Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния высоконагруженных рамных конструкций и оценка ресурса элементов несущей системы тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

00461'«ьг На правах рукописи

ЛУШНИКОВ Станислав Юрьевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ РАМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ОЦЕНКА РЕСУРСА ЭЛЕМЕНТОВ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

Автореферат

2 О ЯН В 20Т/ССертацИИ На соискание Ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2010

004619567

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Боровских Валентин Ефимович доктор технических наук, профессор Савкин Алексей Николаевич доктор технических наук, профессор Королев Андрей Альбертович

Ведущая организация:

ЗАО «Тролза», г. Энгельс

(J-idJfe/^ 2011 г. в 15 часов на

Защита состоится «J заседании диссертационного совета Д 212.242.06 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет», корп.1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат размещен на сайте ГОУ ВПО «Саратовский государственный

технический университет» www.sstu.ru « »_/20 j^v.

Автореферат разослан «_ /б» /г 201

Ученый секретарь

диссертационного совета ~--B.C. Попов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Значительный рост грузоперевозок в России автомобильным транспортом в настоящее время требует создания несущих систем транспортных машин, обеспечивающих безремонтный пробег машин до их списания.

Однако эксплуатация подобного транспорта, произведенного как в России, так и за рубежом, показала, что разрушения несущих систем этих транспортных средств происходят достаточно часто, а последующий ремонт по стоимости приближается к стоимости новой конструкции.

В связи с этим все возрастающие требования к обеспечению требуемого ресурса транспортных средств привели к необходимости поиска путей дальнейшего совершенствования их несущих систем и методов оценки ресурса.

Так как ресурс несущей системы машины зависит от конструктивного решения системы, материала, технологии изготовления, условий эксплуатации, вида напряженного состояния -дальнейшие исследования должны быть направлены на оценку влияния этих и других факторов на ресурс несущей системы.

Поэтому создание несущей системы мобильных машин (автомобилей, самоходных шасси, комбайнов, прицепов, погрузчиков и др.), работающих при переменных случайных нагрузках и обладающих требуемыми (нормативными) показателями долговечности - актуальная научно-техническая проблема на сегодняшний день.

Цель работы: экспериментальные исследования высоконагруженных рамных конструкций и совершенствование методов оценки ресурса элементов несущей системы.

Объект исследования: несущая система полуприцепа большой грузоподъемности.

Задачи исследования:

1. Разработать модели несущих систем существующего и проектируемого полуприцепа и оценить их напряженно-деформированное состояние (НДС);

2. Спроектировать несущую систему полуприцепа, обеспечивающую снижение уровня действующих напряжений в конструкции;

3. Обосновать методику экспериментального исследования величин нормальных и касательных напряжений в элементах несущей системы полуприцепа;

4. Оценить уровень касательных напряжений в элементах конструкции от действия статической и переменной нагрузок;

5. Оценить долговечность элементов конструкции при совместном действии нормальных и касательных переменных напряжений, зафиксированных в эксперименте.

Методы исследования. В исследовании использованы: метод конечно-элементного расчета НДС несущих систем; электротензометрический метод исследования напряженного состояния элементов конструкции, как от статической, так и от переменной нагрузок; методы математической статистики по обработке случайных процессов изменения величин переменных напряжений и оценке долговечности элементов конструкции.

Научная новизна:

1. На основе результатов численного эксперимента по оценке напряженно-деформированного состояния элементов конструкций, выполненных автором, разработана и внедрена в производство новая конструкция несущей системы полуприцепа, обеспечивающая по сравнению с аналогами снижение уровня напряжений в опасных сечениях;

2. Предложена методика проведения эксперимента по оценке напряженно-деформированного состояния элементов несущей системы полуприцепа, основанная на использовании результатов численного эксперимента: розетки с тензорезисторами наклеивались в сечениях с максимальными расчетными напряжениями исследуемого района рамы;

3. Выполнена оценка ресурса элементов конструкции по записям величин переменных нормальных и касательных напряжений в эксперименте, которая показала целесообразность учета касательных напряжений при оценке ресурса элементов несущей системы.

Достоверность результатов. Основывается на корректности постановки решаемых задач исследования, на результатах экспериментальных исследований, а также на их непротиворечивости результатам численного эксперимента.

Практическая значимость. Разработана методика экспериментального исследования НДС элементов несущей системы полуприцепа от действия статической нагрузки.

Предложено оценку долговечности элементов конструкции на стадии изготовления опытного образца выполнять с учетом совместного действия переменных во времени нормальных и касательных напряжений, что может быть использовано для: оценки ресурса несущих систем колесных машин при большом числе циклов переменных напряжений (N>5* 10е); сравнительной оценки НДС элементов конструкции машин с целью выявления наиболее нагруженных участков. Результаты исследований использованы при проектировании несущей системы полуприцепа на ООО «ТЕРРА-ПЛЮС», и специального низкопольного автомобиля для перевозки инвалидов-колясочников на ООО «Саратовтрансремонт», а также могут быть применены при испытаниях и доработке несущих систем новых колесных машин.

Апробация работы. Положения диссертации легли в основу выступлений автора на: III Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении».- Пенза, 2003; Всероссийском конкурсе среди молодежи высших учебных заведений Российской Федерации на лучшие научные работы по естественным наукам. - Саратов, 2004; VII Международной научно-технической конференции «Динамика технологических систем (ДТС-2004)».- Саратов, 2004; Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (МНПК «ЛЭРЭП-2-2007»), - Саратов, 2007; научном семинаре кафедры ТММ / СГТУ. - Саратов, 2009.

Публикации. Результаты исследований освещены в 8 публикациях, в том числе 2 публикации размещены в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

На защиту выносятся: модели несущих систем полуприцепа большой грузоподъемности; несущая система полуприцепа с низким уровнем действующих напряжений; результаты экспериментального исследования НДС несущей системы полуприцепа; оценка долговечности элементов конструкции, выполненная по результатам экспериментального исследования при совместном действии нормальных и касательных напряжений.

Объем и структура работы. Диссертация включает 210 страниц текста и состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы из 91 наименования и содержит 95 иллюстраций, 12 таблиц и 1 приложение на 62 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы научная проблема, цель исследования, основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор исследований по рассматриваемой проблеме, сформулированы цель и задачи работы. Отмечено, что в решении научно-технической проблемы оценки ресурса элементов несущих систем машин имеются вопросы, решение которых позволит совершенствовать методы оценки ресурса элементов системы.

Исследованию оценки НДС элементов конструкций и их долговечности посвящены работы: Д.И. Беренова, В.В. Болотина, Ю.С. Борисова, В.Е. Боровских, Н.Ф. Бочарова, Р.К. Вафина, В.В. Вейбулла, Д. Генри, Э.И. Григолюка, Г. Гровера, A.C. Гусева, Р. Гэттса, С.С. Дмитриченко, В.Н. Зузова, В.П. Когаева, Дж. Коллинза, В.А. Колокольцева, Л.В. Коновалова, И.В. Кудрявцева, Дж. Майнера, У.Х. Мюнзе, И.А. Одинга, Н.В. Олейника, Н.М. Панкратова, Г.С. Писаренко, Е.К. Почтенного, Д.Н. Решетова, O.A. Русанова, В.А. Светлицкого, А.Ф.

Селихова, C.B. Серенсена, JI.A. Сосновского, В.Т. Трощенко, В.И. Труфякова, Э.Я. Филатова, JI.M. Школьника и P.M. Шнейдеровича и других.

Анализ исследований указанных авторов показал, что большое количество конструктивных решений несущих систем машин не гарантируют установленной вероятности неразрушения в процессе работы. Наиболее часто эксплуатационным разрушениям подвержены элементы несущей системы, находящиеся в районах крепления элементов подвесок. Типичными, как и у других мобильных машин, являются разрушения лонжеронов в районах крепления задней подвески, в районах крепления пневмоэлементов, шкворня и креплений рессор мостов. Причиной разрушений, которые вызывают большие трудозатраты при восстановлении конструкции, являются концентраторы напряжений в виде сосредоточенных сил, сварных швов, отверстий под болты. Ремонт таких конструкций является дорогим, на длительное время выводит транспортное средство из эксплуатации, и прошедшая ремонт конструкция имеет малый ресурс эксплуатации.

Все это предопределяет проведение научно-исследовательских работ по выбору оптимальной конструкции полуприцепа, обеспечивающей безремонтный пробег за весь срок службы, что позволит в связи с ростом автомобильных грузоперевозок на внутреннем и внешнем рынках удовлетворить потребности потребителей в парке большегрузных, универсальных полуприцепов отечественного производства с параметрами, отвечающими Правилам ЕЭК ООН.

Во второй главе обоснована принятая расчетная модель полуприцепа.

