ...123
3.6. Параметры оценки структуры случайного процесса............137
3.7 Выводы.................................................... 140
4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА РАСЧЕТА ЭМПИРИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕРОЯТНОСТЕЙ АМПЛИТУД СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ, ПАРАМЕТРОВ СОПРОТИВЛЕНИЯ УСТАЛОСТИ ОБРАЗЦОВ И ОЦЕНКА ХАРАКТЕРИСТИК ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО НАГРУЖЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ........................................................142
4.1 Разработка методики расчета эмпирических функций распределения
вероятностей амплитуд случайной нагрузки...................142
4.2 Методика и результаты определения кривой усталости по Велеру...154
4.3 Закономерности сопротивления усталости при переменных режимах
нагружения.................................................160
4.4 Разработка метода определения предела выносливости на основе
результатов ускоренных испытаний образцов на сопротивление усталости при переменном режиме нагружения - ступенчато возрастающей нагрузкой.................................166
4
4.4.1 Анализ и оценка результатов расчетов...........................180
4.5 Исследование эксплуатационной нагрузки несущей системы 182
4.5.1 .Методика эксперимента.........................................182
4.5.2. Методика анализа..............................................183
4.5.3. Результаты экспериментов......................................188
4.5.4. Анализ результатов............................................194
4.6 Выводы......................................................... 195
5. РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ ПРИ НЕРЕГУЛЯРНОЙ НАГРУЖЕННОСТИ ПО КОРРЕКТИРОВАННОЙ ЛИНЕЙНОЙ ГИПОТЕЗЕ НАКОПЛЕНИЯ УСТАЛОСТНЫХ ПОВРЕЖДЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕОРИИ СЛУЧАЙНЫХ ФУНКЦИЙ И СПЕКТРАЛЬНОГО МЕТОДА СТАТИСТИЧЕСКОЙ ДИНАМИКИ МАШИН..........................199
5.1 Расчетная оценка ресурса сварных образцов рамы при переменном
режиме нагружения ступенчато возрастающей нагрузкой.......199
5.2 Расчет на прочность элементов несущей системы при нерегулярной
нагруженности по корректированной линейной гипотезе накопления усталостных повреждений...................................204
5.3 Оценка корреляционных зависимостей параметров функций
распределения вероятностей амплитуд эквивалентных гармонических циклов случайных процессов нагружения и усталостного ресурса элементов несущей системы с использованием спектрального метода
статистической динамики машин.........................218
5.4 Выводы................................................230
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..............................232
ЛИТЕРАТУРА................................................235
ПРИЛОЖЕНИЕ
5
255
1. Нагрузки, подрессорные массы и упругие характеристики подвески
троллейбуса......................................................256
2. Методика расчета жесткости шин...................................263
3. Амплитудно-частотные характеристики перемещений несущей системы
268
4. Результаты ускоренных испытаний образцов ступенчато- возрастающей
нагрузкой........................................................275
5. Результаты экспериментальных исследований эксплуатационных
нагрузок.........................................................282
6
ВВЕДЕНИЕ
Повышение энергонасыщенности, динамичности, нагруженности современных машин связано с необходимостью решения одной из важных проблем - предотвращение усталостных разрушений деталей их узлов, агрегатов, элементов ходовых и несущих систем. Особенно это относится к деталям, разрушение которых приводит к авариям с непоправимыми последствиями. Кроме этого восстановление работоспособности несущих систем связано с большими материальными затратами. Эта проблема возникает в авиации, на автомобильном, железнодорожном и водном транспорте, в тракторной отрасли, в дорожном машиностроении и т.п.
Разрушению детали предшествует накопление в ней усталостных повреждений, образование и развитие трещин в результате действия напряжений, возникающих в деталях, которые при колебаниях машины в эксплуатации, в большинстве случаев являются случайными функциями времени - случайными процессами. Решение этой важной научно-технической проблемы начинается на этапе разработки технического проекта машины. Поэтому актуальным является развитие методов расчета динамической нагруженности элементов машины, как сложной динамической системы; оценки случайного нагружения элементов с привлечением методов теории случайных функций и статистической динамики, схематизации случайных процессов; выявление эксплуатационных режимов нагружения машины; оценки сопротивления усталости и усталостного ресурса деталей. Важность развития методов исследований в этом направлении заключается также и в том, что в последнее время разрабатываются нормы прочности для колесных машин, обобщающие опыт расчета и испытаний несущих систем мобильной техники, накопленный к настоящему времени многими исследователями.
7
Цель работы - расчет на прочность несущей системы колесной машины при случайных стационарных колебаниях по критерию сопротивления усталости (на примере троллейбуса).
В исследовании использованы методы теории колебаний, статистической динамики, конечных элементов (КЭ), случайных функций (процессов), корреляционного анализа, тензометрических измерений, испытаний несущих систем колесных машин в дорожных условиях и на сопротивление усталости.
