1.3 Обзор инженерно-проектных работ и научных исследований в области моделирования и конечно-элементного расчета конструкций транспортных средств

В последнее время в зарубежной и отечественной печати, на электронных ресурсах появилось множество публикаций, посвященных моделированию и инженерному анализу различных конструкций. Сегодня даже небольшие, местные научно-технические и инженерно-практические конференции немыслимы без докладов, посвященных этой тематике. Большое количество работ посвящено анализу конструкций транспортных средств, который основан обычно на методе конечных элементов.

И ранее, и сейчас наиболее популярной CAE-системой в России для анализа конструкций остается программный комплекс Ansys, но в последнее время в связи с активным развитием САПР среднего уровня, внедрением в них расчетных модулей, улучшением интерфейса пользователя предпочтение все чаще отдается более легким программным продуктам.

Вне зависимости от применяемых САПР принципы моделирования едины, а техники моделирования схожи [56]. Ниже будет приведен краткий обзор ряда работ, посвященных моделированию и инженерному анализу различных конструктивных элементов транспортных средств, в том числе рам автомобилей, выявлены тенденции в этом направлении, описаны особенности некоторых проектов.

Самым простым среди расчетов является статический расчет без учета нелинейностей. В работах [54] показан расчет рамы автомобиля КамАЗ-5325 на изгиб и кручение был выполнен с использованием современных средств моделирования. Расчетные схемы изгиба и кручения приведены соответственно на рис. 2 и рис. 3. В [54, 55] недостатком является использование классических расчетных схем и отсутствие обоснования такого выбора.

Традиционный расчет рамы проводится для одного лонжерона как для прямой балки, без учета поперечин, но современная практика подразумевает моделирование обоих лонжеронов, поперечин, а также буфера, кронштейнов, усилителей и прочих элементов [11, 35, 55].

Рис. 2 – Расчетная схема изгиба оболочечной модели рамы КамАЗ-5325

Рис. 3 – Расчетная схема кручения модели рамы КамАЗ-5325

В качестве креплений (статических граничных условий) в большинстве расчетов, в том числе статических расчетов рам на изгиб и кручение используются жесткие ограничения перемещений по трем степеням свободы, а также по одной – в местах крепления узлов подвески (в одном месте в передней и задней части каждого лонжерона) [54, 55], либо над осью колес [24], кроме того, могут применяться пружины податливости для стабилизации модели [24].

Тип конечных элементов, применяемых в модели, является важной ее характеристикой. Традиционные методики, как уже упоминалось, предлагают рассматривать раму как балку постоянного или различного сечения. В случае применения компьютерного моделирования обычно предлагается каждый элемент рамы представлять в виде оболочки определенной толщины и это достаточно хороший подход, учитывающий технологию изготовления рамы на производстве [18, 54, 55, 69]. Кроме того, не требуется значительных вычислительных мощностей, можно создать правильную, упорядоченную сетку конечных элементов. Обычно также создают балочную модель (рис. 4а, 4б) [24] с сеткой из одномерных конечных элементов, а результаты анализа балочной и оболочечной моделей сравнивают для оценки адекватности моделирования и прочих целей (рис. 5а, 5б) [20]. Но, несмотря на популярность подхода, в этом случае выполнить подробное моделирование креплений поперечин к лонжеронам затруднительно.

б

а

Рис. 4 – Схемы нагружения балочной конечно-элементной модели рамы УАЗ-3741: а – симметричная, б – кососимметричная

а

б

Рис. 5 – Карты напряжений конечно-элементных моделей рамы УАЗ-3741: а – балочной, б – оболочечной

Создание гибридных моделей с разными типами конечных элементов, использование суперэлементов [60] (рис. 6а, 6б, 6в), использование жестких тел в упругой модели [9], создание и применение специализированных конечных элементов, подробное моделирование креплений – вот лишь некоторые пути усовершенствования оболочечных и стержневых моделей.