Анализ конструктивных особенностей автомобильных рам и рам полуприцепов показывает, что в них можно выделить некоторые характерные области, в пределах которых целесообразно использовать различные модели механики деформируемого твердого тела. Например, НДС пролетов балок достаточно точно описывается соотношениями теории тонкостенных стержней; в зонах узловых соединений и вблизи вырезов более обоснованным является применение различных теорий пластин и оболочек. Поэтому наиболее эффективными расчетными моделями являются комбинированные, когда НДС различных областей (фрагментов) конструкции описывается различными математическими моделями.

Расчет НДС рамы полуприцепа выполнен из условия, что он представляет собой сложную систему с распределенной массой, т.е. систему с бесконечным числом степеней свободы. При этом вся система расчленяется на подконструкции (фрагменты), состоящие в свою очередь из КЭ. Такой подход означает замену системы с бесконечным числом степеней свободы системой с конечным числом степеней свободы.

Все расчеты по нахождению НДС модели полуприцепа проводились на ЭВМ с помощью пакета прикладных программ «GIFTS».

В ходе проведенной работы было рассмотрено большое количество конструктивных решений и компоновок существующих несущих систем рам полуприцепов (рис. 1), и, основываясь на полученных исходных данных, были предложены два конструктивных варианта несущей системы рамы.

Рис. 1. «BASE» - базовый вариант реальной (существующей) рамы

Рис. 3. «Ката 2» - вариант с тремя лонжеронами в районе гуся

Один из вариантов предусматривает введение Двух дополнительных продольных жесткостей в район гуся «11ата_1», см. рис. 2, а во втором варианте рассматривается конструкция с тремя лонжеронами в районе гуся «11ата_2», см. рис. 3.

; Для дальнейшего решения вопроса о выборе оптимальной

конструкции несущей системы полуприцепа с позиции НДС ее элементов рассмотрено 12 вариантов расчетных моделей, которые отличаются от

Рис. 2. «Rama l»- вариант с двумя дополнительными продольными жесткостями в районе гуся

двух базовых конструктивных вариантов применением различных сечений элементов поперечин и боковых продольных связей.

В третьей главе представлены результаты исследований НДС элементов несущих систем различных вариантов рам полуприцепов методом МКЭ.

В настоящее время в России разработаны и производятся несколько конструкций полуприцепов, несущая система которых представляет собой раму лестничного типа, имеющих, как правило, два лонжерона с двутавровым поперечным сечением, а в качестве поперечин используются уголки неравнобокие, швеллеры, двутавры и прямоугольные трубы. Опыт эксплуатации подобных конструкций как отечественного, так и зарубежного производства полуприцепов показал, что наиболее уязвимыми местами в данной конструкции являются район шкворня, гуся и район крепления осей.

В связи с этим в рамках Федеральной программы «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» были проведены работы по разработке проекта полуприцепа большой 1рузоподъемности с изотермическим кузовом. Поэтому при разработке несущей системы конструкции полуприцепа большое внимание уделено обеспечению прочности и оценке долговечности конструкции.

Расчеты выполнены из условия полной массы полуприцепа 34,5 т, то есть с учетом собственного веса, веса бензобака, запасных колес и кузова фургона, равномерно распределенного по периметру полуприцепа. Нагрузки приложены к узлам расчетной схемы. Материал, используемый в конструкции расчетной модели - сталь 09Г2С. Фиксация и подавление степеней свободы в узлах закрепления шкворня и трех осей будут выглядеть следующим образом: в районе шкворня рама закреплена в 4 узлах, то есть в каждом из 4 узлов подавляется одна степень свободы - это перемещение относительно главной оси Лу=0. Модель пневматической подвески в районе осей представлена так, что к вертикальной стойке, закрепленной на лонжероне, шарнирно закреплен один конец балки, другой конец опирается на пружину, по центру балка зафиксирована, т.е. в каждой из 6 таких опор (в центре фиксации балки) подавляется одна степень свободы - это перемещение относительно главной оси Ду=0.

Для упомянутых в предыдущей главе двух базовых вариантов предлагаемой конструкции полуприцепа подобрано множество различных сечений элементов, в результате чего получены основные варианты расчетных моделей несущих систем проектируемого полуприцепа: «11ата1_1», «Яата1_3», «11ата2_1», «Иата2_7» и «Яата15».

В результате проведения численного эксперимента методом конечных элементов получено напряженно-деформированное состояние элементов конструкции. У некоторых исследованных вариантов отмечено снижение уровня максимальных нормальных и касательных напряжений,

возникающих в сечениях лонжеронов наиболее напряженных участков расчетных схем несущих систем проектируемых рам сравнительно с базовым вариантом (табл. 1), в частности:

• в районе шкворня максимальные нормальные 43,36^69,72 МПа и касательные напряжения 30,9-^45,26 МПа в лонжеронах по сравнению с базовым вариантом 37,83 и 40,2 МПа соответственно имеют некоторую тенденцию к увеличению значений величины напряжений;

• в районе гуся наблюдается снижение величины максимальных нормальных напряжений в два раза, при том, что значение максимальных касательных напряжений остается на том же уровне;

• в районах осей также отмечено снижение величины максимальных нормальных напряжений, при незначительном снижении значений касательных напряжений;

• в наиболее напряженных участках в сечениях поперечин расчетных схем несущих систем также наблюдается снижение уровня максимальных нормальных и касательных напряжений относительно базового варианта. Экстремумы вышеперечисленных значений представлены в табл. 2.

Таблица 1

Максимумы нормальных и касательных напряжений _ в сечениях лонжеронов_

Вариант рамы 2 нагрузки, приведенные к узлам, т Масса рамы, т Максимум касатель лонже ы нормальных напряжений (числ» ных напряжений (знаменатель) по зона рассматриваемых вариантов |тель) н длине рам

Шкворень, МПа Гусь, МПа 1-я ось, МПа 2-я ось, МПа 3-я ось, МПа

Base 32 2,9 37.83 120.5 56.26 49.84 69,22

40,2 17,9 23,93 7,2 9 17,87

Ramall 32 3.055 69.72 73.57 65,54 48.83 64,36

35,68 21,58 24,43 11,14 9,61

Rama 13 32 3317 58.88 65.46 65.86 48.34 66.47

36,73 19,39 25,07 11,44 10,78

Rama2_l 32 3.547 52.64 63.03 40.18 41.18 47.95

30,9 21,1 21,05 6,8 7,33

Rama2_7 32 3.100 54,18 68.11 43.55 42,15 49.22

40,65 23,55 20,49 8,75 9,22

Rama 15 32 3.331 43.36 8152 49.17 44.26 42.94

45,26 19,77 29,21 10,5 9,76

Анализ упругих линий лонжеронов в предлагаемых вариантах расчетных схем показал, что по сравнению с базовым максимальный прогиб будет наблюдаться в районе гуся, и составит для варианта «BASE» - 9,523 мм, а для расчетных моделей проектируемых вариантов составит соответственно: «Rama 1_1» - 8,865 мм; «Rama 1_3» - 8,686 мм; «Rama 2_1» - 6,887 мм; «Rama 2_7» - 7,272 мм; «Rama 15» - 8,12 мм, из чего

следует, что предложенные варианты расчетных моделей несущих систем проектируемого полуприцепа имеют более жесткую конструкцию в сравнении с базовым вариантом.

Таблица 2

Максимумы нормальных и касательных напряжений _в сечениях поперечин___

Номер поперечины Максимумы нормальных напряжений (числитель) и касательных напряжений (знаменатель) в поперечинах рассматриваемых вариантов рам, МПа

Base Ramal 1 Ramal 3 Rama2 1 Rama2 7 Ramal 5

4,5 117.0 90,44 57,20 44,10 53,45 63.67

23,31 18,32 7,512 8,926 6,393 17,96

9,10 78,07 83,88 81,08 33,83 63.90 35,27

8,32 10,34 10,57 4,812 6,546 4,185

14,16 84,44 . 45,52 40,32 41,68 48,89 51,92

8,722 5,015 3,552 3,805 6,040 4,099

18,19 80,63 36,08 31,99 34,12 40,23 39,97

8,473 3,922 2,267 2,909 5,003 3,488

20,21 82,75 37,31 32,33 34,47 41.11 41,23

8,823 4,277 3,233 3,501 5,211 3,899

Анализируя НДС конструкций пяти вариантов несущих систем, предлагаемых к проектированию, выбран оптимальный вариант с позиции снижения уровня нормальных и касательных напряжений в наиболее нагруженных участках рамы в сечениях лонжеронов и поперечин.

С этой целью построены эпюры максимальных* нормальных (рис. 4) и касательных (рис. 5) напряжений по левому лонжерону пяти предлагаемых к проектированию расчетных моделей рам полуприцепов большой грузоподъемности и базового варианта «Base».

Анализ эпюр максимальных нормальных и касательных напряжений предлагаемых вариантов расчетных моделей, приведенных к базовому варианту «Base», показал, что в варианте расчетной модели несущей системы рамы проектируемого полуприцепа «Rama2_l» имеет место значительное снижение уровня величин максимальных нормальных и касательных напряжений в наиболее нагруженных участках рамы: так, в районе шкворня величина касательных напряжений снизилась с 40,2 МПа у «Base» до 30,9 МПа у «Rama2__l»; в районе гуся величина нормальных напряжений упала в 2 раза и составила 63,03 МПа против 120,5 МПа, при неизменном уровне касательных напряжений; в районах крепления осей нормальные напряжения снизились с 69,22 МПа до уровня 47,95 МПа.