На защиту выносятся:
- метод определения амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) напряжений в элементах несущей системы при вертикальных колебаниях машины в результате кинематического гармонического воздействия на подвеску со стороны микропрофиля дорожного покрытия, основанный на принципе частотной дискриминации в сочетании с методами комплексных амплитуд, МКЭ, динамического равновесия несущей системы при колебаниях;
- метод схематизации (редукции) случайных процессов - метод эквивалентных циклов, основанный на равенстве энергии деформации детали для циклов случайного и регулярного процессов нагружения;
- усовершенствованная методика расчета усталостного ресурса, основанная на линейной корретированной гипотезе накопления усталостных повреждений: рекомендована величина цены разряда (равная 0,4 среднеквадратического отклонения совокупности амплитуд процесса) для группирования эквивалентных амплитуд случайного процесса нагружения при построении эмпирической функции плотности распределения вероятности амплитуд (гистограммы частостей).
- метод расчета параметров сопротивления усталости по результатам ускоренных испытаний натурных сварных образцов ступенчато возрастающей нагрузкой, основанный на совместном решении уравнений на-
8
копления энергии гистерезиса и усталостных повреждений за время испытаний;
- метод расчета на прочность несущей системы при случайном стационарном нагружении по критерию сопротивления усталости, основанный на линейной корректированной гипотезе накопления усталостных повреждений, корреляционной теории случайных процессов и спектральном методе статистической динамики, позволяющий получить расчетные оценки параметров усталостной прочности элементов на этапе разработки технического проекта машины.
В первой главе дан обзор исследований по рассматриваемой проблеме, сформулированы выводы по обзору и задачи диссертации.
Во второй главе рассмотрены основные положения спектрального метода статистической динамики машин, проанализированы статистические характеристики микропрофилей городских дорог, разработана динамическая модель колебаний несущей системы при движении машины в дорожных условиях и методике расчета АЧХ напряжений в элементах несущей системы троллейбуса при вертикальных колебаниях.
В третьей главе рассмотрены методические вопросы схематизации (редукции) случайных процессов нагружения деталей машин и разработан новый метод схематизации — метод эквивалентных циклов.
В четвертой главе рассмотрены методические вопросы определения эмпирической функции распределения вероятностей амплитуд эквивалентных циклов случайных процессов нагружения; параметров сопротивления усталости сварных образцов по результатам их ускоренных испытаний ступенчато-возрастающей нагрузкой; эксплуатационного нагружения несущей системы троллейбуса.
В пятой главе рассмотрены методические вопросы расчета на прочность элементов несущей системы при нерегулярной нагруженности по корректированной линейной гипотезе накопления усталостных поврежде-
9
ний с использованием методов теории случайных функций в сочетании со спектральным методом статической динамики.
Практическая реализуемость разработанных методов оценки нагру-женности и ресурса показаны на примере исследования напряженно деформированного состояния и усталостной прочности элементов несущих систем троллейбусов ЗиУ-9, ЗиУ-682Б, ЗиУ-682В, ЗиУ-682Г.
10
1. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАСЧЕТОВ ПРОЧНОСТИ НЕСУЩИХ СИСТЕМ МАШИН ПРИ НЕРЕГУЛЯРНЫХ РЕЖИМАХ НАГРУЖЕНИЯ
1.1. Состояние исследуемой проблемы
Исследованию прочности деталей и элементов несущих систем машин при нерегулярных нагрузках посвящены работы отечественных и зарубежных ученых, что вызвано необходимостью создания конструкций с достаточным эксплуатационным ресурсом, а также его повышением. Несущие системы колесных машин в эксплуатации подвержены случайному нагружению вследствии воздействия неровностей дороги, переменных сил сопротивления движению, колебательных процессов, возникающих в системах подрессоривания кузова, узлов трансмиссии и ряда других факторов. В связи с этим напряженное состояние элементов конструкции характеризуется случайным изменением напряжений во времени.
Основополагающими работами в исследовании прочности деталей машин при случайных нагрузках являются труды С.В. Серенсена [136-138], Д.Н. Решетова [131,132], В.П. Когаева [89-100], М.Э. Гарфа [129], Б.В. Гольда [40], Д.Б. Гельфгата [39], Р.В. Кугеля [102, 103], В.В. Болотина [17-26], С.С. Дмитриченко [73-83], A.C. Гусева [55-68], А.П. Гусенкова [69-71], В.Б. Проскурякова [126, 127], B.C. Стреляева [148-151], М.С. Степнова [141-147], Э.И. Григолюка [48-51, 114], Б.В. Бойцова [14-16], Н.Ф. Бочарова [28, 29], В.А. Свстлицкого [134], И.В. Гадолиной [37, 38], М.С. Высоцкого [35, 36], Д.И. Федорова [164], С.И. Соколова [140], В.Я. Иванина [84,85], Ю.Л. Тарасова [153], П.А. Фомичева [166, 167], Г.В. Цыбанева [172], В.М. Астафьева [10], В.Т. Трощенко [156-160, 171], В.И. Труфякова [128, 161], Е.К. Почтенного [124, 125], Н.В. Олейника [116, 117], Н.И. Гриненко [52, 54], В. Вейбулла [31], Е.
