Исследование напряжённо-деформированного состояния конструкции специального автомобиля, выполненного с применением композиционных материалов

Черкасова, Светлана Алексеевна

Исследование напряжённо-деформированного состояния конструкции специального автомобиля, выполненного с применением композиционных материалов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Черкасова, Светлана Алексеевна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Саратов МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.06 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Исследование напряжённо-деформированного состояния конструкции специального автомобиля, выполненного с применением композиционных материалов»

Автореферат диссертации на тему "Исследование напряжённо-деформированного состояния конструкции специального автомобиля, выполненного с применением композиционных материалов"

На правах рукописи

ЧЕРКАСОВА Светлана Алексеевна

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ СПЕЦИАЛЬНОГО АВТОМОБИЛЯ, ВЫПОЛНЕННОГО С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

\ •

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2013

005546247

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Боровских Валентин Ефимович

Официальные оппоненты: Савкин Алексей Николаевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», декан факультета подготовки инженерных кадров

Королёв Андрей Альбертович доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», профессор кафедры «Технология машиностроения»

Ведущая организация: Федеральное государственное

учреждение науки Институт проблем точной механики и управления Российской академии наук (г. Саратов)

Защита состоится « ^^/СА^у^ис 2013 года в А-^ часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.06 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Автореферат разослан « » 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета =—. Попов В. С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На современном этапе развития общественного транспорта в нашей стране перевозка пассажиров, относящихся к группе инвалидов с нарушением опорно-двигательного аппарата, неэффективна и является острой социальной проблемой, которая решается на уровне приоритетных федеральных программ. По данным официальной статистики, в России насчитывается не менее 13 миллионов инвалидов, или 9% населения страны. Инвалиды-колясочники не имеют возможности погрузки даже в низкопольный транспорт, в связи с его загруженностью. Поэтому возникает потребность в проектировании и создании специального автомобиля для перевозки данной категории граждан, который позволил бы им самостоятельно въезжать и выезжать из салона без посторонней помощи.

При разработке специального автомобиля для перевозки инвалидов-колясочников необходимо обеспечить следующее: малый вес, высокую прочность конструкции, высокую антикоррозийную стойкость, комфортность поездки для инвалида: его безопасность, удобство въезда и выезда из транспортного средства; малую стоимость автомобиля. Обеспечение некоторых требований, предъявляемых к специальному автомобилю, может быть реализовано посредством использования в его конструкции композиционных материалов.

Существует большое количество работ, посвященных изучению свойств полимерных композиционных материалов. Несмотря на значительные исследования, выполненные как отечественными (Л.Р.Вишняков, Д.М. Капинос, Н.И. Малинин, П.М. Огибалов, А.П. Петрова, Л.И. Тучинский), так и зарубежными учёными: К. Гурии, Дж. Гордон, А. Коттрел, Дж. Морли, А. Ставерман, Л.Р.Г. Трилор, Ч. Кейгля в данной области, и практическое применение стеклопластиков, остаётся острой проблема создания из них прочных конструкций. Это связано с недостатком знаний о прочности и деформативности стеклопластиков и изделий из них при повышенных нагрузках.

В связи с этим для создания прочных конструкций из стеклопластиков необходима оценка их напряжённо-деформированного состояния (НДС), позволяющая на стадии проектирования смоделировать процессы, способствующие изучению прочностных и деформационных свойств композитов при нагрузках, близких к эксплуатационным. Это ещё раз подтверждает, что задача расчёта НДС элементов конструкции, с учётом действующих нагрузок также является весьма актуальной.

Всё это создаёт предпосылки для создания теоретической и экспериментальной базы, позволяющей спроектировать модель и опытный образец специального транспортного средства для перевозки инвалидов-колясочников, удовлетворяющего ГОСТ 51090-97 является актуальной задачей. Создание такого автомобиля позволит принять участие в реализации правительственных социальных программ РФ по реабилитации инвалидов-колясочников.

Целью диссертационной работы является расчётно-экспериментальное исследование напряжённо-деформированного состояния для обоснования конструкции специального проектируемого автомобиля.

Объект исследования. Несущая система разработанного специального автомобиля для перевозки инвалидов в колясках.

Задачи исследования.

1. Разработать расчётную схему несущей системы проектируемого специального автомобиля, выполненного с применением металлической обшивки кузова и оценить напряжённо-деформированное состояние элементов конструкции.

2. Разработать расчётную схему несущего кузова автомобиля с обшивкой каркаса из стеклопластика.

3. Оценить влияние вклеенных стёкол на несущую способность кузова спецавтомобиля в процессе эксперимента.

4. Выполнить экспериментальные исследования напряжённо-деформированного состояния элементов несущей системы опытного образца.

5. Провести сравнительный анализ величин напряжений, полученных расчётным путём и экспериментально.

Методы исследования. Метод конечных элементов. Для изучения напряжённо-деформированного состояния элементов опытного образца в натурном эксперименте использовали метод электротензометрии.

Научная новизна

1. Исследовано влияние клеевого соединения рама — стекло на напряжённо-деформированное состояние элементов несущей системы кузова.

2. Численным экспериментом выполнена оценка напряжённого состояния элементов несущей системы при частичной замене металлической обшивки на стеклопластик.

3. Выполнен эксперимент по исследованию напряжённо -деформированного состояния элементов несущего кузова автомобиля при изгибе и кручении от действия статической нагрузки с фиксацией эквивалентных напряжений.

