Modelowanie krytycznego przypadku krzyżowania osi dla ramy samochodu ciężarowego 6

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Modelowanie krytycznego przypadku krzyżowania osi dla ramy samochodu ciężarowego 6"

Teodor Murawski
6 lat temu
Przeglądów:

Wiesław Barnat 1, Jacek Fąferek 2, Radosław Ciepielewski 3, Przemysław Simiński 4, Grzegorz Szczęśniak 5 Wojskowa Akademia Techniczna Modelowanie krytycznego przypadku krzyżowania osi dla ramy

1 Wiesław Barnat 1, Jacek Fąferek 2, Radosław Ciepielewski 3, Przemysław Simiński 4, Grzegorz Szczęśniak 5 Wojskowa Akademia Techniczna Modelowanie krytycznego przypadku krzyżowania osi dla ramy samochodu ciężarowego 6 Głównym zadaniem ramy samochodu ciężarowego jest zapewnienie pożądanej sztywności całego pojazdu. Dodatkowo zapewnia umiejscowienie wybranych podzespołów i przekazuje obciążenia wywołane przez ich zamocowanie bezpośrednio do ramy. Przez ramę samochodu przenoszone są wszystkie występujące obciążenia statyczne, którym podlegają podzespoły, wynikające z masy układu oraz dynamiczne wywołane oddziaływaniem nierówności drogi i charakterystyką ruchu pojazdu. Dlatego też rama samochodu ciężarowego powinna posiadać odpowiednią wytrzymałość oraz elastyczność, co pozwoli jej przenosić obciążenia pochodzące od ładunku w skrzyni ładunkowej podczas występowania obciążeń pochodzących od nierówności i geometrii podłoża. Ponadto, masa samej ramy powinna być możliwie najmniejsza przy zapewnieniu ochrony dla osób oraz ładunku. W pojazdach ciężarowych wyróżniamy ramy: podłużnicowe, płytowe, kratownicowe oraz centralne. Powszechnie jednak stosowane są ramy podłużnicowe składające się z dwóch równoległych belek oraz łączących ich belek poprzecznych. Niejednokrotnie ramy te dodatkowo wzmacnia się płaskimi płytami wykonanymi ze stali, w szczególnie narażonych miejscach, gdzie występują duże obciążenia. Omawiana rama pozwala zapewnić wysoką wytrzymałość, przy prostej i taniej konstrukcji, natomiast wadą jest stosunkowo duża masa. Bardzo ważną rolą ramy jest również fakt, że scala ona wszystkie podzespoły i układy w całość. Jednym z najcięższych warunków jakim jest poddawana rama to złożony stan obciążenia, składający się ze zginania z jednoczesnym skręcaniem. Omawiany stan obciążenia można wywołać poprzez najechanie na przeszkody, zgodnie z rys. 1., w skutek takiego obciążenia zostaje wywołane zjawisko krzyżowania się osi. Rys. 1. Schemat wywołujący złożony stan obciążenia (zginanie z jednoczesnym skręcaniem). 1 dr hab. inż., prof. WAT W. Barnat, Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej 2 mgr inż. J. Fąferek, Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej 3 mgr inż. R. Ciepielewski, Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej 4 dr hab. inż., prof. WITPiS, P. Simiński, Wojskowy Instytut Techniki Samochodowej i Pojazdów 5 mgr inż. G. Szczęśniak, Szczęśniak Pojazdy Specjalne Sp. z o.o. 6 Artykuł recenzowany. 673

2 Logistyka nauka Model numeryczny badanego układu Badanie zostało przeprowadzone przy wykorzystaniu metody elementów skończonych, która poszukuje przybliżonych rozwiązań problemów brzegowych. Wykorzystywana jest do obliczeń wytrzymałości oraz optymalizacji różnego rodzaju konstrukcji. Obecnie metoda ta ma coraz większe znaczenie i zastosowanie podczas projektowania i budowania maszyn. Wykorzystując tą metodę możemy poprawiać dokładność jej rozwiązania poprzez stosowanie elementów wyższego rzędu przy takiej samej liczbie stopni swobody lub stworzeniu dokładniejszej siatki (zwiększenie liczby elementów skończonych). Za pomocą omawianej metody rozwiązywane jest równanie ruchu: gdzie: składowe tensora naprężenia, masa właściwa (gęstość), składowa siły masowej odniesiona do jednostki masy, składowe wektora przyspieszenia. Do rozwiązania sformułowanych równań ruchu wykorzystano szybkie formułowanie przy pomocy metody jawnej (explicit). W analizach dynamicznych siły węzłowe ściśle związane są z masami (bezwładnościami) oraz tłumieniem, a rozwiązaniem są bezpośrednio przyspieszenia węzłowe. Krok czasowy w omawianej metodzie musi spełniać kryterium Courranta i być mniejszy od czasu potrzebnego na przejście fali dźwiękowej przez charakterystyczną długość elementu skończonego, oznacza to, iż jest to metoda stabilna warunkowo. gdzie: x charakterystyczna długość elementu skończonego, c prędkość dźwięku w danym ośrodku ciągłym, E moduł Young a, ρ masa właściwa (gęstość). Model dyskretny ramy samochodu ciężarowego wraz z zawieszeniem został zbudowany przy pomocy elementów skończonych. W modelu użyto dwa punkty masowe odzwierciedlające poszczególne komponenty: m1 silnik z kabiną, m2 ładunek w skrzyni ładunkowej. Fizyka zjawiska polega na obciążeniu modelu przyspieszeniem ziemskim skierowanym zgodnie z kierunkiem osi Y globalnego układu współrzędnych lecz o przeciwnym zwrocie. Następnie, we wstępnej fazie zastosowano relaksację drgań powstałych od działania siły ciążenia na układ. Kolejnym etapem było nadanie modelowi ramy samochodu ciężarowego z zawieszeniem prędkości początkowej równej 10 m/s i najechaniu na przeszkody wywołując złożony stan obciążenia (zginanie ze skręcaniem ramy). Zastosowany model konstytutywny materiału na konstrukcję ramy podłużnicowej oraz poprzeczek to MAT_003_PLASTIC_KINEMATIC, który stosowany jest do opisu ciał wykonanych z materiałów izotropowych utwardzających się odkształceniowo, dane materiałowe zawarte w analizowanym modelu przedstawia tabela

