Projekt ramy szybkiego montażu, stosowanej w naczepach samochodowych, wraz z analizą wytrzymałościową

Transkrypt

1 RYPINA Łukasz 1 GRODECKI Bartłomiej 2 BARAN Jan 3 KRÓLIKOWSKI Tomasz 4 Projekt ramy szybkiego montażu, stosowanej w naczepach samochodowych, wraz z analizą wytrzymałościową WPROWADZENIE Producenci naczep i przyczep samochodowych w realiach dzisiejszego rynku zmuszeni są poszukiwać nowych, tańszych rozwiązań konstrukcyjnych. Rozwiązania te powinny zmniejszać koszty produkcji, a także być niezawodne i w pełni funkcjonalne. Głównym trendem w projektowaniu nowych rozwiązań, jest zmniejszanie masy przy zachowaniu dużej wytrzymałości. Takie podejście jest właściwe pod warunkiem, gdy konstrukcja ramy będzie wystarczająco sztywna. Częstym błędem popełnianym przez konstruktorów są rozwiązania, w których sztywność konstrukcji jest pominięta, co prowadzi w najgorszym przypadku do gubienia materiału w momencie najechania przez pojazd na nierówność [1]. Autorzy poniższej pracy proponują projekt ramy szybkiego montażu (rys. 1), który uwzględnia zmniejszenie kosztów produkcji, poprzez zmniejszenie czasu spawania poprzeczek o ok 15%. W dalszej części pracy autorzy przedstawią badania wytrzymałościowe, które pokażą, że zastosowanie poprzeczek w kształcie omega w znacznym stopniu poprawi sztywność, a co za tym idzie wytrzymałości konstrukcji ramy. Rys. 1. Rama szybkiego montażu. 1. OKREŚLENIE CELU PROJEKTOWANIA W niniejszej pracy autorzy określili cel projektowania w następujący sposób: wysoka sztywność konstrukcji ramy naczepy zapewniająca dużą wytrzymałość konstrukcji, wykonana o 15% szybciej w stosunku do znanych rozwiązań. W realizacji postawionego zadania projektowego pomogą narzędzia do wspomagania projektowania CAD/CAE (rys. 2). Właściwe określenie celu projektowania pozwoliło uszczegółowić problem, dzięki czemu w myśl zasady twórczego rozwiązywania zadań, która mówi, że ilość możliwych rozwiązań rośnie razem z ogólnym postawieniem zadania projektowego a maleje ze wzrostem liczby zakazów i ograniczeń, będzie spełniona [2]. 1 Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska, lukasz.rypina@tu.koszalin.pl 2 Romex ul. Mieszka I 13, Koszalin, Grodgier@interia.pl 3 Wydział Mechaniczny, Politechnika Koszalińska, jan.baran@tu.koszalin.pl 4 Wydział Technologii I Edukacji, Politechnika Koszalińska, tomasz.krolikowski@tu.koszalin.pl 4249

2 Rys. 2. Projekt zabudowy ramy szybkiego montażu wykonany w programie Inventor 2. WYMAGANIA FUNKCJONALNE I NIEZAWODNOŚCIOWE Projektowany obiekt nazywany ramą szybkiego montażu, ma za zadanie przewozić ładunki tj. materiały sypkie o dużej masie, wysokie gabaryty. Wymaga się od konstruktorów, aby konstrukcja ramy naczepy była sztywna i wytrzymała. Istnieje więc potrzeba doboru odpowiednich węzłów konstrukcyjnych a następnie metod obliczeniowych. Oprócz węzłów konstrukcyjnych, istotnym elementem funkcjonowania i niezawodności obiektu jest dobór odpowiedniego materiału, z którego będzie wykonana rama naczepy, zapewniającego wysoką wytrzymałość [1, 8, 9]. W dalszej części pracy autorzy proponują rozwiązania spełniające stawiane wymagania [3]. WYMAGANIA TECHNOLOGICZNE I EKONOMICZNE Zaproponowane przez autorów rozwiązanie konstrukcyjne ramy naczepy w znacznym stopniu ma zmniejszyć czas produkcji ramy co w konsekwencji zmniejszy koszty produkcji. Dodatkowym atutem konstrukcji jest prostota montażu poprzeczek ramy (rys. 3). B A Rys. 3. Sposób montowania poprzeczek łączących podłużnice: A miejsce wycięcia otworów montażowych, B miejsca połączeń spawanych. Odpowiednie wycięcia otworów montażowych A (rys. 3) w podłużnicy, umożliwiają szybki montaż. Dzięki takiemu rozwiązaniu unika się dodatkowych operacji w czasie spawania konstrukcji 4250