Практическая значимость

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволяют подвести базу для разработки эффективных методов крепления системы металл-полимер, а также возможность выявления механизма взаимодействия в данной системе крепления.

Исследование НДС элементов конструкции как при графическом моделировании так в эксперименте существенно расширяет возможности использования композиционных материалов в автомобилестроение.

Разработанная модель позволяет создать серию низкопольных автомобилей, как для перевозки пассажиров, так и груза.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов обеспечивается адекватностью используемых методов измерения, обработки и анализа экспериментальных данных. А также подтверждается удовлетворительным совпадением теоретических результатов расчёта с данными, полученными экспериментальным путём. Все оригинальные результаты воспроизводятся при многократном повторении экспериментов.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях: VIII Международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (Пенза, 2003); VIII Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2004); VII Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем «ДТС-2004» (Саратов, 2004); Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (Саратов, 2007).

Исследования, проводимые по теме диссертации, выполнялись в рамках НИР: НИР № ГР 01200310929 2006 г., НИР по гранту фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (им. Бортникова) № ГР 01200316579 2006 г.

Получен патент РФ на промышленный образец «Автомобиль для перевозки инвалидов», №56088 заявка №2003502302 от 10.10.2003 г., зарегистрирован 16.01.2005 г.; Гран при на IV Салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2009).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ.

Положения, выносимые па защиту

1. Расчётная модель несущей системы низкопольного автомобиля.

2. Результаты теоретико-экспериментальной оценки напряженно-деформированного состояния стекол, вклеенных в несущую конструкцию кузова системы.

3. Результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния несущей системы низкопольного автомобиля.

4. Специальный автомобиль для перевозки инвалидов в колясках.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы из 190 наименований. Работа состоит из 130 страниц текста, 41 рисунка, 10 таблиц и приложений на 65 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемых задач, сформулирована цель работы, её научная новизна, научно-практическая значимость, основные положения и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации носит обзорный характер. В этой главе на основе данных, опубликованных в литературе, вводятся основные понятия и рассматриваются особенности основных методов крепления системы металл-полимер.

Также рассмотрены существующие модели автотранспорта для перевозки пассажиров в инвалидных колясках, как за рубежом, так и у нас в стране. Представлены композиционные материалы, используемые в машиностроение, дана их классификация, особенности полимеров при различных нагрузках, а также функциональные особенности взаимодействия системы металл-полимер. Описываются способы крепления, на основании которых было выбрано клеевое соединение данной системы с использованием заклёпок. Также рассмотрены клеи, дана их классификация, основные характеристики и особенности.

На основе оценки свойств материалов и способов крепления были выбраны: в качестве композиционного материала в системе металл — полимер — стеклопластик; для клеевого соединения - клей на основе формальдегидных и полиэфирных смол.

Во второй главе описано создание расчётных моделей и теоретическое исследование НДС элементов несущей системы машины. Существенный вклад в исследование оценки НДС элементов различных конструкций внесли: Д.И. Беренов, В.В. Болотин, Ю.С. Борисов, В.Е. Боровских, Н.Ф. Бочаров, Р.К. Вафин, В.В. Вейбулл, Д. Генри, Э.И. Григолюк, Г. Гровер, A.C. Гусев, Р. Гэттс, С.С. Дмитриченко, В.Н. Зузов, В.П. Когаев, Дж. Коллинз, JI.B. Коновалов, И.В. Кудрявцев, Дж. Майнер, У.Х. Мюнзе, И.А. Одинг, Н.В. Олейник, Н.М. Панкратов, Г.С. Писаренко, Е.К. Почтенный, Д.Н. Решетов, O.A. Русанов, А.Н. Савкин, В.А. Светлицкий, А.Ф. Селихов, C.B. Серенсен, J1.A. Сосновский, В.Т. Трощенко и другие. Автоматизация расчёта конструкции позволила ещё на стадии проектирования предсказывать места вероятных разрушений, выбрать рациональные по критериям прочности и технологичности элементы конструкции. При создании модели использовались дискретные конечные элементы, которые образовывали сетку, покрывающую всю модель.

В зависимости от типа, ориентации и числа элементов, соединяющихся в узле, этот узел может перемещаться поступательно и вращательно вдоль осей X, Y и Z, т.е. иметь шесть степеней свободы. На основании описания соединений элементов в узлах программа объединяет свойства отдельных элементов в эквивалентные, но гораздо более сложные, характеристики полной модели. В качестве расчётной модели принята балочная система. Расчётная схема несущего кузова проектируемого автобуса составлялась в четырёх вариантах. Последний четвёртый вариант

схемы включал в себя все предыдущие варианты, т.е. каркас, выполненный в виде балочных элементов, обшивку кузова и стёкла автобуса, которые состоят из пластин и оболочек, но обшивку в автомобиле заменили со стальной с двухсторонней оцинковкой пластин на пластины из конструкционного стекловолокнистого материала АГ-4-С. Для того чтобы число элементов и узлов, образующих конечную модель кузова лежало в разумных пределах, каркас разбивался на балочные конечные элементы, таким образом, чтобы они повторяли конструктивные формы проектируемого автомобиля рис. 1.