а

б

в

Рис. 6 – Конечно-элементные сетки рамы Урал-5557 в Ansys: а – оболочечная сетка рамы, б – сетка трехмерного суперэлемента поворотной цапфы, в – сетка трехмерного суперэлемента поперечины [20]

Однако также встречаются работы, в которых рама моделируется подробно, с использованием трехмерных тел и конечных элементов и высокопроизводительных компьютерных средств. Обычно модель, точно повторяющая геометрию действительно существующей рамы автомобиля, используется редко – на финальной стадии расчета, в усталостном анализе. Распространены трехмерные упрощения модели, которые позволяют получить некоторое представление о распределении напряжений в сечениях конструктивных элементов рамы, а также изучить напряженно-деформированное состояние креплений поперечин к лонжеронам. Трехмерные конечные элементы распространены для моделирования небольших конструктивных элементов автомобиля [58, 79, 81, 90] в связи с тем, что хоть и дают подробное представление о напряженно-деформированном состоянии, в связи с большим числом в модели в сравнении с числом оболочечных элементов, требуют больших вычислительных затрат и больше подвержены накоплению вычислительной ошибки [40].

Масса агрегатов, крепящихся к раме, может учитываться [20, 24, 69] или не учитываться в анализе [54]. Иногда рамы нагружают полезной нагрузкой, в частности, если принадлежат грузовому автомобилю. Кручение рамы в статическом расчете может задаваться вертикальными перемещениями в месте крепления подвески, соответствующими повороту переднего моста вокруг продольной оси автомобиля на принятую угловую меру с учетом приблизительной крутильной жесткости рамы, например, на 5º (см. рис. 3) [55]. В работе [24] в рамках статического анализа вместо расчетов рамы на изгиб и кручение было предложено симметричное (рис. 5а) и кососимметричное нагружение (рис. 5б), имитирующее нагрузку от дороги и учитывающее совместное действие деформаций изгиба и кручения.

В случае динамических и усталостных расчетов может использоваться история нагружения, полученная экспериментально [20, 66, 69], теоретически [20, 18, 104], обработкой стандартных спектров нагружения [74, 80], или с использованием динамических моделей [48, 58].

Соединения обычно подробно не моделируются. Элементы рамы, скрепленные этими соединениями, считаются жестко связанными вдоль сварных швов, кромок отверстий болтовых и заклепочных соединений. При этом свойства соединений обычно не задаются, что не позволяет учесть прочность, усталостную долговечность соединений. Если моделирование последних имеет место быть, то либо для малых конструкций, либо отдельно от общей модели, либо оно опускается.

Анализ результатов статического расчета проводится на основании карт распределения деформаций, эквивалентных напряжений по Мизесу [9, 69, 104], интенсивности напряжений [54] (см. рис. 7а, 7б), распределение напряжений вдоль полок лонжеронов и поперечин [61], эпюр моментов (см. рис. 8) и усилий для балочных моделей [24]. После общего анализа карт полей результатов, приступают к анализу результатов отдельных ее элементов.

б

а

Рис. 7 – Поля распределения интенсивности напряжений рамы КамАЗ-5325: а – при изгибе, б – при кручении

Рис. 8 – Эпюра изгибающих моментов в вертикальной плоскости балочной модели рамы УАЗ-3741

В работе [9] в Ansys был проведен статический расчет рамного и каркасного остовов сельскохозяйственных тракторов семейства ВгТЗ. Ниже приведены карты напряжений, полученные в результате расчета (рис. 9а, 9б).

б

а

Рис. 9 – Карта напряжений в статическом анализе для несущих конструкций сельскохозяйственного трактора семейства ВгТЗ: а – рамного остова; б – каркасного остова

В работе [61] был выполнен статический анализ балочной модели рамы автомобиля УАЗ-31512 и экспериментально верифицирован.