* - наибольшие напряжения в сечении вне зависимости от местоположения тензоточки в сечении.

Рис. 4. Распределение максимальных нормальных напряжений по верхней полке лонжеронов рам

-♦—Вазе -*-Р?ата1_1 Ката1_3 -•-Рата2_1 -*- Ката2_7 -+—Р?ата15

Длина лонжерона, мм

Рис. 5. Распределение максимальных касательных напряжений по стенке лонжеронов рам

Уменьшение уровня напряжений от статической нагрузки влечет за собой более позднее наступление критических состояний конструкции (таких как трещины и разломы), а также снижение величин амплитудных напряжений в динамике и. соответственно увеличение ресурса металлоконструкции рамы полуприцепа.

Для варианта расчетной модели «Rama2_7» уровень величин максимальных нормальных и касательных напряжений в сечениях наиболее нагруженных участков рамы в районе шкворня^ гуся и крепления осей выше на 3-5 %, но и масса конструкции несущей системы составляет 3,1 т, что на 12,5 % меньше, чем у варианта «Rama2_l».

Учитывая, что уровень величин максимальных нормальных и касательных напряжений в наиболее нагруженных участках рамы в районе шкворня, гуся и крепления осей сохраняется в пределах уровня в 50 МПа, данный вариант был принят для дальнейшего проектирования.

С позиции организации опытного производства данной конструкции полуприцепа большой грузоподъемности, и в связи с тем, что у варианта «Rama2_7» используются в большей части нестандартные профили, не котирующиеся на свободном рынке металлопроката, в производство опытного образца был запущен вариант расчетной модели «Ramal5», у которого максимальные нормальные и касательные напряжения в сечениях лонжеронов рамы на 10-15% выше, чем у варианта «Rama2_7».

Предлагаемая данным проектом конструкция полуприцепа будет удовлетворять Правилам ЕЭК ООН, иметь меньшую стоимость, что позволит обеспечить отечественного грузоперевозчика качественными сертифицированными средствами для перевозки грузов различной номенклатуры.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования НДС конструкции разработанной несущей системы полуприцепа от действия статической нагрузки.

По результатам численного эксперимента несущей системы рамы была разработана схема наклейки датчиков для проведения реального эксперимента в статике и оценки НДС конструкции с позиции сравнительного анализа реального и численного экспериментов.

Для проведения статических испытаний и измерения действующих значений напряжений в исследуемой конструкции применялся электротензометрический метод исследования напряженного состояния. Для получения полной характеристики напряженного состояния в точке детали применялись розетки, состоящие из трех проволочных датчиков омического сопротивления. Ранее в ходе выполненного численного эксперимента были выявлены сечения, в которых нормальные и касательные напряжения имели значительную величину. При проведении эксперимента в этих сечениях и были расположены тензорезисторы в количестве 386 штук. При испытании конструкции использовались проволочные тензодатчики на бумажной основе, базой 20 мм и сопротивлением 200 Ом.

Испытания проводились на разработанном и изготовленном образце, напряжения от действия статической нагрузки определялись в условиях, приближенных к численному эксперименту.

Испытания выполнены при нагрузке Р=140 кН, равномерно распределенной по полу полуприцепа. Для получения достоверных данных эксперимент повторялся трехкратно. По результатам исследования получены средние значения относительных деформаций, которые впоследствии и использовались для анализа.

Значения относительных деформаций фиксировались с помощью тензометрического комплекса СИИТ-2 (1000 каналов). Тензометрический комплекс состоит из следующих компонентов: блока дистанционного релейного переключения-БДРП; блока распределения - БР; блока измерения - БИ; блока интерфейса с дешифратором данных Крейт-КАМАК; персонального компьютера - ЭВМ.

Таблица 3

Нормальные напряжения, возникающие в сечениях лонжерона

Вариант рамы £ нагрузки, приведенные к узлам, г Масса рамы, Т Нормальные напряжения в численном эксперименте (числитель) и в реальном эксперименте (знаменатель)

Шкворень, МПа Гусь, МПа 1-я ось, МПа 2-я ось, МПа 3-я ось, МПа

Ката 15 32 3.331 - 43,46 -75,5 -13,5 42,59 38,88

-42,56 -67,51 -40,36 52,84 55,04

Таблица 4

Касательные напряжения, возникающие в сечениях лонжерона

разработанной рамы полуприцепа

Вариант рамы £ нагрузки, привезенные к узлам, т Масса рамы, т Касательн! (числитель ле напряжения в численном эксперименте и в реальном эксперименте (знаменатель)

Шкворень, МПа Гусь, МПа 1-я ось, МПа 2-я ось, МПа 3-я ось, МПа

Каша15 32 3.331 31 -16,5 И 10,2 15,57

34,54 35,1 13,62 34,54 37,23

В ходе эксперимента получены значения касательных и нормальных напряжений, сопоставимых с данными, полученными в ходе численного эксперимента, выборка напряжений, по наиболее нагруженным участкам лонжерона (табл. 3, 4), анализируя которые, можно заключить, что уровни нормальных и касательных напряжений в лонжеронах рамы в реальном и численном экспериментах находятся в пределах одного порядка.

Экспериментальными исследованиями установлено, что результаты численного эксперимента близки к реальным данным. Таким образом, можно отметить, что на начальном этапе проектирования, при грамотном подходе к созданию расчетной схемы конструкции, достаточно проводить численный эксперимент, а в дальнейшем испытывать конструкцию в металле. И в то же время необходимо отметить, что уровни касательных напряжений в сечениях конструкции, полученные в ходе реального

эксперимента, достаточно высоки, что позволяет заключить о необходимости учета их влияния при оценке долговечности.

В пятой главе выполнена оценка ресурса элементов конструкции несущей системы при действии переменных нормальных и касательных напряжений.

Для записи переменных нормальных и касательных напряжений в эксперименте была усовершенствована измерительная система на базе платформы с процессором «Intel - Pentium 1» для регистрации сигналов от 8 тензодатчиков в частотном диапазоне от 0 до 20 Гц. В данный тензометрический комплекс входят следующие приборы: персональный компьютер с ПО; плата АЦП «JIA-70 М4»; адаптер; тензоусилитель ТОПАЗ-З; тензодатчики.

Для записи переменных напряжений, действующих в исследуемой конструкции, также применялся электротензометрический метод исследования напряженного состояния, описанный ранее.

Переменные значения деформации тензодатчиков, записанные на жесткий диск персонального компьютера посредством платы сбора данных АЦП «ЛА-70 М4», представляют собой записи случайных процессов (рис. 6).

Для извлечения необходимой информации из записей тензометрирования, записанной в условиях эксплуатации, для оценки уровней нагруженности при расчетах деталей на долговечность, применялись методы, основанные на замене реального случайного процесса нагружения некоторым схематизированным процессом, который по уровню накопленного в детали усталостного повреждения эквивалентен реальному процессу. При этом используются методы схематизации полных циклов. В настоящее время расчеты ресурса при схематизации действительного процесса методом полных циклов хорошо согласуются с результатами, полученными при эксплуатации конструкций.

3.0E+07

я 2ЛЕ+07

в 2.0Е+07 «Г

5 I.5E+07 « 1,0Е+07 1 5.0Е+06 i ОЛЕ+ОО * -ЗДЕ+Об -I.0E+07

—Нормальные напряжения iio оси Y а Нормальные напряжения по оси X —Касательные напряжения

Число реализаций процесса, период -6с

Рис. 6. Фрагмент записанного случайного процесса изменения величин амплитудных напряжений

Записи выполнялись для розетки датчиков, наклеенных на элементе несущей системы рамы.

Запись переменных напряжений проводилась при движении автомобиля по асфальту в удовлетворительном состоянии со скоростью У=40 км/ч. Общий пробег автомобиля в процессе записи составил 9 км.

Величины переменных касательных напряжений рассчитывались по известной зависимости из курса «Сопротивление материалов»:

где х - касательное напряжение; Е - модуль упругости первого рода; ц -коэффициент Пуассона; £45 - относительная упругая деформация под углом 45"; ех - относительная упругая деформация вдоль оси X; е> -относительная упругая деформация вдоль оси У.

Полученные записи случайных процессов изменения величин напряжений в дальнейшем обрабатывались по специально разработанной программе. Программный модуль включал в себя следующие этапы: центрирование процесса; анализ стационарности; представление дискретного процесса изменения амплитуды с малым шагом квантования; расчет дискретных величин переменных касательных напряжений.

В итоге обработки зафиксированных массивов напряжений на этом этапе получены дискретные процессы изменения величин нормальных и касательных напряжений.