11
Гасснера [183], С. Свансона [185, 191], А. Карса [182], К. Смита [190], Р. Мюллера [189], Дж. Мороу [188] и ряда других авторов. Результаты этих работ нашли широкое применение в различных отраслях машиностроения. Дальнейшее развитие методов исследований и расчетов сопротивления усталости конструкций при случайных нагрузках остается актуальным и в настоящее время.
З.В. Ивановой [86] дан анализ напряженности рам грузовых автомобилей дифференцированным способом, заключающемся в оценке соотношения компонентов местных нормальных напряжений в условиях реальной эксплуатации. Известно, что нормальные напряжения являются суммой четырех компонентов: напряжений стесненного кручения,
растяжения-сжатия и напряжений от изгиба несущей системы в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Экспериментальными исследованиями соотношений компонентов напряжений установлено, что доля напряжений от растяжсния-сжатия незначительна, а "вес" других компонентов в формировании нормальных напряжений значителен. Стендовыми испытаниями рамы подтверждено, что наиболее опасным видом нагружения с точки зрения сопротивления усталости является переменное кручение несущей системы.
Авторы работы [122], анализируя результаты ранее выполненных исследований надежности и долговечности узлов и агрегатов автомобилей пришли к выводу, что основной объем доводочных работ необходимо перенести на стенды, а на этапе полигонных испытаний следует осуществлять лишь окончательную проверку и оценку прочности автомобиля, собранного из доведенных узлов и агрегатов. Отмечено, что блокпрограммные испытания имеют преимущества перед испытаниями с постоянной амплитудой как по объективности результатов, так и по экономии затрат и времени. При стендовых испытаниях рам должны моделироваться по крайней мере три вида нагружения: кручение и изгиб
в двух плоскостях, в противном случае получить характерные разрушения элементов несущей системы невозможно.
В.А. Трофимовым, Н.М.Панкратовым [155] проведены ресурсные испытания рамы прицепа БМЗ-887 с целью определения количественной характеристики повреждения, после которого конструкция переходит в предельное состояние — утрачивает несущую способность. Установлено, что одной из причин остановки и медленного развития трещин в рамах машин, представляющих собой сложные статически неопределимые системы, является перераспределение напряжений между элементами конструкции помере появления и развития повреждений. Повреждение какого-либо узла вызывает в неповрежденных узлах существенное изменение уровня переменных напряжений. В исследуемой конструкции значительное влияние повреждения узла на уровень переменных напряжений зарегистрировано датчиками только тех неповрежденных узлов, которые находятся в одном пролете рамы с повреждаемым. Величина повреждения, приводящая в состояние отказа исследованные узлы, находится в интервале (20 — 50)% площади поперечного сечения поврежденной детали узла. Следует отметить, что полученные результаты могут быть использованы при проектировании сложных систем, где есть основные элементы и второстепенные.
В.Я.Иваниным, В.М.Зайцевым [84] предложена методика определения пробега автомобиля из условия усталостной долговечности несущих рамных конструкций с использованием математического моделирования процессов нагружения. На основе уравнений Лагранжа второго рода с использованием метода разложений колебаний по главным формам составлена система дифференциальных уравнений колебаний модели автомобиля (с учетом изгибных колебаний рамы). Ординаты микропрофиля дороги формировались ЭВМ с одновременным интегрированием системы дифференциальных уравнений. На каждом шаге интегрирования получены зна-
13
чения внешних моментов и сил. Переход к напряжениям свелся к расчету напряжений изгиба и секториальных нормальных напряжении по известным методам расчета статической прочности несущих систем автомобилей на действие внешних нагрузок с последующей систематизацией полученного таким образом случайного процесса. Расчет пробега произведен по гипотезе линейного суммирования усталостных повреждений. Следует отметить важность методической разработки, которая может быть использована для оценок нагруженности несущей системы на этапе разработки технического проекта машины.
Д. Хабером [184] дан анализ натурных испытаний, проводимых фирмами "Фиат" и "Мерседес". Испытания кузовов фирмой "Фиат" основаны на постепенном ступенчатом увеличении нагрузки скручивающим моментом, который в процессе испытания постепенно увеличивают до появления трещины. Преимуществом метода является возможность ограничить испытания одним испытываемым объектом. Не возникает опасности, что испытания придется продлить в связи с недостаточной нагрузкой. Следует отметить, что способ создания нагрузок иной, чем в естественных эксплуатационных условиях, поэтому этот метод целесообразно применять при сравнительных испытаниях конструкций.