3 tj.: dokładne rozmieszczenie poprzeczek wg. rysunku dostarczonego przez technologa. Zaproponowane rozwiązanie pozwala także ograniczyć dodatkowe oprzyrządowanie spawalnicze. Pracownicy ograniczają się jedynie do pospawania poprzeczek w wyznaczonych miejscach B (rys. 2). Takie rozwiązanie w znacznym stopniu skraca czas montażu ramy, dzięki czemu zmniejszają się koszty produkcji ramy naczepy. 3. WYMAGANIA WYNIKAJĄCE Z ZAKRESU WAŻNOŚCI MODELU MATEMATYCZNEGO Modelując obciążenia jakie działają na ramę naczepy, należy bardzo dokładnie określić cel symulacji, warunki brzegowe obiektu badań oraz model materiałowy, które zostały przedstawione w dalszej części opracowania [4]. 4. PROJEKT RAMY SZYBKIEGO MONTAŻU Przy projektowaniu ramy naczepy, należy ustalić jej wymiary oraz masę własną, w taki sposób, aby były zgodne z Kodeksem Drogowym. W skład ramy naczepy wchodzą (rys. 4): podłużnice, poprzeczki, obrzeże, płyta oporowa Rys. 4. Rama naczepy Rama naczepy szybkiego montażu, składa się z dwóch podłużnic połączonych ze sobą poprzeczkami o kształcie omega. Kształt i wymiary poprzeczki (rys. 5), określają sztywność i wytrzymałość konstrukcji. Unikatowe dla tej konstrukcji jest to, że w przewarzającej większości poprzeczki są wykonane z jednego elementu, nie są sztukowane. Zaproponowane rozwiązanie ogranicza ilość połączeń spawanych, zmniejszając przy tym czas produkcji. Całość konstrukcji nośnej zamyka obrzeże w postaci ramownicy. 4251

4 Rys. 5. Poprzeczka w kształcie omegi 5. WYBÓR MATERIAŁU STOSOWANEGO DO PRODUKCJI RAMY Materiałem wybranym do produkcji ramy jest stal 18G2A S355J2. Jest to stal stopowa o podwyższonej wytrzymałość i należy do grupy stali dobrze spawalnych. Materiał znalazł zastosowanie w konstrukcjach tj. mosty, statki, pręty do zbrojenia betonu, na zbiorniki i rury ciśnieniowe, elementy pracujące w obniżonych temperaturach, ramy naczep i przyczep samochodowych, ramy samochodowe. Stal ta bardzo dobrze nadaje się do produkcji elementów kształtowanych na zimno. Jej własności mechaniczne to: granica plastyczności minimalna Re 335 MPa, wytrzymałość na rozciąganie minimalna MPa, Obliczenia wytrzymałościowe ramy naczepy - opis badanego obiektu Obiektem badań jest rama naczepy do przewozu materiałów sypkich. Obciążona jest ona siłami pochodzącymi od przewożonego ładunku o łącznej masie 35 ton. Poniżej przedstawiono wariant obciążenia (rys. 6). Rys. 6. Wariant obciążenia ramy 6. CEL SYMULACJI Celem symulacji jest wykonanie obliczeń wytrzymałościowych konstrukcji naczepy do przewozów materiałów sypkich oraz omówienie wyników obliczeń tej konstrukcji. Analiza numeryczna pozwoli ocenić, które cechy konstrukcyjne mają wpływ na sztywność oraz wytrzymałość ramy naczepy. Na podstawie otrzymanych wyników wyznaczono naprężenia w elementach konstrukcyjnych, które pochodzą od działających na konstrukcję sił [5] 4252