В дальнейшем полученные процессы изменения амплитудных напряжений схематизировались методом полных циклов по ГОСТ 25.10183 и в результате обработки были получены гистограммы распределения амплитуд переменных нормальных и касательных напряжений.

Усталостная долговечность по нормальным амплитудным напряжениям рассчитана по зависимости, приведенной у В.П. Когаева

где Хп - усталостная долговечность; т„ - наклон левой ветви кривой усталости; ст.]Д - предел выносливости при симметричном цикле; Nq -абсцисса точки перелома кривой усталости; aaj - амплитудное напряжение, соответствующее i-му блоку нагружения; vifi - число циклов в блоке нагружения.

Для анализа усталостной долговечности по нормальным напряжениям приняты данные: с.,и=35 МПа, mc=3,86, NG=5x 1Q6.

Усталостная долговечность с учетом касательных амплитудных напряжений соответственно рассчитана по зависимости

Ziitff 1

лг =

1гагао,5г_1д rairxviб'

При этом в расчетах усталостной долговечности по касательным напряжениям принято: т.и=21 МПа, m,=3,86, NG=5><106.

Медианная долговечность конструкции, приведенная В.П. Когаевым, учитывающая нормальные и касательные напряжения, для частного случая при та~ mT= m примет вид

i _ ЯахЯТ

Л — -т .

По имеющимся зависимостям для и ^ выполнены расчеты усталостной долговечности (рис. 7).

Оценка выполнена для нескольких вариантов: долговечность, рассчитанная при совместном действии переменных нормальных и касательных напряжений и равных значениях ш0=шт=ш; долговечность, рассчитанная для случая совместного действия нормальных и касательных напряжений при фиксированном значении т„=3,86 и изменяющемся 3,86<mt<6, и долговечность, рассчитанная для случая анализа только по величинам нормальных напряжений и отдельно по величинам непосредственно касательных напряжений.

6

5,5

Ь

В 43

3,5

_ _ ---- А. .......■■) -1 ■

I 1 А i А. ■......—........—-4:-.............-£•..... -------—^-i----:——:---

♦ медианная долговечность при т<,=4, а 3,86<т,<6 -•-медианная долговечность при

ш,=ш,=т -^-долговечность по нормальным

напряжениям -♦-долговечность по касательным напряжениям

3,0E+03 3.0Е+04 3,0Е+05 3.0E+06

А., блоков нагружения

Рис. 7. Функция распределения усталостной долговечности /.(та, тТ)

Анализируя распределение долговечностей (рис. 7), можно отметить, что оценка долговечности конструкции при сложном напряженном состоянии в значительной степени зависит от учета касательных напряжений. Причем, если уровни переменных касательных и нормальных напряжений сопоставимы, то главенствующую роль в формировании повреждения играют касательные напряжения. При снижении величины

предела выносливости и, соответственно, нижней границы амплитудных напряжений, учитываемых в процессе накопления усталостных повреждений, резко возрастает число циклов напряжений в блоке нагружения. Последнее обстоятельство вызвано тем, что в гистограмме амплитудных напряжений наибольшую частость имеют уровни напряжений малой величины, которые не учитываются в расчетах при больших значениях предела выносливости.

С целью решения вопроса о методе оценки ресурса конструкции с учетом нормальных и касательных напряжений, планируется в дальнейшем: проведение эксперимента при различных соотношениях амплитудных нормальных и касательных напряжений; оценка ресурса элементов конструкции по записям переменных нормальных и касательных напряжений, выполненным разными методами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны 12 вариантов расчетных моделей несущих систем полуприцепа и выполнена оценка НДС элементов конструкции от действия статической нагрузки.

2. По результатам расчетов НДС установлено, что в элементах конструкции несущей системы существующего полуприцепа в наиболее нагруженных участках рамы наблюдается высокий уровень как нормальных, так и касательных напряжений: в районе шкворня напряжения составляют 37,83 и 40,2 МПа, в районе гуся 120,5 и 17,9 МПа, а в районе крепления 3-й оси 69,22 и 17,87 МПа соответственно. Эксплуатация таких полуприцепов показала, что именно в сечениях этих участков развиваются повреждения, влекущие за собой отказы и разрушения металлоконструкции несущей системы полуприцепа до расчетного ресурса.

3. Разработана и внедрена в производство новая конструкция рамы полуприцепа, защищенная патентом РФ. Предложенная конструкция обеспечивает снижение уровня нормальных напряжений в опасных сечениях до 30%, что является существенным резервом увеличения ресурса рамы в эксплуатации.

4. Качественное совпадение характера изменения напряжений в расчетах и эксперименте подтверждает достоверность принятой расчетной модели и методики экспериментального исследования.

5. Экспериментальными исследованиями величин переменных напряжений в элементах конструкции выявлено, что уровень амплитудных касательных напряжений находится в пределах одного порядка с нормальными напряжениями: так, при движении по хорошему асфальту сга=(2-гЗ) МПа, та={ 1-5-1,5) МПа, при движении по

разбитому асфальту сга=8 МПа, га =(10+35) МПа. Установлено, что ресурс элемента конструкции, рассчитанный по записям нормальных и касательных напряжений, на 2 порядка меньше оценки ресурса, выполненного только по нормальным напряжениям.

6. На основании полученных результатов исследований НДС рамных конструкций (на примере полуприцепа большой грузоподъемности) можно заключить о целесообразности учета касательных напряжений при оценке ресурса элементов несущих систем.

По теме диссертации опубликованы следующие работы: Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ:

1. Лушников С.Ю. Оценка ресурса несущей системы при сложном напряженном состоянии (на примере рамы полуприцепа)/ С. Ю. Лушников // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2010. - N4 (49). - С.60-64.

2. Лушников С.Ю. Оценка ресурса несущей системы по результатам натурных динамических испытаний / С. Ю. Лушников, В. Е. Боровских // Вестник Саратовского государственного технического университета. -2008. - N2 (32). - С.26-30.

Публикации в других изданиях:

3. Лушников С.Ю. Долговечность элементов конструкций при большом числе циклов переменных нагружений / С. Ю. Лушников // Инновации в машиностроении: сб. тр. по материалам III Всерос. науч.-практ. конф. -Пенза: ПДЗ, 2003. - С. 110-112.

4. Пат. 35618 Российская Федерация, МПК 7 В 62 D 21/00. Рама транспортного средства / В. Е. Боровских, И. В. Бальзамов, С. Ю. Лушников, Н. С. Приказчиков, У. В. Боровских - № 2003132408; заявл. 12.11.03; опубл. 27.01.04. Бюл. № 3.

5. Лушников С.Ю. Разработка полуприцепа большой грузоподъемности с безремонтным пробегом за весь срок службы / С. Ю. Лушников // Всероссийский конкурс среди молодежи высших учебных заведений Российской Федерации на лучшие научные работы по естественным наукам: тез. науч. работ. - Саратов: СГТУ, 2004. - С.104-106.

6. Лушников С.Ю. Проектирование специальной машины для перевозки пассажиров-инвалидов в креслах-колясках / С. А. Черкасова, У. В. Боровских, С. Ю. Лушников // Динамика технологических систем (ДТС-2004): сб. тр. VII Междунар. науч.-техн. конф. - Саратов: СГТУ, 2004. -С.359-361.

7. Лушников С.Ю. Разработка конструкции несущей системы полуприцепа большой грузоподъемности / В. Е. Боровских, С. Ю. Лушников, У. В. Боровских // Проблемы транспорта и транспортного

строительства : сб. науч. тр.: в 2 ч. - Саратов: СГТУ, 2006. - Ч. 1. -

8. Лушников С. Ю. Оценка долговечности конструкций с учетом касательных напряжений / С. Ю. Лушников // Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности (МНПК «ЛЭРЭП-2-2007») : сб. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф.: в 2 т. - Саратов: СГТУ, 2007. - Т. 2. - С.274-277.

Лушников Станислав Юрьевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ РАМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ОЦЕНКА РЕСУРСА ЭЛЕМЕНТОВ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ Автореферат

Саратовский государственный технический университет 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

С.59-65.

Корректор О.А. Панина

Подписано в печать 03.12.10 Бум. офсет Тираж 100 экз.

Усл. печ.л. 1,0 Заказ № 401

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд.л. 1,0

Бесплатно

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙНЕСУЩИХ СИСТЕМ ПОЛУПРИЦЕПОВ.

1.1. Особенности существующих конструкций рам и корпусов транспортных машин.

1.2 Цель и задачи исследования.

Глава 2. РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ ПОЛУПРИЦЕПА.

2.1 Основные принципы моделирования конечно-элементных моделей

2.2 Особенности расчетных моделей, различных вариантов рам полуприцепов.

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ НДС ЭЛЕМЕНТОВ НЕСУЩИХ СИСТЕМ РАЗЛИЧНЫХ ВАРИАНТОВ РАМ ПОЛУПРИЦЕПОВ.

3.1 Разработка расчетной схемы и численные эксперименты по оценке НДС существующих конструкций полуприцепов.