К.Дж. Марш [186] учитывая, что натурные испытания дороги и их проведение должно быть оправдано, рассмотрел альтернативы натурным испытаниям на усталость. Во-первых можно предсказать усталостную долговечность конструкции на основе результатов испытаний при постоянной амплитуде напряжений, полученных на образцах с типичными концентраторами напряжений. Во-вторых, в проведении испытаний на сравнительно простых, характерных образцах при одноосной нагрузке с использованием данных по изменению эксплуатационных нагрузок во времени. В-третьих, можно проводить испытания с эксплуатационными нагрузками на конструкциях. В этом случае по-прежнему требуется знание
14
характера изменения нагрузки во времени. Ясно, что для всех подходов общим является одно условие — необходимость знания характера изменения эксплуатационной нагрузки.
Авторами работ [32, 78] на основе моделирования случайных процессов нагружения получены закономерности изменения среднего значения и коэффициента вариации распределения амплитуд напряжений при схематизации процесса методом полных циклов и дождя от основных параметров, характеризующих случайный процесс: среднеквадратическое отклонение и параметр нерегулярности. С использованием полученных зависимостей исходя из линейной гипотезы суммирования усталостных повреждений выведены формулы, позволяющие существенно упростить расчет ресурса по информации о нагруженности.
Н.И. Гриненко, Л.А. Шефером [52] предложен спектральный метод оценци долговечности. Отмечено, что функция нагруженности, построенная с применением какого-либо метода схематизации, приводит к существенному искажению реального процесса. Погрешности в оценках меры повреждения и долговечности накапливаются еще и потому, что механизм суммирования усталостных повреждений при случайном и гармоническом нагружениях неидентичен. Для уточнения оценок долговечности предлагается метод расчета, основанный на критериальной функции повреждения, получаемой при испытаниях конструкции со случайным нагружением. Так как критериальные функции зависят от условий нагружения, предлагается классификация процессов нагружения по мере нерегулярности процесса, которая оказывает существенное влияние на вид функции плотности распределения максимумов, а также предлагается введение в качестве меры сравнения долговечностей — среднее число пересечений нулевого уровня за период нагружения, т.е. меры, по которой ведется сравнение процесса нагружения с критериальной функцией типа поверхности усталости. К недостаткам метода следует отнести сложность
15
и большую трудоемкость экспериментального получения критериальной функции, нет сравнения данных расчета и эксплуатации.
А.С.Гусевым [64] дано обобщение известных соотношений для определения среднего числа особых точек в случайных стационарных процессах. Введено понятие сложности струтуры случайных процессов, определяемое последовательностью отношений числа экстремумов к числу нулей, числа точек перегиба к числу экстремумов и т.д. Это позволило вскрыть различие в понятиях широкополосности и сложности структуры. Показано, что при расчетах долговечности и при назначении методов схематизации случайных процессов следует ориентироваться не на их широкополосность, а на сложность структуры. Узкополосные процессы всегда имеют простую структуру (параметры структуры равны 1), но не всегда широкополосные процессы имеют сложную структуру. Однако не даны рекомендации по выбору методов схематизации в зависимости от значений параметров структуры процессов.
В работе семинара в МАМИ (под руководством Э.И. Григолюка) [114] рассмотрены следующие исследования.
Расчет прочности несущей системы автомобиля при динамическом нагружении (А.Н. Солнцев, Москва).
Отмечается, что на предприятиях автомобильной промышленности для проведения прочностных статических расчетов при проектировании и доводке несущих систем автомобиля в качестве инструмента широко используется различные программные комплексы, реализующие метод конечных элементов. Однако во многих случаях поломки элементов несущей системы в процессе эксплуатации возникают не вследствие действия предельных статических нагрузок, а носят усталостный характер. Оценки долговечности при этом могли быть получены только после изготовления натурного образца и проведения цикла дорожных испытаний. В МАМИ был разработан подход, позволяющий получать сравнительно оценки
16
долговечности различных вариантов несущих систем еще на стадии проектирования без проведения испытаний натурных образцов. В основу положены известные уравнения динамики для моделей метода конечных элементов. Порядок системы дифференциальных уравнений движения значительно понижается, если решение этих уравнений искать в виде разложения по собственным формам. Если принять допущение о линейности всех элементов конструкции, то решение можно записать в аналитическом виде, как для случая демпфирования в системе по Рэлею, так и в случае учета демпфирования в реальных элементах конструкции с помощью линеаризованных коэффициентов. Если же необходимо учитывать нелинейность жесткостных и демпфирующих характеристик отдельных элементов конструкции (подвеска, амортизаторы), то полученные дифференциальные уравнения можно решать численно. Так как решениям уравнений в виде перемещений, однозначно соответствует величины напряжений в элементах конструкции, то при задании в качестве возмущающего воздействия реализации микропрофиля дороги можно получить набор реализаций по времени напряженно-деформированного состояния в исследуемых элементах несущей системы. Микронрофиль может быть задан по стандарту ИСО, по рекомендациям МАДИ, или как реализация реально замеренного участка. Полученная для каждого элемента конструкции реализация напряженно-деформированного состояния обрабатывается с помощью метода "падающего дождя" для получения гистограммы нагружения. Затем по гистограммам и кривым усталости для каждого элемента определяется коэффициент запаса по долговечности, который может служить критерием сравнительной оценки долговечности различных вариантов конструктивного исполнения несущей системы.