Рис. 1 - Расчётная конечно-элементная модель специального автомобиля для перевозки инвалидов в колясках 1,2.. .п - узлы схемы; № 1, №2.. ,№п - элементы схемы; I - опорные элементы схем

Процедура формирования модели делилась на следующие шаги. Во-первых, задавали характеристики сечений элементов с помощью процессоров BEAMS или BULKS. Например, для определения характеристик элемента типа балки необходимо задать площадь поперечного сечения, высоту, ширину и толщину сечения, моменты инерции, моменты инерции кручения, центр тяжести сечения, центр изгиба. Во-вторых, задавали материал, из которого предполагалось изготовление элементов каркаса. В расчётной модели было принято в качестве материала каркаса и обшивки принять сталь СтЗкп. Материал задавали с помощью команды ELMAT, т.е. для стали СтЗкп: а3 = 500 Н/мм2, <тг= 240 Н/мм2, Е = 2,06 X 105 Н/мм2, ц = 0,29, р = 78 Н/мм3, а = 1,2 X 10"5 1/°С. При четвёртом варианте расчётной схемы использовали стеклопластик, то параметры задавали следующие: ав = 630 Н/мм2, Е = 3,98 X 104 Н/мм2, (1 = 0,26, р = 1,9 X 10"3 Н/мм3, а = 3,66 X 10~8 1/°С.

При формировании конечно-элементной сетки для обшивки кузова, состоящей из пластин и оболочек, первым делом были созданы ключевые

узлы. Если необходимо было плавно скруглить линию, то через соответствующие команды вводился дополнительный ключевой узел, который служил опорной точкой, и его положение влияло на форму дуги, но сам узел не входил в число так называемых активных узлов конструкции. По созданным узлам вдоль линий, которые указывают направление, вводится сам элемент с помощью команды ВЕАМ2. После введения всех необходимых элементов и узлов в процессоре EDITS предусмотрено графическое представление полученной расчётной схемы, показанной на рис. 1.

Для проведения расчёта задавали нагрузку или перемещение для каждой степени свободы каждого узла модели. Набор степеней свободы каждого узла определялся исходя из геометрии модели и свойств выбранных элементов, т.е. количество степеней свободы зависит от типа и ориентации всех примыкающих к нему элементов - это происходит в процессоре BULKF автоматически. Для того чтобы устранить неустойчивость модели (при задании малого количества степеней свободы) или нагруженность в отдельных узлах (при большом числе степеней свободы), необходимо было задавать условия опирания, т.е. степени свободы только в опорах.

При создании расчётной модели в местах крепления колёс были установлены опоры, две передние опоры были зафиксированы по двум осям X и Y, т.е. перемещение по этим осям запрещено, перемещение по Z и вращение по всем трём осям допускается. Две задние опоры были зафиксированы только по оси Y, т.е. перемещение по вертикальной оси запрещено, а все остальные перемещения и вращения допускаются. Все эти действия выполнялись при помощи команды SUPP, которая подавляет указанные степени свободы в выбранных узлах. После установления полного набора степеней свободы модели задаём на неё нагрузку. Одной из основных задач при проектировании было распределение нагрузки по осям машины. Оптимальным распределением нагрузок на оси, как в рабочем, так и в снаряженном состоянии является 60/40% (передняя и задняя оси). Для обеспечения этого соотношения было принято (по сравнению с первоначальным вариантом) установить два кресла для инвалидов с частичной утратой способности передвигаться. И с этой же целью кресла-коляски с инвалидами было решено развернуть в направлении обратном движению машины.

Учитывая все эти конструктивные решения распределение нагрузок в расчётной схеме, принято в соответствии с рис. 2а для первого варианта расчёта, а распределение нагрузок в схеме для четвёртого варианта расчётов показано на рис. 26.

Нагрузка прикладывается в виде распределённого давления от веса двух пассажиров с частичной утратой способности передвижения, двух пассажиров в креслах-колясках и одного сопровождающего, т.е. общий вес нагрузки 7,5 кН. Распределяем данную нагрузку по всему салону автомобиля, сосредотачивая её в узлах конструкции.

1- сосредоточенные силы; 2 - крутящий момент

Чем дальше узел находится от непосредственного приложения веса пассажиров, тем меньше он испытывает нагрузки, при этом нагрузка является отрицательной, так как направлена вниз противоположно оси Y. Таким образом, мы формируем матрицу масс полной модели. Нагрузки, прикладываемые в одном узле, суммируются. Собственный вес конструкции модели учитывается автоматически, согласно заданным начальным условиям.

Выполненная работа по созданию расчётной схемы модели проектируемого специального автомобиля для перевозки инвалидов в колясках после введения всех начальных и граничных условий и нагрузок, завершается расчётом напряжений в каждом элементе, которые записываются с помощью процессора STRESS, и определением перемещений по средствам процессора DELF. Анализ результатов расчёта производится в процессоре RESULT.

Анализируя полученную информацию о перемещениях в элементах конструкции, получаем следующую картину деформации проектируемого каркаса автомобиля представленную на рис. 3. Расчёты несущей системы машины МКЭ на изгиб выполнены для двух вариантов. В первом варианте нагрузка принята равной номинальной (рис. За), т.е. две коляски с инвалидами весом 3500 Н каждая (ГОСТ Р5 0844-95, максимальная грузоподъёмность подъёмного устройства) и три пассажира и водитель весом по 750 Н (ГОСТ Р50844-95). Во втором варианте нагрузка, действующая на машину, принята равной FHcnbITi = 1,6 ■ FHOM = 1600 кг (рис. 36).

Анализ напряженного состояния элементов конструкции показал, что наиболее нагруженными элементами конструкции являются лонжероны, поперечина, межоконная стойка борта.

