2.2 Создание конечно-элементной модели и её описание

Разбиение заданной модели на конечные элементы происходит в автоматическом режиме. Выбираем объёмный конечный элемент TET10.

Рис. 3 – Рама, разбитая на КЭ

Автоматическое разбиение поделило модель на 198315 элементов.

Рис. 4 – Скриншот с количеством КЭ в модели

Гистограмма, описывающая распределение размеров элементов в зависимости от их количества в модели, приведена на Рис. 7:

Рис. 5 – Гистограмма размеров элементов от их количества

Конечный элемент TET10 - тетраэдр с 10-ю узлами, имеющими по 3 степени свободы. Элемент позволяет проводить расчёты на пластичность, гиперупругость, выдерживает большие отклонения при деформации. [1]

Рис. 6 – Конечный элемент TET10

Т ак же автоматическое разбиение иногда включает некоторое количество конечных элементов HEX20. Это гексаэдр с 20-ю узлами - трехмерный твердотельный элемент высокого порядка с 20 узлами, который демонстрирует поведение квадратичного смещения. Элемент определяется 20 узлами, имеющими три степени свободы на каждый узел: перемещения в узловых направлениях x, y и z. Элемент поддерживает пластичность, сверх- эластичность, ползучесть, жесткость при напряжении, большой прогиб и большую деформационную способность. Он также имеет возможность смешанного расчета для моделирования деформаций почти несжимаемых упругопластических материалов и полностью несжимаемых гиперупругих материалов. [1]

Рис. 7 – Конечный элемент HEX20

2.3 Определение ограничений и приложение сил

Статические нагрузки возникают под действием собственного веса рамы и веса механизмов, кузова и полезного груза и от реакций опор рессор. Уже после сборки автомобиля в его раме возникают напряжения изгиба, составляющие 10 ~ 15% предела текучести материала.

Во время движения автомобиля по неровной дороге при максимальном закручивании рамы напряжения в ее элементах в 3 - 5 раз больше напряжений, возникающих после установки на раме кузова, агрегатов и механизмов. [4]

Для корректного осуществления расчетов и приложения нагрузки на начальном этапе необходимо рассчитать примерную развесовку автомобиля. Это необходимо для того, чтобы определить, какое воздействие масса оказывает на производительность автомобиля во время его движения.

Жесткость рамы на кручение является одним из основных критериев эффективности рамы вездехода, потому что она улучшает управляемость машины и повышает ее безопасность. Рассмотрим следующую схему нагружения, которая получается в случае, если машина на большой скорости от 50 до 80 км/ч входит в вираж. В данном случае принимаем рычаги, как абсолютно жесткие элементы, передающие изгибающий момент и момент кручения на раму, учитывая также нагрузку на это колесо, составляющую 1.2g, помноженную на массу автомобиля (до 550 кг для снаряженного вездехода особо легкого класса, с учетом массы рамы 115 кг), мы получаем силу от 3 до 4 кН в зависимости от радиуса поворота и скорости движения автомобиля. Вся эта сила будет действовать как сила кручения с плечом, равным половине колеи автомобиля (~1200 мм). Заднюю часть вездехода мы рассматриваем как находящуюся в жесткой заделке. Подобная схема дает нам понимание жесткости конструкции в средней части автомобиля, где находится водитель, наименее жесткой части конструкции с точки зрения распределения сетки рамы. Именно эта жесткость и влияет на управляемость вездехода во время поворота, исключая продольное закручивание рамы вдоль своей продольной оси. [5]

Нагрузим раму в состоянии входа в поворот. Рассмотрим нагрузку на кручение - основная задача нагружения продемонстрировать, что технологические свойства рамы останутся в прежнем состоянии и раму не свернет во время выполнения движения.

Расчет на кручение во время вхождения в поворот проведем следующим образом: к рычагу передней подвески вертикально вверх приложим силу номиналом 3000Н, симметрично, в противоположной стороне точно такая же сила прикладывается вертикально вниз. Результаты показали, что при данном усилии максимальное смещение по оси Y происходит у передней дуги всего лишь на 4,1 мм (рис. 4.10), а по оси Z на 3,5 мм (рис. 4.11).

Распределим нагрузку согласно тому, как это делается в легковых заднеприводных автомобилях: Масса вездеходного автомобиля ≈ 550 кг [4].

Рис. 9 – Схема приложения закреплений и нагрузки

Рис. 8 [2] – Распределение массы в автомобиле

2.4 Получение результатов расчёта

Чтобы получить результат, его необходимо прежде всего запросить в соответствующем разделе дерева. Набирая желаемые параметры, целесообразно получить следующий список:

Рис. 10 - Дерево результатов

2.4.1 Деформированное состояние

Р асчет с данным нагружением даёт следующие результаты для деформированного состояния:

Рис. 11 – Картина деформированного состояния

Все величины даны в м.

𝑢_𝑚𝑎𝑥 = 37.757 мм.

2.4.2 Напряжённое состояние

Рис. 12 – Картина напряженного состояния

Д ля напряженного состояния картина имеет иной вид:

Место наибольшего напряжения:

Рис. 13 – Картина напряженного состояния наиболее напряженного участка

Все значения указаны в МПа. Наибольшее из них равно: 𝜎_𝑚𝑎𝑥 ≈ 66.376 МПа

3 Анализ полученных результатов

В ходе выполнения работы, мы выяснили, что максимальная деформация происходит в срединной части рамы (𝑢 = 37.757 мм), что говорит о том, что рама не имеет достаточный запас по деформации, что является следствием нарушения принципов проектирования рамных конструкций, например, правила триангуляции - в рамной конструкции не должно наблюдаться многоугольников кроме треугольников.

Максимальное напряжение 66.376 МПа достигается на первой задней поперечине в стыке деталей, это говорит о том, что эта деталь имеет наименьший запас по прочности, соответственно, к этой детали стоит уделить особое внимание и добавить ребра жесткости или использовать иные методы укрепления и повышения жесткости.