Характеристики механизмов разрушения

Схема	Вектор нагрузки	Разрушающая сила, кН	Начальная деформация, м10-3	Начальная энергоемкость, Нм	Допускаемая деформация, м10-3	Предполагаемая энергоемкость, Нм
Вар. 0	Р2	2,8	16,0	30	150	413
	Р1	9,4	2,7	17	70	656
Вар. 16	Р2	4,9	8,3	2,8	150	718
	Р1	12,3	1,8	1,4	70	851
Вар. 18	Р2	8,9	8,8	84	150	1341
	Р1	22,9	2,8	42	70	1549

Из сравнения приведенных в табл. 5.6 расчетных значений видно, что с увеличением жесткости кабины (от вар. 0 до вар. 18) возрастает разрушающая нагрузка и энергоемкость конструкции. И наоборот, для варианта модели с наименьшим значением жесткости наблюдается уменьшение несущих функций.

Проведенный комплексный анализ работоспособности обобщенной модели кабины подтвердил практическую значимость разработанных методов оценки безопасности и прочности конструкций, правомерность применяемых моделей, обоснованность принимаемых допущений, эффективность метода последовательных приближений и инженерного метода при проектировании конструкций. Одновременное рассмотрение вопросов безопасности, прочности и вибронагруженности кузовных конструкций позволяет более детально анализировать их несущую способность, решать общие и компромиссные задачи, целенаправленно вести поиск рациональной конструкции.

Расчеты вариантов модели, соответствующих реальным кабинам автомобилей ГАЗ-53А, ГАЗ-53-12 и ГАЗ-4301 позволили установить характер деформирования, распределения напряжений в силовых элементах в условиях действия возможных аварийных и эксплуатационных нагрузок, определить опасные режимы нагружений, выявить слабые места конструкций, оценить несущую способность, энергоемкость кабин, их безопасность, прочность и вибронагруженность. Кабины указанных автомобилей отвечают требованиям испытания В Правил ЕЭК ООН № 29. Расчетом установлено, что кабина автомобиля ГАЗ-53А выдерживает разрушающую нагрузку, равную 37,6 кН, превышающую регламентируемое значение, деформируясь в заданных пределах. Соответственно, кабины автомобилей ГАЗ-53-12 и ГАЗ-4301 имеют повышенную безопасность по сравнению с ГАЗ-53А. Расчетное значение вертикальной нагрузки для кабины ГАЗ-4301 составляет 91,4 кН. Полученные данные имеют хорошую сопоставимость с результатами экспериментов [45], [66], рассмотренными ниже, в главе 6. Безопасность, несущая способность и вибронагруженность кабины существенно зависят от характера распределения жесткости между силовыми элементами, особенностей конструкции и способа установки на раме автомобиля. Наибольшее положительное влияние на указанные свойства кабин оказывают усиления стоек лобового окна, порогов основания, силового пояса крыши по ее периметру, задней стенки кабины, включая угловые стойки, и их связей между собой. Применение одноточечной шарнирной задней опоры кабины в совокупности с дополнительными упругими упорами с каждой ее стороны обеспечивает выравнивание напряжений в целом по кабине, снижение их максимальных значений при действии скручивающих со стороны рамы нагрузок. Такой вариант крепления кабины практически не сказывается на изменении ее пассивной безопасности.

Важную роль в повышении безопасности, прочности и снижении вибронагруженности кабины играют двери, имеющие безопасные замковые устройства, плотно прилегающие к элементам проемов. Они повышают несущую способность кабины по Р_т и Р_р примерно в 2 раза при действии фронтальной нагрузки и в 1,7 раза – в случае опрокидывания автомобиля. Существенное влияние на снижение максимальных напряжений в стойках лобового окна и вибронагруженности крыши в поперечном направлении при кручении кабины оказывают мероприятия по увеличению жесткости оконного проема и, в частности, приклеивание стекла по периметру. Панель крыши при наличии жесткого каркаса по периметру не оказывает существенного влияния на несущие функции кабины. Поэтому с точки зрения снижения металлоемкости кабины и уменьшения веса заслуживает внимания рассмотрение варианта замены металлической крыши пластмассовой.

Рассмотренные варианты изменения исходной модели и отдельных силовых элементов кабины, полученные результаты в табличной и графической формах представляют необходимый для конструктора материал, позволяющий прогнозировать изменение безопасности и прочности кабины принимая определенные конструктивные решения при проектировании и доводке кабин грузовых автомобилей.