3.2 Оценка аналогичной конструкции полуприцепа с позиции НДС ее элементов. Анализ полученных результатов. Выводы.

3.3 Варианты расчетных схем конструкций несущих систем проектируемого полуприцепа «Каша11», «Ката13», «Ката21», «1*ата27», «Ката15"».

3.4 Оценка предложенных вариантов расчетных схем конструкций полуприцепа с позиции НДС их элементов. Анализ расчетных данных. Выводы.

3.7 Обоснование конструкции рамы полуприцепа по результатам выполненных исследований и ее проектирование.

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НДС ЭЛЕМЕНТОВ ПОЛУПРИЦЕПА.

4.1 Отладка аппаратуры для статических испытаний.

4.2 Экспериментальное исследование НДС элементов конструкции полуприцепа.

4.3 Обработка результатов и выводы.

Глава 5. МЕТОД ОЦЕНКИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ НА СТАДИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА.

5.1 Разработка и отладка аппаратуры для испытаний.

5.2 Разработка и - отладка программы обработки величин переменных напряжений, распределенных по случайному закону.

5.3 Экспериментальное исследование величин переменных напряжений в элементах конструкции специального автобуса малой вместимости.

5.4 Обработка результатов и выводы.

ВЫВОДЫ.

В связи с постоянным ростом цен на топливо и металлопрокат в последние годы актуальным стал вопрос снижения массы автомобиля. Основной силой вредных сопротивлений, действующих на движущийся с небольшой скоростью автомобиль, является сила сопротивления качению шин, которая прямо пропорциональна нагрузке, передаваемой через вращающиеся колеса на дорогу. Сопротивление, возникающее па подъеме, так же пропорционально массе, автомобиля, как и преодолеваемая при ускорении автомобиля сила инерции.

Автомобилестроительные компании и поставщики оборудования затрачивают значительные средства на научные исследования по снижению расхода топлива двигателей. С этой целью совершенствуют конструкции карбюратора и системы впрыска, усложняют систему зажигания, а также организуют подачу воздуха в двигатель при помощи турбонагнетателя. В настоящее время усилия в этих направлениях практически не дают желаемых результатов и, кроме того, это приводит к усложнению и удорожанию оборудования и, не в меньшей мере, усложняет технологию изготовления.

Эффективной мерой по снижению расхода топлива является уменьшение массы механических частей и оборудования, что, в свою очередь, снижает инерционные силы сопротивления, возникающие при ускорении поступательного и вращательного движений, а также приводит к уменьшению сопротивлений качению и подъему. Важное значение для снижения массы имеют конфигурация и компоновка частей и элементов конструкции автомобиля. Например, если сделать ведущими передние колеса автомобиля, то можно избавиться от массы карданного вала и картера ведущего моста. Однако это справедливо только в том случае, когда переход от схемы с задним расположением ведущих колес к схеме с передним расположением ведущих колес проводится на стадии проектирования нового автомобиля. Если такое изменение провести на этапе, когда производство уже оснащено соответствующим технологическим оборудованием, то указанный переход может оказаться весьма дорогостоящим.

Известно, что с увеличением массы какой-либо части автомобиля одновременно увеличивается масса поддерживающих ее элементов, и, наоборот, уменьшением массы какой-либо части автомобиля можно значительно снизить массу других его деталей. Кроме того, установка более легких систем (например, меньшего двигателя) в одном месте может автоматически привести к изменениям (уменьшение размеров тормозных механизмов) в другом месте. Таким образом, существует своего рода цепная реакция: облегчение конструкции кузова обусловливает уменьшение размеров колес и т. д. Следовательно, этап проектирования конструкции в целом имеет важное значение [1].

Существует также тесная зависимость между массой автомобиля и размерами кузова, поэтому, чем компактней автомобиль, тем больше экономия топлива, получаемая в результате не только снижения массы, но и пропорционального уменьшения аэродинамического сопротивления, так как сокращается площадь поперечного сечения. Теперь при анализе конструкции кузова инженеров волнуют вопросы, как эффективно распределить массу, чтобы прикладываемые нагрузки воспринимались с минимальной концентрацией напряжений, как уменьшить аэродинамическое сопротивление обшивки кузова при помощи тщательного полирования поверхностей, как обеспечить защиту пассажиров при авариях.

Создание конструкций мобильных машин (тракторов, автомобилей, самоходных шасси, комбайнов, прицепов, погрузчиков, бульдозеров-рыхлителей и др.), работающих при переменных случайных нагрузках и обладающих минимальной металлоемкостью и требуемыми (нормативными) показателями долговечности — актуальная научно-техническая проблема на сегодняшний день. Трудность ее решения объясняется тем, что расчеты на усталость (основной наряду с износом вид повреждений, приводящих по мере накопления к предельным состояниям конструкций) часто не обеспечивают приемлемую точность оценок ресурса. Существуют объективные и субъективные причины медленного решения этой проблемы: в первую очередь, неполнота научных знаний о существе явления усталости, значительная стоимость и трудоемкость испытаний сложных натурных изделий для получения достоверных характеристик сопротивления усталости и оценок ресурса, кризис в современном отечественном машиностроении. В итоге постановка на производство новых конструкций без оценки ресурса стала причиной недостаточной прочности и снижения уровня качества мобильных машин, несмотря на многообразие конструкторско-технологических методов, разработанных в период расцвета отечественной науки о надежности в 1970 — 1990 гг.

Применяемые в настоящее время методы: назначение высоких величин коэффициентов запаса статической прочности (в диапазоне 3.12) при расчетах на квазистатическую прочность, оценка характеристик сопротивления усталости деталей по результатам испытаний стандартных образцов материалов с типичными концентраторами напряжений (надрезами, отверстиями и галтелями) или уменьшенных моделей деталей для сложных конструкций (особенно сварных) приводят к значительным погрешностям при прогнозе ресурса (из-за влияния большого числа факторов на точность оценок), к излишней металлоемкости и преждевременным отказам.

На современном этапе металлоемкость машин снижают путем совершенствования конструкций (повышение точности расчетных методов оценки нагрузок и прочности, применение современных методов ускоренных испытаний, создание конструкций новых принципов действия и др.), внедрения прогрессивных малоотходных и упрочняющих технологий, замены материалов деталей. Правильный выбор материалов — задача оптимизации по большому числу критериев, решаемая методами многокритериальной оптимизации. При замене традиционных материалов прогрессивными должно выполняться уеловие: величина коэффициента замены материала (отношение норм расхода заменяемого и заменяющего материалов) должна быть больше 1. Ориентация на применение наиболее дешевых материалов препятствует не только снижению материалоемкости, но и повышению ресурса машин. Себестоимость продукции, вопреки распространенному мнению, не может рассматриваться как единственный показатель эффективности производства. Имеется немало примеров сочетания низкой себестоимости машин с чрезмерными затратами на избыточную массу и поддержание их в работоспособном состоянии и наоборот. Вследствие этого эффективность машин необходимо оценивать системно — с учетом всех затрат на создание, производство и обеспечение работоспособности за срок службы, отнесенных к единице выполняемой работы. Подобный подход предусмотрен ГОСТ 27782-88.

Избыточная масса машин отрицательно влияет на их технические характеристики. Так, при транспортных работах она увеличивает расход топлива, при обработке почвы и других видах работ обусловливает чрезмерное уплотнение почвы и как следствие — снижение урожайности. С другой стороны, стремление снизить массу вызывает необходимость в дорогостоящих материалах и технологиях, дополнительных капиталовложениях. Поэтому можно утверждать, что существует оптимальная масса машин. Уменьшение массы снижает себестоимость производства за счет экономии материалов, но увеличивает ее из-за применения более дорогих материалов и технологий [2]. На поддержание работоспособности некоторых машии расходуется больше металла, чем на их производство. Одна из основных причин — недостаточный уровень равнопрочности в вероятностном смысле.

В последние годы большое внимание уделяется вопросам разработки конструкций несущих систем и узлов автомобилей с позиции минимальной металлоемкости и рационального использования прочностных свойств материала элементов рамы и узлов автомобиля [3].

Чтобы обеспечить достаточный ресурс металлоконструкции несущей системы автомобиля, в частности рамы, максимально снизив ее металлоемкость без ущерба для прочности, конструкторы используют расчетные схемы и методы, которые обладают высокой степенью детализации и отражают основные особенности эксплуатации несущих конструкций. Как показал опыт, комплекс программ, реализующих метод конечных элементов (МКЭ), уже на стадии проектирования несущей системы автомобиля позволяет получать сравнительную (относительно прототипа) оценку как статической, так и динамической нагруженности элементов несущей конструкции, а следовательно, принять меры по снижению ее металлоемкости [4,5].

Применение метода конечных элементов, основанного на использовании ЭВМ, при расчетах конструкций кузова может привести почти к 15 %-ному уменьшению массы по сравнению с массой, получаемой при применении эквивалентных расчетных моделей, в которых не используется метод конечных элементов [1].