Методы оценки усталостной прочности несущих систем легковых автомобилей (Н.Л. Осипов, Москва).
17
В "Нормах прочности несущих систем легковых автомобилей" формируются требования годности и качества конструкций, определяемые свойствами сопротивления усталости как конструкции, так и используемых в ней материалов. На основе анализа методов оценки нерегулярного нагружения обосновываются критерии прочности. Дана структура норм усталостной прочности. В ее рамках нормируется последовательность этапов проектирования и доводки конструкции. Предусмотрены две концепции проектирования конструкции кузова: на безопасный ресурс и на безопасную повреждаемость. Для обоих подходов нормируются коэффициенты надежности. Сформулированы цели, задачи и требования к расчетам и испытаниям на усталость. Вводится классификация конструктивных элементов кузова по "степени ответственности", по уровню концентрации напряжений и т.п. На этой основе формулируется понятие "критических мест" конструкции и условия испытания соответствующих им элементов. Нормируются коэффициенты соответствия между результатами испытаний в лабораторных, полигонных и реальных эксплуатационных условиях. Для ускоренных испытаний нормируются виды и уровни форсирования, условия проведения, а также коэффициенты соответствия реальным условиям нагружения.
О разработке правил расчета и норм прочности несущих систем легковых автомобилей (Б.Ф. Балашов, Москва).
Изложены замечания к разделу усталости первой редакции "Норм прочности несущих систем легковых автомобилей", разрабатываемых в МАМИ. Следует различать понятия "нормы годности" и нормы прочности" изделия. Первые содержат показатели надежности и качества, вторые — перечень критериев и методов обеспечения прочности. В данной редакции эти признаки объединены, что является спорным. Отмечена нецелесообразность использования гипотез накопления повреждений, учитывающих снижение предела выносливости в процессе нагружения, так
18
как этот вопрос еще недостаточно решен и нет удовлетворительных числовых результатов при использовании существующих нелинейных моделей механизма накопления повреждений. В разделе малоцикловой усталости деформационно-кинетический критерий прочности целесообразно использовать лишь при наличии в материале конструкции заметных развитых пластических деформаций или ползучести, что не характерно для кузовных конструкций. На основании анализа напряженно-деформированного состояния в критических зонах следует сделать заключение о целесообразности использования этого критерия для оценки малоцикловой усталости. Для этого лучше использовать экспериментальные кривые малоцикловой усталости типа Коффина-Мэрсона и соотнесенные с ней результаты расчета (или эксперимента) в зонах концентрации напряжений. В разделе испытаний основное внимание было уделено усталостным испытаниям. Главная часть доводки конструкции - усталостные испытания. При ускоренных испытаниях необходимо ограничивать форсирование амплитуды нагрузки такими ее значениями, которые бы обеспечили именно усталостную природу разрушения. Следует также наметить создание норм усталостной прочности и других узлов автомобиля (шасси, трансмиссий, коробок скоростей, колес, двигателя).
Э.И. Григолюком, Е.А. Коганом и др. [50] изложены принципы построения и основные положения разработанного "Проекта норм расчета и испытаний на прочность несущих систем легковых автомобилей". Представлена общая методика динамического расчета несущей системы и оценка сопротивления усталости. Дано упрощенное описание расчета на прочность при статических нагрузках, эквивалентных по воздействию динамическим. Указаны расчетные случаи, при которых оцениваются статическая прочность кузова и его ударно-прочностные свойства и критерии предельных состояний. Приведено краткое описание разделов
норм, посвященных расчету сопротивления усталости, испытаниям, влиянию коррозии на прочность.
Отмечено, что нормирование прочности стало традиционным и обязательным в различных областях техники (в авиации, судостроении, строительстве, на железнодорожном транспорте). Однако в автомобилестроении до настоящего времени отсутствует единая комплексная система нормирования прочности, безопасности и сертификации автомобиля. Одним из элементов этой системы является указанный проект норм расчета и испытаний, базирующийся на следующих положениях.
