2.2 Описание конструкции исследуемой рамы и моделей

Исследуемая рама автомобиля составная, периферийного типа (такое конструктивное решение увеличивает углы поворота управляемых колес, уменьшает радиус поворота). Она состоит из двух лонжеронов переменного сечения, соединенных одиннадцатью поперечинами. Лонжероны рамы выполнены штамповкой из стального листа марки сталь 15ГЮТ толщиной 3-4 мм, имеют сечение закрытого профиля из спаренных швеллеров (это увеличивает жесткость рамы, особенно в вертикальном направлении) и закрытое прямоугольное сечение в переходных элементах между крайними и средней частями рамы нестандартного типа. Внешние стенки лонжеронов имеют окна в местах крепления нижних рычагов подвески, кроме того, V, VI и XI поперечины соединены с лонжеронами через сквозные окна в стенках, которые теоретически могут являться сильными концентраторами напряжений. Соотношение между высотой стенки и шириной полки лонжерона довольно большое ( ).

Лонжероны имеют в месте расположения колес выгибы, снижающие центр тяжести автомобиля при достаточно больших ходах колес. Наибольшее сечение лонжерона - в средней части рамы, а к краям оно уменьшается, что обеспечивает изгибную равнопрочность лонжерона, способствует уменьшению веса рамы, облегчает установку подвески, снижает высоту центра тяжести автомобиля.

Поперечины выполнены из стального листа сорта сталь 25 кп толщиной 4-8 мм в зависимости от расположения поперечины. Все поперечины, кроме I поперечины, - составного типа. I поперечина имеет сечение типа уголок; II и IX поперечины имеют нестандартное, переменное, близкое к плоскому сечение; III, IV, VIII, X поперечины – одинаковые, переменного, закрытого, сложного сечения, имеющие дополнительные полочки, что позволяет прикреплять их к горизонтальным и вертикальным полкам лонжеронов; V и VII – одинаковые, близкого к прямоугольному сечения, уменьшающегося по высоте за лонжеронами; VI поперечина – переменного прямоугольного сечения, шарнирно крепится на захватах (это увеличивает податливость рамы в средней части при кручении), усиленных на раме накладками; XI поперечина имеет сечение швеллерного типа. II, IX, XI поперечины снабжены раскосами; I и III поперечины соединены посредством дополнительных раскосов, крепящихся к ним болтами; II и III поперечины соединены сваркой; X поперечина и раскосы XI поперечины соединены болтами. I-IV, VI, VIII-X поперечины крепятся к стенкам (некоторые и к полкам), что может привести к повышению уровня напряжений, но, возможно, компенсируется удвоенной толщиной горизонтальных полок (что увеличивает прочность) за счет перекрытия швеллеров в поперечном сечении лонжерона.

Рама оснащена плоским передним плоским бампером (буфером), предотвращающим повреждение облицовки, радиатора и кузова автомобиля при случайных наездах его на препятствия, который также может быть задействован для оказания помощи застрявшим автомобилям толканием.

В конструкции рамы используются резьбовые и сварные соединения. Сварные соединения придают большую жесткость креплениям, но вызывают большие напряжения, снижают ремонтопригодность рамы и имеют остаточные (монтажные) напряжения, которые могут негативно повлиять на прочность рамы. В настоящей работе расчет сварных соединений не производился.

Помимо подробной сплошнотельной конечно-элементной модели модели, использовались упрощенная сплошнотельная, оболочечная и балочная модели, выполненные в SolidWorks и Abaqus. Геометрия оболочечных элементов модели определялась крайними поверхностями соответствующих элементов конструкции упрощенной сплошнотельной модели, а геометрия балочных элементов - линией центров тяжести элементов конструкции.

Динамическая модель автомобиля-внедорожника, выполненная во ФРУНД и примененная в настоящем исследовании, ранее использовалась в исследованиях подвески и вибронагруженности отдельных элементов автомобиля. Модель состоит из 27 основных тел, соответствующих основным агрегатам, механизмам и узлам автомобиля, соединенным упругими, демпфирующими элементами, а также кинематическими парами [25].

Из исходной трехмерной геометрии создана сплошнотельная конечно-элементная модель рамы автомобиля состоит из 28 тел, соответствующих основным ее элементам. Тела-подконструкции считались соединенными в точках, соответствующих кромкам креплений болтовых соединений, а также в местах расположения сварных швов. Сплошнотельная конечно-элементная модель в SolidWorks включает в себя 638586 тетраэдральных конечных элемента с размером 12-40 мм в зависимости от тела, 1218567 узлов, около 7309500 степеней свободы в зависимости от режима нагружения.

Упрощенные трехмерные модели рамы включают в себя 73027 тетраэдральных конечных элемента, 142614 узлов, около 855600 степеней свободы в SolidWorks и 2653 тетраэдральных и кубических конечных элемента, 6758 узлов, около 43200 степеней свободы в Abaqus.

Оболочечная конечно-элементная модель рамы включает в себя 25167 треугольных конечных элемента, 51949 узлов, около 311650 степеней свободы.

Балочные конечно-элементные модели рамы в SolidWorks и Abaqus включают в себя 549 конечных элементов, 598 узлов, около 3280 степеней свободы.