5 Wielkościami wejściowymi są: Siły działające od przewożonych ładunków F [N]. Stałe materiałowe. Wielkości wyjściowe: Przemieszczenia węzłów w ramie. Odkształcenia sprężyste materiału. Naprężenia zastępcze Hubera-Misesa. Zmienne niezależne: Wymiary geometryczne obiektu (x, y, z). Czas (t). 7. MODEL FIZYCZNY Model fizyczny (rys. 7) pokazuje rozkład sił działających na ramę pojazdu od przewożonego ładunku, obciążeń własnych i sił bezwładności. Rys. 7. Schemat obciążenia Obciążenie zostało zamodelowane poprzez przyłożenie sił w miejscach, w których umieszczany będzie ładunek. F z = m z ( Q c -Q nr ) gdzie: m z - bezwymiarowy współczynnik wzdłużnych sił masowych, Q c - ciężar całkowity nadwozia, Q nr - ciężar mas nieresorowanych. W skład założeń zaliczamy: model materiałowy jednorodny w całej swej objętości, nie została uwzględniona sztywność ładunku przy założonym obciążeniu, co może wpływać na wyniki obliczeń konstrukcji ramy. Pominięcie sztywności oznacza analizowanie gorszych warunków od rzeczywistych, założono, że w przypadku naczepy oddziaływanie dynamiczne siły jest 1,5 razy większe od obciążeń statycznych. W wyniku tego otrzymane wyniki dla przypadku I obciążenia naczepy kontenerem podczas jazdy zostały pomnożone przez współczynnik kd=1.5. Na podstawie badań samochodu ciężarowego przy prędkości jazdy wynoszącej 11 m/s otrzymano współczynniki dynamiczne: nawierzchnia bardzo zniszczona -2,5, bruk 1,5, polna droga średniej jakości 1,8, polna droga złej jakości -2,0 [6]. Otrzymany iloczyn zostanie porównany z wartościami obliczonych naprężeń. Naprężenia wynikające dla trzech pozostałych przypadków obciążenia nie będą brane pod uwagę przez autorów pracy. W modelu numerycznym uwzględniono geometrie i sprężystość zawieszenia osi naczepy. Przyjęto wartość sprężystości elementów resorujących zawieszenia naczepy na poziomie 350 N/mm. Zakres pracy miecha (do zblokowania) 170 mm od pozycji do jazdy. W przypadku odebrania stopni swobody w miejscu, gdzie naczepa opiera się o siodło ciągnika uwzględniono geometrię siodła oraz 4253

6 sprężystość zawieszenia ciągnika. Dopuszczono obrót w podporze względem osi poprzecznej pojazdu (mocowanie wahliwe siodła). 8. MODEL KOMPUTEROWY Komputerowy model numeryczny utworzono z użyciem aplikacji Ansys Workbench. Budowa modelu przebiegała według następujących etapów: utworzono model geometryczny ramy naczepy do przewozu materiałów sypkich, określono metody obliczeń oraz skalę dyskretyzacji, zdefiniowano materiały użyte w symulacji, modele wytrzymałościowe, dobrano rodzaj kontakt, zdefiniowano parametry warunków brzegowych. Model geometryczny ramy naczepy został przygotowany za pomocą programu Autodesk Inventor. Rys. 8. Model dyskretny ramy naczepy Symulację przeprowadzono za pomocą programu Ansys Workbench dla przypadku przestrzennego stanu odkształcenia. W celu sprawdzenia wytrzymałości konstrukcji oraz określenia wartości naprężeń i odkształceń posłużono się metodą całkowania niejawnego - zwaną metodą Implicit. W rozwiązywanym przypadku macierz sztywności układu przyjmuje ogólną postać [7]: [K]{u}={F} (4) gdzie: [K] globalna macierz sztywności konstrukcji o wymiarze M x M, M liczba stopni swobody całej konstrukcji, {u} wektor niewiadomych przemieszczeń węzłowych o wymiarze M, {F} dany wektor zewnętrznych zastępczych sił węzłowych o wymiarze M. 9. WYNIKI SYMULACJI Konstrukcja ramy szybkiego montażu obciążona jest równomiernie siłą Q = N (rys. 6). Rysunek 9 i 10 przedstawia wyniki naprężeń zredukowanych Hubera - Misesa podłogi ramy naczepy. Analizując wyniki naprężeń w konstrukcji podłogi, należy podkreślić zwiększoną koncentrację w przedniej części konstrukcji. Rys. 9. Rozkład naprężeń całej konstrukcji, widok od góry 4254