1. Несущая система легкового автомобиля может рассматриваться как пространственная составная система стержней, пластин и оболочек, для расчетов которой применяют различные программы с использованием МКЭ. Кроме этого на заводах применяются различные испытательные комплексы. Поэтому основное внимание в нормах уделено не регламентации расчетов и испытаний, а программированию требований к проведению расчетов и испытаний, определению характеристик нагруженности несущей системы в различных условиях эксплуатации, выбору и назначению расчетных случаев и критериев предельных состояний.
2. Нагруженность автомобиля в значительной степени определяется микропрофилем дорог, на которых происходит его эксплуатация. Поэтому в основу нормирования прочности несущей системы легкового автомобиля положен общий динамический подход к автомобилю, как к сложной нелинейной динамической системе, нагружаемой случайными нагрузками при движении по неровной дороге, а также различными детерминированными нагрузками.
В зависимости от стадии проектирования нормами предусматривается последовательное применение все усложняющихся и более точных динамических математических моделей автомобиля — от плоской системы твердых тел с линейными или нелинейными упругодемпфирующими
20
связями до пространственной системы твердых и упругих тел, объединенных упругодемпфирующими связями.
Для определения динамической составляющей возмущающего воздействия заданы геометрические характеристики неровности дороги: профилем единичной неровности и микропрофилем гладкого участка дороги. Дана классификация единичных неровностей в зависимости от вызываемых ими воздействий, нормированы геометрические характеристики неровностей для дорог разного типа. Моделирование процесса движения колеса по микропрофилю гладкой дороги проводится заданием спектральной плотности для разных классов дорог с учетом рекомендаций
исо.
После интегрирования уравнений движения и определения перемещений, деформаций и напряжений они сравниваются с предельно допустимыми. Если условия прочности и жесткости при действии кратковременной нагрузки выполняются, то проводится оценка сопротивления усталости. Для этого по нормированному набору дорог, скоростей и протяженности пробега по дорогам можно определить суммарное накопленное повреждение за все время эксплуатации в несущей системе в целом и в отдельных ее элементах.
3. При оценке местной прочности отдельных элементов конструкции при квазистатических нагрузках нормами предусматривается упрощенный подход, который широко используется в настоящее время в инженерной практике основных автомобильных конструкторских бюро, ба-зирущийся на методе условных нагрузок. Согласно этому методу, допускается проведение расчетов на прочность на статические нагрузки, эквивалентные по воздействию динамическим. Учет реального динамического характера нагружения и усталостного процесса разрушения проводится при этом за счет введения коэффициентов динамичности и запаса. К основным расчетным случаям статического нагружения кузова и его эле-
21
ментов отнесены: прочность и жесткость кузова (в составе автомобиля) при изгибе, кручении, торможении (разгоне), движении на повороте, вывешивании колеса домкратом, в процессе изготовления и транспортирования; жесткость пола кузова, пола багажника, крыши капота и крыши багажника, наружных панелей кузова, на кручение, боковых дверей на кручение. Динамические характеристики несущей системы оцениваются изгибными и крутильными собственными колебаниями кузова, кузова в сборе в составе автомобиля. Для основных расчетных случаев и соответствующих случаев испытаний указаны величины и распределение эксплуатационной нагрузки.
4. Отдельно выделяются расчетные случаи по оценке ударнопрочностных свойств кузова при фронтальном столкновении, ударе сзади, боковом ударе, опрокидывании.
5. Существенное значение имеет выбор метода расчета на прочность. Так как для автомобиля определяющим критерием является безопасность водителя и пассажиров, то в проекте норм предусматривается расчет на прочность по расчетным нагрузкам. При этом рассчитывается максимальное расчетное напряжение, исходя из наибольшей расчетной нагрузки, действующей на элемент конструкции и сравнивается с разрушающим напряжением. Расчетную нагрузку определяют как произведение максимального мгновенного значения эксплуатационной нагрузки на коэффициент безопасности, назначение которого - обеспечить эксплуатацию конструкции без накопления остаточных деформаций (/£§=1,5). В
свою очередь эксплуатационную нагрузку находят умножением статической нагрузки, действующей на соответствующий элемент конструкции кузова на коэффициент динамичности Кд. Так при изгибе кузова принято
Кд=1,8, а при кручении К^ = 1,3.
6. Несущая способность кузова при статическом нагружении нормируется допускаемыми коэффициентами запаса статической прочности,
23
рожных (эксплуатационных, полигонных, специальных), указаны критерии предельных состояний при испытаниях.