5.1.1. Оценка и повышение несущей способности кабин грузовых

автомобилей ГАЗ-3307, ГАЗ-4301, опытного образца ГАЗ-3301, КамАЗ-4320,

по условиям безопасности, прочности и снижения металлоемкости

На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований несущей способности кабины автомобиля ГАЗ-53-12 и оценки ее безопасности были разработаны рекомендации, повышающие безопасность кабин, которые внедрены при разработке кабин автомобилей ГАЗ-4301, ГАЗ-3307. Основным конструктивным изменением в этих кабинах, в сравнении с предшествующей конструкцией, явилось усиление задней стенки за счет применения закрытых сечений ее вертикальных углов, введения усилителей в средней части, в местах стыковки с крышей и полом. Это соответствует рассмотренному в выше варианту 18 модели, результатам испытаний кабины ГАЗ-53-12 с усиленной задней стенкой и пенополиуретановым наполнителем, которые приведены в разд. 6. Кабины отвечают требованиям пассивной безопасности при необходимом коэффициенте запаса по несущей способности. Оценка их безопасности проведена расчетным путем на основании инженерного метода расчета и метода последовательных приближений с применением пакета ANSYS.

Рис. 5.8. Расчетная модель несущей системы автомобиля ГАЗ-3307

В процессе доводки кабины автомобиля ГАЗ-3307 были решены также практические задачи по снижению металлоемкости оперения кабины при обеспечении заданной долговечности, по повышению прочности и долговечности основания (пола) кабины. Необходимые для этого расчеты проводились МКЭ с использованием пакета ANSYS на полной модели автомобиля.

На рис. 5.8 показана комбинированная модель несущей системы грузового автомобиля. Она включает модель кабины с оперением и подножками, составленную из изгибных пластинчатых конечных элементов; силовую схему рамы с направляющими устройствами подвесок, представленную стержневыми элементами, и комбинированную модель кузова (грузовой платформы), состоящую из стержневых и пластинчатых элементов. Такая модель выбрана для оценки безопасности и прочности кабины с оперением и подножками, поэтому они представлены более детально. Рама и кузов введены для воспроизведения условий их взаимодействия с кабиной и опереньем, определения внутренних усилий в местах их связей в режиме кручения полной модели. Режим кручения создавался вывешиванием переднего колеса при полной полезной нагрузке, а также независимо от этого действием нормированного момента.

В результате были получены значения реакций в опорах кабины и относительные перемещения опор, которые в последующем использовались в качестве возмущающих воздействий при расчетах отдельно кабины с оперением и подножками. Такая постановка процесса решения задачи позволила более тщательно проанализировать влияние дверей на несущие свойства кабины, выявить причины появления эксплуатационных дефектов в элементах пола и крыльях, разработать мероприятия и конструктивные решения по их устранению. При этом были также решены вопросы снижения металлоемкости их конструкций за счет рационального выбора усилителей панели пола, способа крепления крыльев кабины. Решение задачи осуществлялось как на модели кабины, так и на расчетных схемах ее отдельных частей.

Детальное изучение влияния конструкции пола на локальную прочность проводилось с использованием его более подробной схемы, показанной на рис. 5.9. На этом же рисунке показаны полученные расчетные изолинии напряжений в пластинчатых изгибных элементах, возникающих при действии нагрузки

Рис. 5.9. Изолинии напряжений в панели пола кабины автомобиля ГАЗ-3307. Сиденье сзади

Рис. 5.10. Изолинии напряжений в панели пола. Сиденье в переднем положении

от масс водителя и пассажира, когда сиденье водителя находится в крайнем

заднем (рис. 5.9а) положении и крайнем переднем (рис. 5.9б) положениях. Видно, что в исходной конструкции характер распределения напряжений был неравномерный. Их величина в четырех локальных зонах А, В, С и D существенно зависела от местоположения сиденья. Выполненные изменения конструкции пола, связанные с введением дополнительных выштамповок и устранением лишних стержневых усилителей, обеспечили при уменьшении массы пола выравнивание поля напряжений, снизив их максимальные значения примерно в 2 раза, что позволило устранить дефекты.

Рис. 5.11. Расчетные схемы

передка кабины (а) и крыла (б). Изолинии напряжений в

элементах

Аналогичная работа выполнена по оперению (крыльям). Подробное представление их в расчетной модели дало возможность проанализировать большое количество вариантов (около 20) изменения толщины панелей, условий крепления крыльев к кабине, раме и подножкам, установить их влияние на характер распределения напряжений, определить условия нагружения крыльев. Локальный анализ прочности крыльев исходной конструкции и вариантов изменений проведен на их отдельных подробных расчетных схемах (рис. 4.11).

Следует отметить, что картины распределения напряжений в крыльях, полученные на модели кабины и для локальных схем, имеют одинаковый характер. Выявленные расчетом слабые места конструкции и зоны концентрации максимальных нагружений соответствовали местам возникновения эксплуатационных дефектов (трещин) на опытных образцах автомобилей. Все это указывало на адекватность выбранных расчетных моделей реальной конструкции и условиям ее нагружения. Это явилось основанием для подтверждения достоверности полученных результатов по поиску рациональных конструкторских решений и разработке практических рекомендаций по устранению дефектов.