7 Rys. 10. Rozkład naprężeń całej konstrukcji, widok od dołu Największe koncentracje naprężeń występują w miejscach: Połączeń podłużnicy poprzeczką typu omega w okolicy czopa królewskiego (rys. 11). Wartości maksymalne naprężeń zredukowanych Hubera-Misesa w w/w miejscach wynoszą MPa. Lokalne zwiększenie wartości naprężeń jest spowodowane zjawiskiem karbu numerycznego (rys. 12). Po przeciwnej stronie (rama symetryczna) występuje naprężenie max. 200 MPa. Zjawisko karbu numerycznego jest dość częstym zjawiskiem występującym podczas obliczeń konstrukcji o dużej różnorodności kształtu oraz wielkości elementów skończonych. W celu poprawnej analizy wyników symulacji numerycznych, wymaga się od konstruktorów dużego doświadczenia w ocenie miejsc narażonych na zniszczenie lub utratę nośności konstrukcji. Rys. 11. Rozkład naprężeń w okolicy czopa królewskiego Rys. 12. Naprężenie, w którym wystąpił karb numeryczny Maksymalne wartości naprężeń nie przekraczają 80 MPa (rys. 13) w obszarze zmiany przekroju obydwu podłużnic w dolnej półce i na środnikach w miejscach wycięcia pod poprzeczki. Miejsca te są najbardziej narażone na utratę nośności, a wartości naprężeń pomnożone przez współczynnik dynamiczności kd=1.5 mieszczą się w wartościach dopuszczalnych. 4255

8 Rys. 13. Rozkład naprężeń zredukowanych w przedniej części naczepy Wartości naprężeń w okolicy mocowania wsporników wahaczy zawieszenia oraz mocowania zawieszenia pneumatycznego nie przekraczają 154 MPa (rys. 14). Rys. 14. Rozkład naprężeń w wahaczach zawieszenia Do analizy stopnia wytężenia konstrukcji nie brano pod uwagę rozkładu naprężeń w samych wspornikach wahaczy osi. Przyjęto uproszczony kształt wsporników, z zachowaniem odpowiednich wymiarów gabarytowych, grubości i właściwości materiału z jakiego zostały wykonane. Największe odkształcenia konstrukcji ramy wystąpiły w środkowej części ramy naczepy (rys. 15). Wynosiły one 3,5 mm, a najmniejsze 0,3 mm. Wyniki te świadczą o dużej sztywności konstrukcji ramy szybkiego montażu oraz dużym zapasie na nośność konstrukcji. 4256