Отмечено, что до настоящего времени не существует общепринятого метода учета влияния коррозии на прочность и усталостную долговечность автомобиля. Известно, что коррозия является одной из причин, приводящей к уменьшению жесткости и прочности кузова в процессе его эксплуатации и как следствие этого к снижению ресурса и пассивной безопасности автомобиля. Предложена методика приближенного учета коррозии при расчетах на прочность кузова, позволяющая оценить величину поправки на толщину элементов конструкции в зависимости от характера воздействия окружающей среды, скорости и времени коррозиро-вания и применяемых методов подавления коррозии.
Первая редакция норм была обсуждена в ведущих производственных объединениях и институтах отрасли: АЗЛК, ВАЗ, ГАЗ, ЗАЗ, ЗИЛ, ИЖМАШ, НИЦИАМТ, МАДИ, МАСИ и др.
В работе [51] этих же авторов проанализировано современное состояние проблемы нормирования прочности несущих систем автомобилей. Обсуждены исследования по разработке общего динамического метода оценки напряженно-деформированного состояния и долговечности автомобиля при нагружении случайными динамическими нагрузками от дороги, по развитию методов расчета прочности несущих систем при статическом нагружении, остаточного пространства при опрокидывании. Сформулированы основные принципы построения норм прочности.
Основные направления работ и предложения по решению указанной проблемы были сформулированы в 1980г. Э.М. Григолюком, согласованы с зам. директора НАМИ И.С. Луневым и в последствии с министром автомобильной промышленности СССР В.Н. Поляковым. Работы по разработке современных методов расчета различных элементов автомобильных конструкций (шин, колес, рам, кузовов, кабин и др.) и по их стандар-
24
тизации были включены в координационный план научно-исследовательских работ по проблеме "Механика деформируемого твердого тела" АН СССР и в план важнейших работ ГКНТ СССР. Для координации усилий академической, вузовской и отраслевой наук по решению этой проблемы в состав Научного Совета АН СССР по проблемам машиностроения и технологических процессов была включена секция "Динамика и прочность автомобильных конструкций", при участии которой стали проводиться работы по созданию норм прочности для автомобильной техники. Кроме этого, в соответствии с НТП "Прочность", принятой министерством науки, высшей школы и технической политики Российской федерации, планировалось разработать методы и программное обеспечение и интегрированные базы данных для исследования прочности и автоматизированного проектирования машиностроительных конструкций при действии статических и динамических нагрузок. Одна из составных частей этой программы - разработка правил расчета на прочность несущих систем автомобилей.
Работы велись по нескольким направлениям: анализ норм прочности, применяемых в различных отраслях техники; создание общего динамического метода расчета прочности и сопротивления усталости автомобиля; разработка методов и программ расчета НДС и устойчивости несущих систем при статическом нагружении автомобиля и при его опрокидывании; формулирование методических основ построения норм, обоснование различных положений и структуры норм; сбор, систематизация и обобщение накопленных данных и разработка на этой основе проектов норм прочности несущих систем большегрузных карьерных самосвалов, легковых автомобилей, автобусов, кузовов-контейнеров многоцелевого назначения.
Так как отличительной особенностью автомобиля является нагружение его случайными динамическими нагрузками при движении по до-
22
устойчивости, допускаемыми деформациями. Так для автомобилей малого и среднего классов допустимые значения относительного прогиба должны составить 0,3-0,5 мм/м, допускаемая жесткость на кручение кузова между осями для автомобилей малого класса должна быть 5500-6500 мм/град, для автомобилей среднего класса 8000-9000 мм/град.
7. Долговечность несущей системы легкового автомобиля в основном определяется усталостными и усталостно-коррозионными повреждениями. В нормах подробно изложены требования к расчету сопротивления усталости кузова для оценки работоспособности кузова по критериям выносливости и живучести и обеспечения назначенного ресурса. За расчетные случаи для оценки сопротивления усталости приняты: режимы нагружения при движении в смешанных условиях эксплуатации с учетом типового для автомобиля данного класса долевого распределения пробега в однотипных дорожных условиях (в сочетании с различными скоростями движения); повторяющиеся функциональные циклы, такие, как трогание с места, разгон, торможение, открывание и закрывание дверей, крышек капота и багажника, загрузка и выгрузка и т.д. Приведены требования к расчетному обеспечению назначенного ресурса кузова при проектировании его на безопасный срок елкжбы и при возможном проектировании на безопасную повреждаемость. Указаны допустимые значения коэффициентов запаса сопротивления усталости при многоцикловом и малоцикловом нагружении. Включена оценка живучести кузова по критическому развитию трещин на основе представлений механики разрушений.