Таким образом, в результате вычислительного эксперимента по определению величин напряжений в элементах несущих систем автомобиля получена качественная и количественная картина напряжённого состояния. Следовательно, имея данные о величинах напряжений в элементах конструкции, были предприняты следующие шаги: во-первых, в районе

крепления торсионной подвески введены несколько элементов для увеличения жёсткости основания.

Рис. 3 - Напряжённое состояние элементов конструкции при нагрузке Б,

Во-вторых, приняты материалы с высокими механическими характеристиками, а именно часть элементов были изготовлены из стали 09Г2 ГОСТ 17066-90. Эти процедуры были выполнены для того чтобы в будущем при эксплуатации в этих местах не возникало больших деформаций и разрушений.

Следует отметить, что общий уровень максимальных суммарных напряжений в элементах конструкции редко превышает 4СК50 МПа. Это указывает на то, что при дальнейшей разработке конструкции в элементах испытывающих минимальные напряжения возможно уменьшение сечений, что позволит уменьшить общий вес машины.

В третьей главе представлено конструктивное решение специального автомобиля для перевозки инвалидов выполненная на основе теоретических исследований, удовлетворяющее всем требованиям ГОСТ Р 51090-97.

Спроектированная машина имеет привод только на передние колёса от раздаточной коробки. Все агрегаты переднего моста автомобиля ГАЗ-27527. Задние колёса односкатные, что позволило увеличить внутренний габарит салона до необходимого по ГОСТ Р 51090. Задняя подвеска -торсионная рычажная независимая, разработанная специально для этой машины. В этой главе приведены расчёты габаритных размеров подвески, а также прочностной расчёт всех её элементов методом конечных элементов.

Кузов автомобиля представляет собой сварную конструкцию - каркас, обшитый листом. Каркас состоит из пяти основных частей: каркаса основания,

каркаса левой и правой боковин, каркаса крыши и задней двери. Каркас основания в районе крепления торсионной рычажной подвески усилен. Материал конструкции усиления низколегированная сталь марки 09Г2 ГОСТ 17066-90. Облицовочные панели выполнены из стали с двухсторонней оцинковкой, а колёсные ниши - из нержавеющей стали. В качестве несущих элементов каркаса боковин и крыши использована труба прямоугольного сечения, позволяющая без дополнительной доработки вклеивать боковые стёкла в плоскости борта, что положительно влияет на жёсткость кузова. Основная проблема с прочностью возникла на уровне несущего днища автомобиля. Отсутствие основных несущих элементов рамы — лонжеронов предопределило разработку несущего основания малой высоты (Ь=120 мм). С этой целью в качестве основных несущих элементов использованы 2-образные профили (наружная обшивка днища крепится на заклёпках), которые кроме силовой функции выполняют и вспомогательные (крепление пола). Причём в качестве силовых элементов основания использованы, только профили открытого сечения (во избежание коррозии). Основными элементами, воспринимающими изгибающий момент в конструкции основания, являются два боковых элемента в районе крепления боковины к днищу. Эти усиленные элементы оригинального сечения воспринимают нагрузку, передающуюся от крыши и бортов на основание.

После нескольких вариантов компоновки специального автомобиля была принята компоновка с основными размерами, приведёнными на рис. 4.

Рис. 4 - Компоновка и габаритные размеры машины 1 - откидная дверь-рамгта; 2 - места для колясок; 3 - места для инвалидов

В салоне предусмотрено два специальных места для расположения инвалидов в колясках. В автобусе могут располагаться не только два пассажира в инвалидных креслах-колясках, но и четыре инвалида с частичным поражением опорно-двигательной системы и сопровождающий.

Все устройства и оборудование транспортного средства, обеспечивающие крепление в салоне кресла-коляски, крепятся с помощью клеезаклёпочных соединений, что придаёт внутреннему пространству автомобиля эстетичный вид, и обеспечивает свободное перемещение инвалида в коляске по салону.

Для фиксации на месте кресла-коляски и сидящего в ней инвалида предусмотрен ремень безопасности, который одним движением пристёгивает и инвалида и кресло-коляску, и находится в зоне досягаемости для женщин, что соответствует ГОСТ Р 41.14-99 и ГОСТ Р 50884-95. По окончанию проектирования конструкции специального автомобиля для перевозки инвалидов был изготовлен промышленный образец, на который, получен патент № 56088 от 10.10.2003 г.

Данная модель позволяет модернизацию кузова, например, установку боковой двери или выполнение крыши машины из композиционных материалов, что, позволит создать семейство автомобилей предназначенных для перевозки инвалидов в креслах-колясках, пассажиров и различных габаритных грузов.

В четвертой главе описано экспериментальное исследование напряжённо-деформированного состояния элементов конструкции. По результатам численного эксперимента в статике была разработана схема наклейки датчиков для проведения реального эксперимента, что в дальнейшем позволило провести сравнительный анализ реального и численного эксперимента. Испытание проводилось на опытном образце при статической нагрузке в два этапа. Вначале проводились испытания на изгиб, потом на кручение. Первый вариант нагружения представляет собой пустой автомобиль, элементы конструкции которого испытывают напряжения от силы тяжести измерительной аппаратуры и собственного веса машины. Во втором варианте пустой автомобиль нагружался. В салоне автомобиля устанавливались грузы. Общая масса груза составляла 7000 Н. Груз был распределён в местах, предназначенных для крепления инвалидных колясок. Измерения деформаций производились тензометрическим комплексом СИИТ-2, который позволяет измерять относительную деформацию элементов, на которые наклеены датчики, с точностью до 10 кг/см". В эксперименте был использован метод электротензометрии. Для проведения эксперимента в наиболее нагруженных по результатам численного эксперимента сечениях было наклеено 395 тензорезисторов, которые представляли собой тензодатчики на бумажной основе, базой 20 мм и сопротивлением 200 Ом. По результатам эксперимента используя полученные значения средних относительных деформаций по формуле (1) вычисляли напряжения, которые впоследствии и использовались для анализа:

= =1^1+№> (1)

Анализируя значения нормальных напряжений полученных в ходе реального и численного эксперимента, приходим к выводу, что уровни этих напряжений в наиболее нагруженных местах, таких как лонжероны,

4,83МПа

поперечины и межоконные стойки борта находятся в пределах одного порядка.

Во время испытания каркаса конструкции на кручение под правым задним колесом установили неровность высотой =100 мм (которые могут встречаться на наших дорогах). Таким образом, кручение рассматривалось относительно оси проходящей между передним правым колесом и задним левым колесом. Нагрузка спецавтомобиля соответствовала процедуре нагружения при испытаниях на изгиб.

Во время экспериментального исследования НДС элементов несущей системы конструкции методом электротензометрии определялись напряжения, как в элементах каркаса, так и на стёклах пассажирского салона. Для этого были наклеены 196 датчиков на наружную поверхность стёкол, что показано на рис. 5.

Рис. 5 - Схема наклейки тензорезисторов на окне машины

Направление движения

Рис. 6 - Эпюры эквивалентных напряжений по стёклам левого борта, а) первое окно от кабины водителя; б) второе окно; в) третье окно; г) четвёртое окно;

4,585МПа

Датчики наклеивались способом прямоугольной розетки, т.е. в конкретной точке замерялись три удлинения ех, еу в направлении осей х и у, а также 845» под углом 45° к ним. В итоге, при расчете напряжений,

используем формулу (2) для нахождения деформаций:

+ {2)

По экспериментальным данным построены эгноры распределения эквивалентных напряжений по стёклам рис. 6. Максимальные напряжения возникают в районе крепления кабины водителя с несущей системой каркаса спецавтомобиля, а также в районе оконной стойки борта над задней независимой торсионной рычажной подвеской (рис. 6 в) и г)) и по центру первых трёх окон, что в свою очередь подтверждает теоретические расчёты.

С целью выявления роли остекления салона на напряженно-деформированное состояние несущей системы машины составлены две расчётные модели: несущий каркас без стёкол и со стёклами рис. 7.

Рис. 7 - Напряжённое состояние каркаса боковины с учётом остекления (а) и

без учёта остекления (б) Из теоретических расчётов видно, что напряжения меняются в зависимости от того есть стёкла в рамах или нет, так максимальные нормальные напряжения в элементах каркаса без стёкол были 2,4297 МПа -^4,3285 МПа в районе межоконных стойках борта, после установки стёкол на клей они стали 0,849 МПа^-2,3618 МПа.

Можно сказать, что клеёные стекла повышают жёсткость конструкции, воспринимая часть действующей нагрузки. В дальнейшем можно проектировать конструкции с учётом этого фактора, что позволит создавать менее металлоемкие несущие конструкции.

Основные результаты и выводы работы

1. Разработана расчётная модель несущей системы проектируемого специального автомобиля. По результатам численного эксперимента напряжённо-деформированного состояния элементов несущей системы

установлена необходимость корректировки расчётной схемы изделия, что, в свою очередь, привело к уменьшению напряжений в элементах конструкции автомобиля на стадии проектирования и, тем самым, к снижению вероятности разрушения в процессе его эксплуатации.

2. Установлено, что при замене металлической обшивки корпуса автомобиля на обшивку из стеклопластика в элементах конструкции от действия статической нагрузки нормальные напряжения не будут превышать допускаемых значений.

3. Численным экспериментом выявлено влияние клеевого соединения рама-стекло на НДС элементов несущей системы. Так, максимальные нормальные напряжения в элементах каркаса без клеевого соединения рама-стекло в районе межоконной стойки борта над задним колесом - (2,4297 МПа -^4,3285)МПа, после вклеивания стёкол напряжения снижаются (0,849 МПа-ь2,3618)МПа.

4. Экспериментальные исследования нормальных напряжений в 395 сечениях элементов конструкции показали, что наиболее нагруженными зонами несущей системы являются межоконная стойка борта и поперечина. Максимальные нормальные напряжения отмечены в сечениях элементов крепления торсионов заднего моста—43МПа и в сечениях межоконной стойки борта-20,7МПа.

5. Сравнительный анализ величин нормальных расчётных и экспериментальных значений напряжений показал качественное и количественное совпадение результатов (в пределах 5%), что позволяет заключить о достоверности принятой расчётной модели.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК Минобрнауки РФ

1. Черкасова С. А. Полимерные материалы в машиностроении и опыт их использования в корпусах автомобилей / С. А. Черкасова, В. Е. Боровских // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2011. -№ 3 (58). - Вып. 2. - С. 141-144.

2. Черкасова С. А. Специальное транспортное средство для перевозки инвалидов в колясках / С. А. Черкасова, В. Е. Боровских // Инновационная деятельность. - Саратов: СГТУ, 2013. - № 3 (26). - С. 65-68.