9 Rys. 15. Odkształcenia jakie wystąpiły w naczepie w kierunku osi z PODSUMOWANIE Na podstawie przeprowadzonych obliczeń numerycznych można wnioskować, że maksymalne wartości naprężeń zredukowanych, dla elementów stalowych konstrukcji ramy występują w obszarze połączeń poprzeczek ramy nad płytą oporową z podłużnicami. Przy założeniu współczynnika działania obciążenia dynamicznego równego kd=1.5 otrzymujemy wartości naprężeń na poziomie 300 MPa, których wartości nie przekraczają wartości granicy plastyczności stali 18G2A. Biorąc pod uwagę naprężenia występujące w głównych elementach konstrukcyjnych ramy naczepy w podłużnicach, z uwzględnieniem obciążenia dynamicznego, nie przekraczają wartości 154 MPa. Wartość ta jest ponad dwukrotnie mniejsza od granicy plastyczności zastosowanego materiału. W przeprowadzonej analizie wytrzymałościowej wynika, że konstrukcja ramy, z uwzględnieniem obciążenia dynamicznego, pracować będzie w zakresie sprężystym. Oznacza to, że przy dopuszczalnej masie całkowitej, nie istnieje zagrożenie uszkodzenia konstrukcji ramy. Zaproponowane przez autorów rozwiązanie konstrukcyjne posiada dwie ważne zalety: w znacznym stopniu ogranicza czas montażu ramy na spawalni, posiada dużą sztywność i wytrzymałość konstrukcji. Są to cechy, których poszukiwanie może odbywać się jedynie za pomocą technik komputerowych, wspomagających projektowanie. Przy tak dużym stopniu zaawansowania tych technik, mamy dzisiaj kontrolę nad zachowaniem się wszystkich punktów badanego obiektu, pod różnymi rodzajami obciążeń. Streszczenie Artykuł przedstawia rozwiązanie konstrukcyjne ramy naczepy, które w stosunku do tradycyjnych rozwiązań, w znacznym stopniu umożliwia skrócenie czasu montażu. Dużą zaletą zaproponowanej konstrukcji jest wysoka sztywność i wytrzymałość konstrukcji. Spowodowane to jest zastosowaniem poprzeczek w kształcie omega. W artykule pokazano zastosowanie narzędzi do wspomagania projektowania, które nie tylko usprawniają pracę konstruktora, ale poprzez wprowadzanie nowych możliwości zmieniają jej charakter. Autorzy chcą podkreślić, że naturalną konsekwencją stosowania narzędzi do wspomagania projektowania CAD/CAE jest skrócenie czasu opracowania nowej konstrukcji, obniżenia kosztów konstruowania, zwiększenia dokładności założeń konstrukcyjnych oraz wiarygodności wyników obliczeń. Słowa kluczowe: rama naczepy, Ansys, Metoda Elementów Skończonych (MES), wytrzymałość, sztywność. Rapid installation frame design used in the semi-trailers, along with strength analysis Abstract This article presents a framework for semi-structural solution which, in comparison to traditional solutions, largely to reduced installation time. A great advantage of the proposed design is the high stiffness and strength of the structure. This is due to the use of omega-shaped crosspieces. The article demonstrates the use of tools to support the design, which not only improve the work of the constructor, but by introducing new possibilities for changing its character. The authors wish to emphasize that the natural consequence of the application of computer-aided design tools for CAD/CAE is to shorten the development time of new construction, reduce 4257

10 costs of constructing, improving the accuracy of construction and reliability of the results of calculations. Keywords: frame trailers, Ansys, Finite Element Method (FEM), strength, stiffness. LITERATURA 1. Kwasniewski L., Hongyi Li, Wekezer J., Malachowski J. Finite element analysis of vehicle bridge interaction. Finite Elements in Analysis and Design 42 (2006) Rypina Łukasz, Baran Jan, Królikowski Tomasz, Nikończuk Piotr: Metoda postępowania w procesie projektowania z wykorzystaniem narzędzi do wspomagania projektowania CAD/CAM/CAE studium przypadku, Logistyka NR3/2014 str Wojciech Tarnowski, Podstawy projektowania technicznego, WNT, Warszawa Królikowski Tomasz, Rypina Łukasz, Baran Jan, Grodecki Bartosz: Projektowanie ram skręcanych z wykorzystaniem narzędzi do wspomagania projektowania cad/cae, Logistyka nr 6/ R. Lewkowicz, T. Hinz, Ł. Rypina, T. Królikowski, P. Piątkowski, Symulacja naprężeń i odkształceń w podłużnicach samochodowych, Miesięcznik Naukowo Techniczny Mechanik, nr 5-6/2011 strona Romanów F Wytrzymałość Ram i Nadwozi Pojazdów. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności. Warszawa 7. Stanisław Łaczek, Modelowanie i analiza konstrukcji w systemie MES ANSYS v.11, WPK, Kraków Rusiński E. i inni Zaawansowana metoda elementów skończonych w konstrukcjach nośnych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław. 9. Rusiński E Zasady Projektowania Konstrukcji Nośnych Pojazdów Samochodowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław. 4258