Развитие автомобилестроения в наши дни в значительной степени связано с численными методами оценки прочности и долговечности элементов конструкции на стадии проектирования. В силу того, что большое число конструкций выполнено посредством сварки, особую роль при проектировании несущей системы играют исследовательские работы в области усталости сварных конструкций. Наиболее значимым и систематизированным трудом в этой области является работа [6]. В данной работе собран обширный материал по параметрам кривых усталости сварных конструкций, показано влияние различных факторов на эти параметры, даны значения пределов выносливости различных конструктивных исполнений. В меньшей степени отображены результаты испытаний конструкций, выполненных из низколегированных сталей, которые широко применяются в конструкциях мобильных машин.

Тема прочности и расчетов долговечности сварных конструкций широко представлена в работе [7], в ней рассмотрены вопросы современной оценки долговечности элементов конструкции на стадии проектирования и оценки долговечности по данным эксперимента. Представлены уникальные данные по параметрам кривой усталости в сварных соединениях для разных конструктивных исполнений.

В последнее время в. практике соединений элементов конструкций широкое применение получили болтопрессовые соединения и соединения на высокопрочных болтах. Эти соединения обеспечивают долговечность несущих систем, в 5-6 раз большую, чем сварные соединения. Решения многих вопросов по высокопрочным болтам даны в работе [8].

Таким образом, вопросы проектирования сварных элементов несущих систем достаточно подробно рассмотрены в перечисленных работах, но практически отсутствуют исследования, в которых рассматриваются вопросы проектирования несущих систем машин в целом.

Из всего вышеизложенного следует, что одним из важнейших требований к созданию конструкций несущих систем является обеспечение их ресурса по различным предельным состояниям. Для конструкций, работающих в эксплуатации при переменном нагружении, особое значение имеет сопротивление усталости при длительной эксплуатации [9,10].

К настоящему времени выполнено значительное число исследований по изучению усталостных характеристик материалов под действием рабочих нагрузок, однако их физическая сущность далеко не ясна.

Известно, что многие величины в теории сопротивления материалов являются величинами условными, к ним относятся: предел прочности, предел текучести и предел пропорциональности — все они на действительной диаграмме растяжения не имеют места. Таким же условным понятием является предел усталости - напряжение, которое в состоянии выдержать без разрушения материал при 107 циклах нагружения [11].

Кривая усталости, показывающая зависимость числа циклов нагружений от величины напряжения, представляет собой гиперболическую кривую высшего порядка. В области рабочих напряжений, обычно принимаемых для деталей машин, она незначительно наклонена к оси числа циклов нагружений, следовательно, даже небольшое уменьшение действующего напряжения должно приводить к значительному увеличению числа циклов нагружения. Небольшой наклон кривой усталости позволил ученым в середине 9 века принять за базу числа циклов нагружений К/;=107 и полагать, что для любого числа циклов выше принятого предел выносливости не уменьшается.

В наши дни проблема обеспечения сопротивления деталей машин переменным нагрузкам для своего решения требует более глубокого изучения процессов усталости. До сих пор для определения средней долговечности деталей машин приходится испытывать серию образцов детали в натуральную величину на нагрузки, фиксируемые в эксплуатации [12].

Поэтому в последние годы стал преобладать принцип обеспечения необходимого ресурса деталей с установленной вероятностью неразрушения, т.е. обеспечение необходимой и экономически целесообразной надежности периодически нагружаемых деталей.

Рассматривая усталость с точки зрения закона сохранения энергии и движения как результат потерь на гистерезис при нагружении и разгрузке, доказано, что реальные материалы имеют потери на гистерезис даже при малых нагружениях в области ниже предела пропорциональности. При большом числе циклов нагружений следует ожидать, что разрушение наступит, когда сумма площадей всех петель гистерезиса достигнет площади действительной диаграммы разрушения.

Принимая, что предел выносливости постоянен и не зависит от числа циклов нагрузки, как это делает современная теория, получим, что правая часть у кривой Вёлера при п>10 параллельна оси абсцисс, то есть при напряжении, равном пределу выносливости, деталь может выдержать бесконечно большое число циклов нагружений, и следовательно разрушение не произойдет. и

Из этого можно сделать вывод, что при числе циклов более 10 определение долговечности становится невозможным [13, 14].

Однако троллейбус, к примеру, за 15 лет эксплуатации нарабатывает о более 9x10 циклов, т.е. исходя из диаграммы Вёлера, рассчитать долговечность какого-либо его узла теоретически невозможно.

Разрушения элементов конструкций несущих систем автобусов, троллейбусов и полуприцепов, зафиксированные в эксплуатации при больших сроках службы, показали, что в процессе проектирования их несущей конструкции оценка их долговечности была выполнена недостаточно корректно. Это привело к тому, что действительная эксплуатационная долговечность оказалась ниже расчетной.

Попытки разработать методику оценки долговечности элементов несущих систем, выполненные многими учеными (C.B. Серенсен, В.П. Когаев, Д.И. Беренов), подверженных в эксплуатации действию большого числа циклов переменных нагружений, показали их недостаточную точность.

Таким образом, особенности циклической прочности конструкционных сталей в области длительных долговечностей целесообразно учитывать при назначении нормативных запасов циклической прочности деталей машин, предназначенных для длительной эксплуатации, т.е. с целью повышения точности оценки долговечности предполагается разработать методику оценки долговечности элементов конструкции с учетом снижения предела выносливости (а1Д) от числа циклов нагружений.

В свою очередь, разработка методики оценки долговечности элементов конструкций при числе циклов нагружения, превышающих базу испытания (N»N/;), позволит значительно снизить материалоёмкость конструкции и затраты на ремонт, а также более рационально использовать материалы [15].

Целыо настоящей работы является экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния высоконагруженных рамных конструкций и оценка ресурса элементов несущей системы.

На защшу выносятся: разработка моделей несущих систем существующего и проектируемого полуприцепов и оценка их напряженно-деформированного состояния; проектирование несущей системы полуприцепа, обеспечивающей снижение уровня действующих напряжений в конструкции; обоснование методики экспериментального исследования величин нормальных и касательных напряжений в элементах несущей системы полуприцепа; оценка уровня касательных напряжений в элементах конструкции от действия статической и переменной нагрузок; оценка долговечности элементов конструкции при совместном действии нормальных и касательных переменных напряжений, зафиксированных в эксперименте.

В исследовании использованы: метод конечно-элементного анализа НДС несущих систем; электротензометрический метод исследования напряженного состояния элементов конструкции, как от статической, так и от переменной нагрузок; методы математической статистики по обработке случайных процессов изменения величин переменных напряжений и оценке долговечности элементов конструкции.

Диссертационная работа состоит из 5 глав: в первой главе дан обзор исследований по рассматриваемой проблеме, сформулированы цель и задачи диссертации; во второй главе обоснована принятая расчетная модель полуприцепа; в третьей главе представлены результаты исследований НДС элементов несущих систем различных вариантов рам полуприцепов методом МКЭ; в четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования НДС готовой конструкции полуприцепа от действия статической нагрузки; в пятой главе выполнена оценка долговечности элементов конструкции при действии на последнюю переменных нормальных и касательных напряжений.

Научная новизна решений данной диссертации заключается в следующих аспектах: разработана новая конструкция несущей системы полуприцепа, обеспечивающая по сравнению с аналогами снижение уровня напряжений в опасных сечениях; предложена методика проведения эксперимента, по определению иапряженно-деформированного состояния элементов несущей системы полуприцепа, в основу которой положены результаты численного эксперимента (розетки с тензорезисторами наклеивались в сечениях с максимальными расчетными напряжениями исследуемого района рамы); выполнена оценка ресурса элементов конструкции по записям величин переменных нормальных и касательных напряжений в эксперименте, которая показала целесообразность учета касательных напряжений при оценке ресурса элементов несущей системы.

Результаты исследований использованы при проектировании несущей системы полуприцепа на ООО «ТЕРРА-ПЛЮС» и специального низкопольного автомобиля для перевозки инвалидов-колясочников на ООО «Саратовтрансремонт», а также могут быть применены при испытаниях и доработке несущих систем новых колесных машин.

Положения диссертации легли в основу выступлений автора на: III Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в машиностроении».- Пенза, 2003; Всероссийском конкурсе среди молодежи высших учебных заведений Российской Федерации на лучшие научные работы по естественным наукам. - Саратов, 2004; VII Международной научно-технической конференции «Динамика технологических систем (ДТС-2004)».-Саратов, 2004; Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (МНТЖ «ЛЭРЭП-2-2007»), - Саратов, 2007; научном семинаре кафедры ТММ / СГТУ. - Саратов, 2009.

выводы

Разработаны 12 вариантов расчетных моделей несущих систем полуприцепа и выполнена оценка напряженно-деформированного состояния элементов конструкции от действия статической нагрузки.