3. Черкасова С. А. Напряжённое состояние стёкол салона специального автомобиля / С. А. Черкасова, У. В. Боровских // Вестник Саратовский государственный технический университет. - 2013. -№3(72). -С. 181 - 184.

Патенты РФ:

4. Черкасова С. А. Патент на промышленный образец «Автомобиль для перевозки инвалидов» / Башмаков A.B., Боровских В.Е., Черкасова С.А., Буцынский В.А., Боровских У.В.; RU №56088 заявка № 2003502302 от 10.10.2003 г., зарегистрирован 16.01.2005 г.

Публикации в других изданиях

5. Черкасова С. А. Перспективы использования композиционных материалов в автостроении / С. А. Черкасова, В. Е. Боровских // Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков: сб. статей VIII Междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2003. -С. 384-389.

6. Черкасова С. А. Оценка прочностных характеристик несущей системы при проектировании низкопольного микроавтобуса / С. А. Черкасова, В. Е. Боровских, В.А. Буцынский // Современные технологии в машиностроении: сб. статей VIII Всерос. науч.-практ. конф. - Пенза: Приволжский дом знаний, 2004. - С. 69-72.

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

8. Черкасова С. А. Специальный автомобиль для перевозки инвалидов в колясках / С. А. Черкасова, В.А. Буцынский, У. В. Боровских // Актуальные проблемы транспорта Поволжья и пути их решения: межвуз. науч. сб. - Саратов: СГТУ, 2006. - С. 65-70.

9. Черкасова С. А. Влияние остекления кузова на его несущую способность / С. А. Черкасова, В.А. Буцынский, У. В. Боровских // Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности (МНПК «ЛЭРЭП-2007»): тр. Междунар. науч.-практ. конф. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2007. - С. 328-330.

10. Черкасова С. А. Специальный автобус малой вместимости для перевозки инвалидов в колясках / В. Е. Боровских, В. А. Буцынский, У. В. Боровских, С. А. Черкасова // Четвертый Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций: в 3 ч. - Ч. 2. Машиностроение, энергетика, строительство, биотехника, сельское хозяйство, IT технологии, образование. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2009. - С. 56.

Черкасова Светлана Алексеевна

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСТРУКЦИИ СПЕЦИАЛЬНОГО АВТОМОБИЛЯ, ВЫПОЛНЕННОГО С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Автореферат

Подписано в печать 25.11.13

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 209

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, E-mail: ¡zdat@sstu.ru

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 1,0 Бесплатно

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Черкасова, Светлана Алексеевна, Саратов

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

На правах рукописи

04201455283 Черкасова Светлана Алексеевна

Специальность 01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов

и аппаратуры

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Боровских В.Е.

Саратов 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЁТА НЕСУЩИХ СИСТЕМ, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ ПОЛИМЕРОВ И МЕТАЛЛОВ............................................9

1.1. Специальный транспорт для инвалидов.......................................................9

1.2. Металополимерные конструкции................................................................13

1.2.1. Пластмассы. Композиционные пластики.............................................13

1.2.2. Методы механических креплений металла и полимера.....................24

1.2.3. Клеи, используемые в соединении металл-пластик............................36

1.3. Оценка прочности композиционных конструкций...................................42

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НДС ЭЛЕМЕНТОВ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ МАШИНЫ.......................................................................49

2.1. Моделирование расчётной схемы...............................................................49

2.2. Задание начальных условий.........................................................................53

2.3. Формирование ключевых узлов, линий элементов и поверхностей обшивки......................................................................................................................57

2.4. Задание нагрузок и граничных условий.....................................................60

2.5. Результаты расчёта НДС элементов несущей системы............................65

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ СПЕЦИАЛЬНОГО АВТОМОБИЛЯ ДЛЯ ПЕРЕВОЗКИ ИНВАЛИДОВ...........................................................................77

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ......91

4.1. Объект исследования, оборудование и методы эксперимента................91

4.2. Оценка напряжений в элементах конструкции..........................................95

4.2.1. Испытания при статической нагрузке..................................................95

4.2.1.1. Изгиб.........................................................................................................96

4.2.1.2. Кручение.................................................................................................100

4.3. Оценка влияния остекления на несущую способность элементов конструкции специального автомобиля................................................................102

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................114

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ.........................................114

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................116

Приложение А ПОПЕРЕЧНЫЕ СЕЧЕНИЯ БАЛОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ........131

Приложение Б НОМЕРА ЭЛЕМЕНТОВ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ СПЕЦАВТОМОБИЛЯ.............................................................................................133

Приложение В РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ... 136

Приложение Г КАРТИНЫ ДЕФОРМАЦИИ В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ...................................................................................................152

Приложение Д НЕСУЩАЯ СИСТЕМА СПЕЦИАЛЬНОГО АВТОМОБИЛЯ. 154

Приложение Е..........................................................................................................156

Приложение Ж РАСПОЛОЖЕНИЕ ДАТЧИКОВ................................................158

Приложение И РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА....................162

Приложение К БАЛКА РАВНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ...................................192

Приложение Л РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЁТА ЭКВИВАЛЕНТНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ ПО СТЁКЛАМ В НАТУРНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ............................................193

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. На современном этапе развития общественного транспорта в нашей стране перевозка пассажиров, относящихся к группе инвалидов с нарушением опорно-двигательного аппарата, неэффективна. Это связано с практическим отсутствием специальных транспортных средств в нашей стране. По данным официальной статистики в России насчитывается не менее 13 миллионов инвалидов или 9% населения страны. Применение низкопольного транспорта также не решает проблему, поскольку позволяет пользоваться им лишь лицам, способным передвигаться на нижних конечностях, пусть и с помощью костылей или протезов. Инвалиды-колясочники не имеют возможности погрузки даже в низкопольный транспорт в связи с его загруженностью. Поэтому возникает потребность в проектировании и создании специального автомобиля для перевозки данной группы пассажиров, который позволил бы им самостоятельно въезжать и выезжать из салона без посторонней помощи.