В настоящий момент больший интерес при моделировании рамы представляют нестатические анализы, например, усталостный. Так, в работе в Ansys проведен расчет ресурса рамы автомобиля Урал-5557, был выполнен анализ на усталость на основании частотного метода, изложенного в [31, 57]. Этот метод был проверен в работе [18], где в Ansys был выполнен анализ рамы КамАЗ-6520. История нагружения в обоих случаях была составлена на основании модели, предложенной в [31].

В работах [73, 83] в Ansys был выполнен частотный анализ оболочечной модели рамы грузового автомобиля. Ниже приведена эпюра первой моды собственных форм колебаний (рис. 10а) и нагруженной рамы (рис. 10б) [83].

б

а

Рис. 10 – Эпюра первой моды колебаний рамы грузового автомобиля: а – для собственных колебаний рамы; б – нагруженной рамы автомобиля

Нестатические анализы проводятся и для других конструктивных элементов автомобиля. В работе [69] были выполнены модальный и усталостный расчеты кузова автомобиля и элементов подвески в Nastran, а также сравнены результаты усталостных повреждений на основании квазистатического метода и метода модальных суперпозиций. Была дана оценка перекрытия собственных частот конструкции частотами нагружения, для прогнозирования возможности возникновения резонанса. В анализе переходного процесса были скомбинированы деформированные статические формы напряжений и модальные коэффициенты, описывающие силы, возникающие при резонансе. В результате суперпозиции статических напряжений от статических нагрузок, было получено распределение напряжений во временной области. Этапы расчета таковы: 1) модальный анализ кузова для определения собственных частот; 2) сравнение собственных частот конструкции с частотами нагрузок, построение амплитудно-частотной характеристики для каждого канала нагружения; 3) оценка увеличения энергии при резонансе. На рис. 11а, 11б показаны карты усталостных повреждений пола кузова легкового автомобиля и силовой балки.

а

б

Рис. 11 – Карты усталостных повреждений: а - пола кузова легкового автомобиля; б - силовой балки

Достаточно значимые анализы в последнее время проводятся для элементов автомобильной подвески. В работе [81] был проведен квазистатический и частотный анализ, определены напряжения и усталостный срок службы крепления автомобильного двигателя. В работах [79] был выполнен аналогичный анализ для головки блока цилиндров. В работе [90] в Abaqus представлен усталостный анализ колесного диска автомобиля на основе метода напряжений и кривой усталости. В работах [48, 58] был освещен усталостный анализ трехмерной модели верхнего рычага подвески с использованием Abaqus, SolidWorks, ФРУНД на основе деформационного и силового методов расчета усталости. Ниже приведены карты напряжений для единичных горизонтального и вертикального нагружения в статическом анализе в SolidWorks (рис. 12а, 12б), и карты усталостного срока службы в SolidWorks (рис. 13а) и усталостных повреждений в Abaqus (рис. 13б). Также был проведен усталостный анализ нижнего рычага в SolidWorks [6].

б

а

Рис. 12 – Карты напряжений трехмерной модели верхнего рычага подвески, полученные в статическом анализе в SolidWorks: а - для горизонтального нагружения; б – для вертикального нагружения

б

а

Рис. 13 – Карты трехмерной модели верхнего рычага подвески: а - усталостного срока службы в SolidWorks; б - усталостных повреждений в Abaqus

В работах [66, 78, 80, 88, 104] в Nastran был описан усталостный анализ трехмерных моделей нижних рычагов подвесок автомобилей и определены соответствующие сроки службы на основании метода деформаций. Ниже приведены карта напряжений, полученная в результате статического расчета (рис. 14а) и эпюра эффективных пластических деформаций для одной из этих моделей (рис. 14б).

б

а

Рис. 14 – Карты трехмерной модели верхнего рычага подвески: а – напряжений из статического анализа; б – эффективных пластических деформаций

В работах [65, 67, 87] был описан динамический и частотный анализ трехмерной модели рычага автомобильной подвески, выполненный с помощью DADS и Nastran, а также проведен эксперимент для верификации. Ниже приведена эпюра, соответствующая наибольшему напряжению, возникающему на определенной частоте собственных колебаний (рис. 15) [65].