В разделе об испытаниях рассмотрены требования и схемы проведения различных типов испытаний несущих систем в целом и отдельных их элементов: стендовых (статических, динамических, по определению ударно-прочностных свойств, на усталость и живучесть - одноступенчатых, многоступенчатых, на случайные эксплуатационные нагрузки) и до-
25
рогам различного типа, то в качестве основного метода расчета прочности и долговечности следует принимать общий динамический метод анализа реальной нагруженности несущей системы при движении автомобиля по дорогам различного профиля. В этом основное отличие предлагаемых проектов автомобильных норм прочности. Рекомендуемый подход к нормированию нагруженности есть моделирование на ЭВМ дорожных испытаний автомобиля, такое моделирование можно эффективно провести с использованием больших конечно-элементных расчетных схем. В настоящее время разработан подход, базирующийся на использовании разложения по собственным формам колебаний с последующим статистическим моделированием процесса движения. При движении автомобиля по различным дорогам возбуждающая частота нагрузки от дороги вследствие демпфирования высокочастотных составляющих спектра возбуждающих усилий шинами и подвеской лежит в диапазоне 0 — 50Гц. Поэтому учет собственных форм колебаний с частотами до 40 — 50Гц позволяет с запасом перекрыть весь реальный спектр колебаний, возбуждаемых в конструкции. После определения результирующего вектора перемещений конструкции в соответствии с обычной процедурой метода конечных элементов находятся внутренние силовые факторы и напряжения в каждый момент времени. В результате получается набор функций изменения напряжений во времени, т.е. ансамбль реализаций процесса нагружения, так как эти напряжения, как правило, по абсолютной величине практически для всех реализаций много меньше предела прочности материала при однократном нагружении, но имеют переменный (случайный характер), то процесс разрушения конструкции в таких условиях носит усталостный характер. Поэтому в качестве критерия, определяющего сопротивление усталости конструкции, принимается коэффициент накопленных повреждений, вычисляемый с использованием гипотезы линейного суммирова-
26
ния повреждений и стандартных методов схематизации случайных процессов.
Принципиальное значение при разработке нормативных методов расчетов имеет выбор метода оценки прочности конструкции применительно к конкретному типу транспортного средства. Например для легковых автомобилей и автобусов определяющим критерием является безопасность пассажиров и водителя. Поэтому в отличие от подхода принятого в общем машиностроении, целесообразно рассчитывать на прочность несущие системы легковых автомобилей и автобусов по расчетным нагрузкам, как это принято в авиации. Основная идея и цель такого подхода — обеспечить достаточный резерв прочности (введением коэффициентов безопасности и динамичности), при котором конструкция под действием эксплуатационных нагрузок деформируется без накопления остаточных деформаций. Для других элементов конструкции — двигателя, подвески, шины и т.д. — естественно применение метода расчета на прочность по допускаемым напряжениям.
Подробно разработаны правила и нормы расчета и испытаний на прочность несущих систем автобусов. Для рационального выбора на стадии проектирования параметров несущих систем автобусов с учетом различных конструктивных и технологических ограничений была использована программа весовой оптимизации несущих систем автобусов на базе метода конечных элементов и принципа дискретной равнопрочности (понимается такая конструкция, в каждом элементе которой максимальные эквивалентные напряжения достигают заданного значения хотя бы в одной точке и нигде не превышают его). Применены также конечноэлементная пространственная и плоская модели для расчета деформированного состояния кузова автобуса при опрокидывании (правила ЕЭК ООН №66).
27
Отмечается, что применение норм прочности как обязательных требований при проектировании, испытаниях, доводке и сертификации автомобилей будет способствовать повышению надежности и технического уровня, снижению материалоемкости, сокращению сроков создания новых автотранспортных средств и повышению их конкурентоспособности.
Х.А. Фаскиев, П.Д. Павленко [162, 163] на основе опыта стендовых испытаний элементов КАМАЗа пришли к выводу, что эффективные нормы прочности могут быть разработаны на основе имеющейся базы данных стендовых испытаний. В настоящее время практически все автозаводы на все ответственные детали выпускаемой техники имеют свои методики испытаний. Эти методики нужно лишь обобщить и превратить в единые нормы прочности для отрасли.
В.Г. Москвиным [112] рассмотрено применение разработанного на основе метода конечных элементов программного комплекса для определения основных динамических характеристик транспортных машин на этапе проектирования. Отмечается, что опыт проектирования сложных конструкций показывает, что для рационального спроектированных конструкций хорошие результаты дают даже достаточно простые модели, допускающие сравнительно нетрудоемкое численное решение. Можно сказать, что трудоемкость расчетов пропорциональна динамическому несовершенству конструкции. Рациональность конструкции в большей степени определяется спектром ее собственных частот: каков спектр, такова и реакция на внешнее воздействие, поэтому важно обеспечение заданных динамических свойств конструкции на этапе завязки проекта.
В.М. Кучерявый и др. [104] отмечают, что существующие методы статистического анализа нагруженности основаны на записи осциллограмм. Такой путь требует больших затрат времени и средств на проведение натурных тензометрических испытаний, что накладывает ограничения на объем и точность вычислений и дает информацию с большим опо-