Известно большое количество работ, посвященных изучению свойств полимерных композиционных материалов. Несмотря на значительные исследования, выполненные как отечественными (Л.Р. Вишняков, Д.М. Капинос, Н.И. Малинин, П.М. Огибалов, А.П. Петрова, Л.И. Тучинский), так и зарубежными учёными: К. Гурни, Дж. Гордон, А. Коттрел, Дж. Морли, А. Ставерман, Л.Р.Г. Трилор в данной области, и практическое применение

стеклопластиков, остаётся острой проблема создания из них прочных конструкций. Это связано с недостатком знаний о прочности и деформативности стеклопластиков и изделий из них при нагрузках.

В связи с этим для создания прочных конструкций из стеклопластиков необходима оценка их напряжённо-деформированного состояния (НДС), позволяющая на стадии проектирования смоделировать процессы, способствующие изучению прочностных и деформационных свойств композитов при нагрузках, близких к эксплуатационным. Это ещё раз подтверждает, что задача расчёта НДС элементов конструкции с учётом действующих нагрузок также является весьма актуальной.

Всё это создаёт предпосылки для создания теоретической и экспериментальной базы, позволяющей спроектировать модель и опытный образец специального транспортного средства для перевозки инвалидов-колясочников, удовлетворяющего ГОСТ 51090-97. Создание такого автомобиля является актуальной задачей и позволит принять участие в реализации правительственных социальных программ РФ по реабилитации инвалидов-колясочников.

Объектом исследования является специальный автомобиль.

В рамках работы решались следующие задачи:

- разработать расчётную схему несущей системы проектируемого специального автомобиля, выполненного с применением металлической обшивки кузова и оценить напряжённо-деформированное состояние элементов конструкции;

- разработать расчётную схему несущего кузова автомобиля с обшивкой каркаса из стеклопластика;

- оценить влияние вклеенных стёкол на. несущую способность кузова спецавтомобиля в процессе эксперимента;

- выполнить экспериментальные исследования напряжённо-деформированного состояния элементов несущей системы опытного образца;

- провести сравнительный анализ величин напряжений, полученных расчётным путём и экспериментально.

Научная новизна работы:

1. Исследовано влияние клеевого соединения рама - стекло на напряжённо-деформированное состояние элементов несущей системы кузова.

3. Выполнен эксперимент по исследованию напряжённо-деформированного состояния элементов несущего кузова автомобиля при изгибе и кручении от действия статической нагрузки с фиксацией эквивалентных напряжений.

Практическая значимость

Проведенные экспериментальные и теоретические исследования позволяют подвести теоретическую базу для разработки эффективных методов крепления системы металл - полимер, а также возможность выявления механизма взаимодействия в данной системе крепления.

Исследование НДС элементов конструкции как при графическом моделировании, так и в эксперименте существенно расширяет возможности использования композиционных материалов, что открывает новые перспективы для изучения системы металл - полимер в автомобилестроение.

Разработан специальный низкопольный автомобиль для перевозки инвалидов с нарушениями опорно-двигательного аппарата.

Разработанная модель позволяет создать серию низкопольных автомобилей для перевозки как пассажиров, так и груза.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов обеспечивается адекватностью используемых методов измерения, обработки и анализа экспериментальных данных, а также подтверждается удовлетворительным совпадением теоретических результатов расчёта с данными, полученными экспериментальным путём. Все оригинальные результаты воспроизводятся при многократном повторении экспериментов.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Расчётная модель несущей системы низкопольного автомобиля.

4. Специальный автобус для перевозки инвалидов в колясках.

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных конференциях различного уровня: VIII Международной научно-технической конференции «Проблемы машиностроения и технологии материалов на рубеже веков» (Пенза, 2003); VIII Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2004); VII Международной научно-технической конференции по динамике технологических систем «ДТС-2004» (Саратов, 2004); Международной научно-практической конференции «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (Саратов, 2007).

Исследования, проводимые по теме диссертации, выполнялись в рамках НИР: НИР № ГР 01200310929 2006 г., НИР по гранту «Фонда содействия

развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» № ГР 01200316579 2006 г.

Получен патент РФ на промышленный образец «Автомобиль для перевозки инвалидов», №56088 заявка №2003502302 от 10.10.2003 г. (зарегистрирован 16.01.2005 г.); Гран при на IV Салоне изобретений, инноваций и инвестиций (Саратов, 2009).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен 1 патент РФ.