Рис. 15 – Эпюра трехмерной модели рычага с наибольшим напряжением, возникающим при одной из собственных частот колебаний

Определенный интерес помимо лонжеронных рам как несущих конструкций автомобилей, представляют несущие кузова.

В работе [42] кратко изложен процесс проектирования спортивного автомобиля с применением современных компьютерных технологий. Среди прочих расчетов следует отметить статический анализ и анализ столкновения с препятствием несущего каркаса автомобиля, выполненный в Ansys. Ниже приведена расчетная схема столкновения (рис. 16) и эпюра смещений при столкновении (рис. 17).

Рис. 16 – Расчетная схема столкновения каркаса спортивного автомобиля с препятствием в Ansys

Рис. 17 – Эпюра смещений при столкновении каркаса спортивного автомобиля с препятствием в Ansys

В работе [105] в Ansys был выполнен частотный анализ оболочечной модели несущего кузова автомобиля и предложены основные пути улучшения конструкции. Ниже приведены карты максимальной энергии деформации несущего кузова (рис. 18а) и максимального напряжения (рис. 18б), соответствующие седьмой моде собственных колебаний конструкции.

б

а

Рис. 18 – Карты для оболочечной модели несущего кузова легкового автомобиля на седьмой моде собственных колебаний: а – максимальной энергии деформации; б – максимального напряжения

В работах [84, 85] и [68] в SolidWorks и Ansys соответственно были описаны статический и частотный анализ балочных моделей несущих каркасов спортивных автомобилей. Ниже приведены карты деформаций при нагружении передней (рис. 19а) и задней частей каркаса (рис. 19б), а также эпюра вертикальных смещений при кручении (рис. 20).

б

а

Рис. 19 – Карты деформаций несущего каркаса спортивного автомобиля: а – при нагружении передней части; б – при нагружении задней части

Рис. 20 – Карта вертикальных смещений несущего каркаса спортивного автомобиля при кручении

В работе [77] в Ansys был выполнен частотный анализ балочных моделей ряда несущих каркасов кузовов автомобилей. Ниже приведены эпюры первой формы собственных колебаний двух вариантов конструкций (рис. 21а, 21б).

б

а

Рис. 21 – Карты смещений для двух вариантов конструкции несущего каркаса

1.4 Выводы

Исходя из анализа вышеперечисленных работ можно сделать следующие выводы:

1) Самый распространенный анализ несущих систем автомобиля, выполняемый с помощью компьютерных средств моделирования – традиционный статический анализ, в основе которого лежат методики, предложенные еще 30-40 лет назад;

2) Большинство исследований недостаточно акцентируют внимание на выборе расчетной схемы и ее обосновании;

3) Необходима разработка новых расчетных схем для анализа несущих систем автомобилей;

4) При инженерном анализе конструкции рамы автомобиля обязательно выполнение статического анализа на изгиб и кручение;

5) Все выполняемые виды анализов с помощью программных средств верифицируются либо с помощью других программ, либо экспериментально;

6) В настоящее время не существует какой-то единой методики инженерного анализа несущих конструкции автомобилей, все исследования в этой области в некоторой мере оригинальны;

7) Анализ конструкции проводится с использованием нескольких типов моделей, а зачастую – и нескольких типов расчетов, и нескольких программных комплексов;

8) В качестве основных тенденций в инженерном анализе рам автомобилей можно выделить: использование специальных конечных элементов или методик для решения задач исследования рам; подробное моделирование креплений поперечин, кронштейнов, агрегатов к лонжеронам и подробное моделирование приложения граничных условий; подробное моделирование сварных, болтовых, заклепочных соединений элементов лонжеронных рам; проведение различных анализов с целью получения наиболее надежной и прочной конструкции при малой металлоемкости; постепенное увеличение числа исследований трехмерных моделей рам вместо оболочечных моделей.