Г1о результатам расчетов НДС установлено, что в элементах конструкции несущей системы существующего полуприцепа в наиболее нагруженных участках рамы наблюдается высокий уровень как нормальных, так и касательных напряжений: в районе шкворня напряжения составляют 37,83 и 40,2 МПа, в районе гуся 120,5 и 17,9 МПа, а в районе крепления 3-й оси 69,22 и 17,87 МПа соответственно. Эксплуатация таких полуприцепов показала, что именно в сечениях этих участков развиваются повреждения, влекущие за собой отказы и разрушения металлоконструкции несущей системы полуприцепа до расчетного ресурса.

Разработана и внедрена в производство новая конструкция рамы полуприцепа, защищенная патентом РФ. Предложенная конструкция обеспечивает снижение уровня нормальных напряжений в опасных сечениях до 30%, что является существенным резервом увеличения ресурса рамы в эксплуатации.

Качественное совпадение характера изменения напряжений в расчетах и эксперименте подтверждает достоверность принятой расчетной модели и методики экспериментального исследования. Экспериментальными исследованиями величин переменных напряжений в элементах конструкции выявлено, что уровень амплитудных касательных напряжений находится в пределах одного порядка с нормальными напряжениями: так, при движении по хорошему асфальту сга=(2+3) МПа, та=( 1^-1,5) МПа, при движении по разбитому асфальту сга-8 МПа, га=( 10-^-35) МПа. Установлено, что ресурс элемента конструкции, рассчитанный по записям нормальных и касательных напряжений, на два порядка меньше оценки ресурса, выполненного только по нормальным напряжениям. • На основании полученных результатов исследований НДС рамных конструкций (на примере полуприцепа большой грузоподъемности) можно заключить о целесообразности учета касательных напряжений при оценке ресурса элементов несущих систем.

1. Фентон, Дж. Несущий каркас кузова автомобиля и его расчет / Дж. Фентон ; пер. с англ. К. Г. Бомштейна ; под ред. чл.-корр. АН СССР Э. И. Григолюка. М. : Машиностроение, 1984. - 200 е.: ил.

2. Дмитриченко, С. С. Методы обеспечения требуемых показателей металлоемкости и долговечности мобильных машин / С. С. Дмитриченко // Вестник машиностроения. 2003. - № 9. - С. 23-28.

3. Павленко, П. Д. Методология разработки рациональных конструкций несущей системы и ходовой части большегрузных строительных автомобилей-самосвалов : автореф. дис. . д-ра техн. наук / П. Д. Павленко. М., 2005. - 50 с.

4. Фелъзенштейн, В. С. Опыт применения программ МКЭ при проектировании облегченных несущих конструкций прицепов / В. С. Фелъзенштейн // Автомобильная промышленность. 1984. - № 2. - С. 1819.

5. Фасхиев, X. А. Концепция разработки деталей и узлов грузовых автомобилей на основе оценки их технико-экономической эффективности и конкурентоспособности : автореф. дис. . д-ра техн., наук / X. А. Фасхиев. М., 1999. - 48 с.

6. Кудрявцев, И. В. Усталость сварных конструкций / И. В. Кудрявцев, Н. Е. Наумченко. М. : Машиностроение, 1976. - 272 с.

7. Когаев, В. П. Прочность и износостойкость деталей машин / В. П. Когаев, Ю. Н. Дроздов. М : Высш. шк., 1991. - 319 с.

8. Вейнблат, Б. М. Высокопрочные болты в конструкциях мостов / Б. М. Вейнблат. М. : Транспорт, 1971. - 153 е.: ил.

9. Повышение прочности соединений поперечных и продольных элементов автомобильных рам / Г. М. Волохов и др. // Автомобильная промышленность. 1984. - № 11. - С. 12-13.

10. Волохов, Г. М. Эффективный метод повышения прочности и снижения металлоемкости несущих систем автомобилей / Г. М. Волохов, П. Д. Павленко, Ю. Н. Петер // Автомобильная промышленность. 1985. - № 2. - С. 12-13.

11. Когаев, В. П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени / В. П. Когаев. М. : Машиностроение, 1977. - 232 е.: ил.

12. Серенсен, С. В. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность : рук. и справ, пособие / С. В.Серенсен, В. П. Когаев, Р. М. Шнейдерович ; под ред. С. В. Серенсена. 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 1975. - 488 е.: ил.

13. Беренов, Д. И. Расчеты деталей на прочность. Определение долговечности и динамических усилий / Д. И. Беренов. Свердловск : Машгиз, 1959. - 216 е.: ил.

14. Расчет машиностроительных конструкций на прочность и жесткость / Н. И. Шапошников и др.. М. : Машиностроение, 1981. - 333 с.

15. Лушников, С. Ю. Долговечность элементов конструкций при большом числе циклов переменных нагружений / С. Ю. Лушников // Инновации в машиностроении : сб. тр. III Всерос. науч.-практ. конф. Пенза, 2003. - С. 110-112.

16. Проскуряков, В. Б. Динамика и прочность рам и корпусов транспортных машин / В. Б. Проскуряков. Л. : Машиностроение, 1972. - 232 е.: ил.

17. Автомобили. Конструкция, конструирование и расчет / под ред. А. И. Гришкевича. Минск : Вышэйша школа, 1985. - 450 с.

18. Автомобиль. Основы конструирования / Н. Н. Вишняков и др.. М. : Машиностроение, 1986. - 360 с.

19. Высоцкий, M. С. Грузовые автомобили : проектирование и основы конструирования / М. С. Высоцкий, Л. X. Гилелес, С. Г. Херсонский. -2-е изд., перераб. и доп. М. : Машиностроение, 1995. - 256 е.: ил.

20. Вахламов, В. К. Несущая система автомобиля : учеб. пособие / В. К. Вахламов, Н. П. Квасновская, И. Н. Порватов. М. : МАДИ, 1993. - 66 с.

21. Колесные автомобили высокой проходимости / И. В. Гринченко и др. -М. : Машиностроение, 1967. 239 с.

22. Sherman, D. W. Stresses and' deformations in truck siderail attachments / D. W. Sherman // Transactions. 1969. - Vol. 78. - P. 69-75.

23. Seitler, W. Die Entwicklung in Rahmenbau fur Nutzfahrzeuge / W. Seitler // Technische Rundschau. 1962. - Bd. 6. - № 16. - P. 25-27.

24. Гельфгат, Д. Б. Рамы грузовых автомобилей / Д. Б. Гельфгат, В. А. Ошноков. М. : Машгиз, 1959. - 232 с.

25. Аснис, А. Е. Сварные рамы грузовых автомобилей и прицепов / А. Е. Аснис, А. И. Гуляев, А. Н. Назаренко. М. : НИИавтопром, 1966. - 35 с.

26. Касьянов, В. Е. Системное обеспечение надежности машин, применяемых в мелиоративном строительстве : автореф. дис. . канд. техн. наук / В. Е. Касьянов. Ростов н/Д, 1991. - 48 с.

27. Кондратюк, В. Ф. Математические модели расчета базовых конструкций машин / В. Ф. Кондратюк. Минск : БГПА, 1999. - 120 е.: ил.

28. Галлагер, Р. Метод конечных элементов. Основы / Р. Галлагер. М. : Мир, 1984.-428 с.

29. Сегерлинд, JI. Д. Применение метода конечных элементов / JI. Д. Сегерлинд. М.: Мир, 1979. - 392 с.

30. Зенкевич, О. Д. Метод конечных элементов в технике / О. Д. Зенкевич. -М. : Мир, 1975.-318 с.

31. Иванов, А. А. Особенности построения алгоритма расчёта рам полуприцепов по методу конечных элементов /А. А. Иванов // Вестник машиностроения. 1974. - № 8. - С. 15-17.

32. Сахаров, А. С. Метод конечных элементов в механике твердых тел / А. С. Сахаров, И. Альтенбах. Киев : Вища шк., 1982. - 480 с.

33. Школьников, М. Б. Расчет несущего кузова автобуса на кручение с использованием ЭЦВМ / М. Б. Школьников, Г. Л. Ласевич // Автомобильная промышленность. 1975. - № 7. - С. 22-26.

34. Постнов, В. А. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций / В. А. Постнов, И. Я. Хархурим. Л. : Судостроение, 1974. - 344 с.

35. Русанов, О. А. О методе расчета на прочность деталей горнопроходческих машин с использованием объемных моделей / О. А. Русанов // Проблемы и перспективы развития горной техники : материалы Междунар. семинара / МГТУ. М., 1996. - С. 614-615.

36. Горбачев, К. П. Метод конечных элементов в расчетах прочности / К. П. Горбачев. Л. : Судостроение, 1985. - 255 с.

37. Пат. 35618 Российская. Федерация, МПК 7 В 62 Б 21/00. Рама транспортного средства / В. Е. Боровских, И. В. Бальзамов, С. Ю. Лушников, Н. С. Приказчиков, У. В. Боровских № 2003132408; заявл. 12.11.03; опубл. 27.01.04. Бюл. № 3.