Личный вклад соискателя

Личный вклад соискателя состоит в обосновании и разработке графической модели несущей системы автомобиля, обосновании конструкции и разработке конструкторской документации, планировании и проведении экспериментов, обработке и интерпретации полученных результатов. Постановка исследовательских задач осуществлялась совместно с профессором, д. т. н. Боровских В. Е. Исследования НДС на опытном образце проводили совместно с д.т.н. Боровских В. Е., к.т.н. Буцынским В. А., к.т.н. Пальм М. Ю. Разработка конструкции и конструкторской документации осуществлялась в коллективе: д.т.н. Боровских В. Е., к.т.н. Боровских У. В., к.т.н. Буцынский В. А., к.т.н. Пальм М. Ю., Лушников С. Ю. и Приказчиков Н. С.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЁТА НЕСУЩИХ СИСТЕМ, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ ПОЛИМЕРОВ И МЕТАЛЛОВ

1.1. Специальный транспорт для инвалидов

Одним из приоритетных направлений финансирования экономики России, утвержденных Правительством РФ, является увеличение ассигнований на социальные программы. Особенно пристальное внимание как Правительства, так и Президента РФ направлено на возвращение к нормальной жизни инвалидов [131]. Наиболее социально не защищённой является группа инвалидов с поражением опорно-двигательного аппарата. Если передвижение инвалидов в квартирах как-то возможно, то практически никак не решён вопрос с передвижениями этих инвалидов вне пределов дома (городские улицы и вся другая инфраструктура города).

Многократные попытки транспортников и конструкторов предусмотреть места в общественном транспорте для колясок инвалидов успехом не увенчались. В большинстве случаев этому «мешали» две причины: высокий пол транспортного средства и большая наполняемость машины. Таким образом, при решении проблемы передвижения инвалидов в колясках возникает потребность в создании новой машины, отвечающей всем требованиям стандарта перевозок людей с нарушениями опорно-двигательного аппарата.

Обзор зарубежной литературы [123, 128, 129, 130, 135] выявил, что к проблемам колясочников там относятся с должным вниманием. Существуют целые отрасли по производству специального транспорта. Японская компания Hiño Motors [124] выпускает мобильный автобус Hiño Poncho с задней дверью, с ровным полом и высотой от уровня земли 300 мм. Широкая задняя дверь позволяет вкатывать инвалидную коляску, одновременно можно перевозить двух пассажиров в инвалидных колясках. В Германии фирма MAN выпускает городской двухэтажный низкопольный трёхосный автобус, в котором предусмотрены специальные рампы и площадки для детских и инвалидных

колясок. Также там существуют пригородные низкопольные автобусы Mercedes-Benz Citaro LE Y, которые отличаются дизайном кузова и независимой передней подвеской. Высота пола от уровня земли 320 мм, для въезда в салон инвалида в коляске предусмотрена откидная рампа-трап. Другая немецкая компания Contrac GmbH, входящая в группу Cobus Industries, выпускает восьмиметровый туристический автобус Optimo 2300 de lux, в салоне которого можно разместить одну инвалидную коляску над багажными отсеками в жёстко фиксируемой коляске в пределах заднего свеса. Или другой пример: немецко-австрийская фирма Ernst Auwarter производит комфортабельный минибус Super Sprinter с панорамным остеклением. В зависимости от компоновки салон вмещает, помимо 15-20 пассажиров, ещё двух инвалидов в колясках. В задней части расположен подъёмник для колясок. Голландская фирма Berkhof Heerenveen выпустила городские низкопольные автобусы модели Ambassador ALE 106 и ALE 120, где, кроме обычных пассажиров, в салоне можно разместить и двух инвалидов в колясках.

Государства Восточной Европы воплощают идею о комфортабельном транспорте для инвалидов в колясках ещё с 90-х годов XX века. Например, словенская кузовная фирма Kutsenits выпускает восемнадцатиместный низкопольный ситибус City I на шасси Volkswagen Transporter Т5 с аппарелью для инвалидной коляски и битопливным газодизельным двигателем. Польский авторемонтный завод производит автобус Solsity 11, который оборудован системой наклона кузова на остановках, облегчающей вход в салон пассажиров, а для въезда инвалидов на колясках из пола дверного проёма выдвигается специальный трап.

Даже бывшие советские республики вплотную занялись проблемой перевозки инвалидов в колясках. Существуют новые автобусы Минского автомобильного завода МАЗ-ЮЗ, МАЗ-107 [125, 132, 133, 134] с принципиально новой конструкцией - низкопольные автобусы. Главное преимущество этих автобусов в том, что на остановках пол салона автобуса находится на уровне бордюрного камня тротуара независимо от его высоты: автоматическое

регулирование высоты обеспечивается электроникой. В салоне установлено оборудование для перевозки инвалидных колясок, для этого средняя дверь оснащена выдвижным трапом, и инвалидная коляска в салоне крепится ремнями. Автобус спроектирован в соответствии с европейскими стандартами, директивами ЕЭС и Правилами ЕЭК ООН.

Все импортные автобусы недоступны для организаций, которые отвечают за перевозку пассажиров с нарушениями опорно-двигательного аппарата, вследствие их высокой цены.

В нашей стране тоже пытаются решать эти проблемы [125, 126]. Например, на Санкт-Петербургском заводе «Скания-Питер» производится городской автобус Scania OmniLink, имеющий низкий пол в сочетании с широкими дверными проёмами, которые обеспечивают быструю и удобную высадку и посадку. Он оснащён специальным устройством (аппарелью) для погрузки детских и инвалидных колясок, а также системой регулирования наклона кузова в зависимости от высоты бордюра. Основным преимуществом этого автобуса является алюминиевый кузов с несущим алюминиевым каркасом, в основу сборки которого положены болтовые соединения. Такой кузов устойчив к коррозии, следовательно, срок службы данного автобуса больше. Однако головной центр фирмы «Скания-Питер» находится в Швеции, и поэтому говорить, что разработка является российской, просто некорректно, следовательно, и цена тако