38. Программа для расчета конструкций методом конечных элементов «ИСКРА» : справочник пользователя. Л., 1970. - 4.1. - 241 с. (Репринт).

39. Программа для расчета конструкций методом конечных элементов «ИСКРА» : справочник операторов. Л., 1970. - Ч. 2. - 227 с. (Репринт).

40. Иванов, А. А. Расчет автомобильных рам методом конечных элементов / А. А. Иванов // Автомобильная промышленность. 1973. - № 4. - С. 2628.

41. Курбатский, М. И. Машинное проектирование рам грузовых автомобилей : автореферат дис. . канд. техн. наук / М. И. Курбатский. -М., 1977. 16 с.

42. Бочаров, Н. Ф. Выбор и обоснование расчетных схем для исследования напряженно-деформированного состояния тонкостенных стержневых конструкций / Н. Ф. Бочаров, В. А. Петушков, В. Н. Зузов // Автомобильная промышленность. 1980. - № 3. - С. 15-17.

43. Мяченков, В. И. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов / В. И. Мяченков, В. П. Мальцев, В. П. Майборода. -М. : Машиностроение, 1989. 520 с.

44. Токарева, М. А. Обеспечение работоспособности транспортных средств путем уточнения метода расчета несущих систем конструкций при ихпроектировании и ремонте : автореф. дис. . канд. техн. наук / М. А. Токарева. М., 1998. - 17 с.

45. Ласевич, Л. Г. Выбор оптимальных сечений элементов рамы грузового автомобиля / Л. Г. Ласевич, М. Б. Школьников, Т. Д. Подлегаева // Автомобильная промышленность. 1975. - № 2. - С. 18-19.

46. Зузов В.Н. Исследование напряжённо-деформированного состояния кузова автобуса применительно к автоматизированному проектированиюнесущих систем автомобилей: автореф. дис.канд. техн. наук /В.Н.1. Зузов-М., 1980.- 17 с.

47. Программа для расчета конструкций методом конечных элементов «ИСКРА» : справочник элементов. Л., 1970. - Ч .3. - 300 с. (Репринт)

48. Степанский, Л. Г. Учет допустимых разрывов напряжений в расчетах методом конечных элементов / Л. Г. Степанский // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1996. - № 2. - С. 56-59.

49. Черников, С. К. О достоверности расчетных оценок напряженно-деформированного состояния рамы грузового автомобиля / С. К. Черников, Ю. В. Садчиков // Проблемы машиностроения и надёжности машин. 1998. -№3.-С. 117-121.

50. Кириллов, А. П. Методика оценки напряженно-деформированного состояния и оптимизации деталей кузова легкового автомобиля с целью снижения их массы : автореф. дис. . канд. техн. наук / А. П. Кириллов. -М., 1987. 16 с.

51. Лушников, С. Ю. Разработка полуприцепа большой грузоподъемности с безремонтным пробегом за весь срок службы / С. Ю. Лушников //

52. Всероссийский конкурс среди молодежи высших учебных заведений Российской Федерации на лучшие научные работы по естественным наукам : тез. науч. работ / СГТУ. Саратов, 2004. - С. 104-106.

53. Разработка, изготовление опытного образца и сертификация полуприцепа большой грузоподъемности, соответствующего Правилам ЕЭК ООН : отчет о НИР (заключительный) / рук. В. Е. Боровских ; исп. С. Ю. Лушников. Энгельс, 2006. - 150 с. - № ГР 01200310929.

54. ГОСТ Р 41.48-2004. Единообразные предписания, касающиеся сертификации транспортных средств в отношении установки устройств освещения и световой сигнализации. — Введ. 2000-07-01. М. : Изд-во стандартов, 2008. - 46 с.

55. ОСТ 37.001.067-86. Тормозные свойства автотранспортных средств. Методы испытаний. М. : Госкомстандарт, 1989. - 25 с.

56. ГОСТ 8769-75. Приборы внешние световые автомобилей, автобусов, троллейбусов, тракторов, прицепов и полуприцепов. Количество, расположение, цвет, углы видимости. Введ. 1976-01-01. - М.: Стандартинформ, 2006. - 18 с.

57. ГОСТ 21624-81. Система технического обслуживания и ремонта автомобильной техники. Требования к эксплуатационнойтехнологичности и ремонтопригодности изделий. Введ. 1983-01-01. -М.: Госкомстандарт, 1987. - 14 с.

58. ГОСТ 14650-69. Оси автомобильных прицепов и полуприцепов. Типы, основные параметры и размеры. Введ. 1970-07.01. - М. : Госкомстандарт, 1969. - 6 с.

59. ГОСТ 12105-74. Тягачи седельные и полуприцепы. Присоединительные размеры. Введ. 1975-01-01. - М. : Госкомстандарт, 1974. - 14 с.

60. Туричин, А. М. Электрические измерения неэлектрических величин / А. М. Туричин, П. В. Новицкий, Е. С. Левшина. 5-е изд., перераб. и доп. -Л. : Энергия, 1975. - 576 с.

61. Туричин, А. М. Проволочные преобразователи и их техническое применение / А. М. Туричин, П. В. Новицкий. Л. : Госэнергоиздат, 1957. - 171 е.: ил.

62. Сопротивление материалов. Тензометрический метод исследования напряжений : метод, указания к лабораторным работам / Сост. С. М. Шляхов и др.. Саратов : СГТУ, 1988. - 36 с.

63. Писаренко, Г. С. Справочник по сопротивлению материалов / Г. С. Писаренко, А. П. Яковлев, В. В. Матвеев. Киев : Наукова думка, 1988. -736 с.

64. ГОСТ 25.101-83. Расчеты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов. Введ. 198407-01. - М. : Госкомстандарт, 1983. - 25 с.

65. Серенсен, С. В. Руководство по расчету на усталость деталей машин / С. В. Серенсен, В. П. Когаев. М. : Машиностроение, 1972. - 107 с.

66. Яцеико, Н. Н. Колебания, прочность и форсированные испытания грузовых автомобилей / Н. Н. Яценко. М. : Машиностроение, 1972. -368 с.

67. Феодосьев, В. И. Сопротивление материалов / В. И. Феодосьев. М. : Наука, 1974. - 560 с.

68. Русанов, О. А. Анализ прочности конструкций машин с использованием современных численных методов / О. А. Русанов // Тракторы и сельхозмашины. 2002. - № 2. - С. 39-46.

69. Боровских, В. Е. Исследование прочности и расчет долговечности рам троллейбусов : дис. . канд. техн. наук / В. Е. Боровских. Саратов, 1974.- 150 с.

70. Боровских, В. Е. Оценка долговечности и совершенствование несущих систем мобильных машин на стадии проектирования : автореф. дис. . д-ра техн. наук / В. Е. Боровских. — Саратов, 1994. 39 с.

71. Иванин, В. Я. Оценка усталостной прочности несущих конструкций грузовых автомобилей методом математического моделирования / В .Я. Иванин, М. В. Зайцев //Автомобильная промышленность. 1974. - № 10.- С. 25-28.

72. Боровских, В. Е. Опыт оценки ресурса несущих систем транспортных машин / В. Е. Боровских, У. В. Боровских, В. А. Буцынский // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. -№14. - С. 55-60.

73. Дмитриченко, С. С. Расчет усталостной долговечности деталей с использованием различных методов информации о нагруженности / С. С. Дмитриченко, А. С. Гусев, И. М. Ильин // Вестник машиностроения.1965. -№3.-С 61-70.

74. Дмитриченко, С. С. Оценка долговечности автомобильных рам / С. С". Дмитриченко, Н. И. Шевченко // Труды НАМИ. 1965. - Вып. 80. - С. 3440.

75. Дмитриченко, С. С. Исследование напряженности и оценка долговечности несущих конструкций колесных машин / С. С. Дмитриченко, Н. И. Шевченко //Известия вузов. Машиностроение.1966. -№ 1. С. 42-50.

76. Богомолов, М. С. О долговечности деталей машин в условиях эксплуатации / М. С. Богомолов // Вестник машиностроения. 1969.- №3. -С. 68 -75.

77. Щурин, К. В. Прогнозирование и повышение усталостной долговечностинесущих систем сельскохозяйственных транспортных средств : дис.д-ра техн. наук / К. В. Щурин. Оренбург, 1994. - 423 с.

78. Лушпиков, С. ГО. Оценка долговечности конструкций с учетом касательных напряжений / С. Ю. Лушников // Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности (МНПК

79. ЛЭРЭП-2-2007») : сб. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф.: в 2 т. Саратов: СГТУ, 2007. - Т. 2. - С.274-277.

80. Лушников, С. Ю. Оценка ресурса несущей системы по результатам натурных динамических испытаний / С. Ю. Лушников, В. Е. Боровских // Вестник Саратовского государственного технического университета. -2008. № 32. - С .26-30.

81. Лушников, С. Ю. Оценка ресурса несущей системы при сложном напряженном состоянии (на примере рамы полуприцепа)/ С. Ю. Лушников // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2010. - № 46. - С . 60-64.