3 Tab. 1. Dane materiałowe ramy Gęstość Moduł Young a Wsp. Poissona Granica plastyczno- Moduł [g/cm3] [GPa] [-] ści [MPa] [GPa] 7, , ,0 styczny Masy na schemacie obciążenia przedstawione na rys. 2, wynoszą: m1= 3,5 t, m2= 5,0 t. Rys. 2. Położenie punktów masowych Obliczenia i wyniki Jednym z kluczowych parametrów do oceny trwałości i wytrzymałości konstrukcji jest panujący w niej stan naprężenia. Dlatego w celu stwierdzenia jak konstrukcja zachowuje się w danym stanie obciążenia, analizuje się powstałe naprężenia. Do oceny i ewentualnej optymalizacji konstrukcji służą naprężenia zredukowane według hipotezy HMH. Na rys. 3. przedstawiono mapę naprężeń zredukowanych według hipotezy HMH, w momencie uzyskania poszukiwanego efektu skrzyżowania osi i wystąpienia omawianego stanu obciążenia. Maksymalne naprężenia na rys. 3. powstały w przedniej części ramy i wynosiły 501,5 MPa. Natomiast naprężenia zredukowane po relaksacji drgań wynosiły 182,2 MPa i również wystąpiły w przedniej części ramy. Maksymalne naprężenia zredukowane podczas trwania całej analizy wystąpiły w chwili czasowej t = 800 ms, w momencie najeżdżania na przeszkodę, a ich wartość wynosiła 621,4 MPa. Kolejnym parametrem służącym do oceny wytrzymałości konstrukcji są trwałe odkształcenia wywołane w skutek przekroczenia granicy plastyczności nazywane odkształceniami plastycznymi. 675

Rys. 3. Mapa naprężeń zredukowanych według hipotezy HMH Rys. 4.

prezentuje mapę odkształceń plastycznych, na których przedstawiono

Jednak podczas uzyskania omawianego stanu obciążenia w ramie samochodu

4 Rys. 3. Mapa naprężeń zredukowanych według hipotezy HMH Rys. 4. Mapa odkształceń plastycznych. Rys. 4. prezentuje mapę odkształceń plastycznych, na których przedstawiono trwałe odkształcenia powstałe w skutek najeżdżania na przeszkody. Jednak podczas uzyskania omawianego stanu obciążenia w ramie samochodu ciężarowego nie powstają znaczące odkształcenia plastyczne. Wartość maksymalnych odkształceń plastycznych wynosi 0,

5 Wnioski Rama samochodu ciężarowego w szczególnie trudnych warunkach dla złożonego stanu obciążenia zginania z jednoczesnym skręcaniem spełnia stawiane przed nią wymagania. Podczas stanu ustalonego, gdy osie są skrzyżowane wartość powstałych naprężeń nie powoduje znaczących trwałych odkształceń. Rama jest w stanie przenosić zadane obciążenie, powstałe znaczące odkształcenia plastyczne wywołane zostały w skutek dużej wartości prędkości z jaką omawiany model najeżdżał na przeszkody. Dlatego, aby uniknąć tak znaczących odkształceń plastycznych należy najeżdżać na przeszkody z mniejszą prędkością. W miejscach szczególnie narażonych zastosowane są wzmocnienia wykonane z płaskich płyt, które w poprawny sposób spełniają swoją funkcję przenosząc część obciążenia i tym samym zmniejszając wartości naprężeń. W skutek zastosowania wzmocnień koncentracje naprężeń na ogół występują w przedniej części ramy. Streszczenie W artykule przedstawiono wyniki badań numerycznych wybranego przypadku obciążenia podwozia pojazdu ciężarowego, wymuszającego krzyżowanie osi. Stworzony model numeryczny przedstawia ramę samochodu ciężarowego wraz z zawieszeniem, w celu zbadania zjawiska krzyżowania osi w warunkach dynamicznego wymuszenia, poprzez najazd na przeszkody z prędkością 10 m/s (36 km/h). Wysokość przeszkód, które zastosowano podczas omawianego badania wynosiły 300 mm, natomiast kąt pod jakim omawiany układ najeżdżał na przeszkodę wynosił 300. Numerical simulation of the selected case of load heavy goods vehicle chassis Abstract In this paper presents the results of numerical investigations the selected case of load heavy goods vehicle chassis, require crossing the axis. Numerical model created shows truck frame with suspension, in order to examine the phenomenon of crossing the axis under the conditions of dynamic loads, by raiding on the obstacles at a speed of 10 m/s (36 km/h). the height of the obstacles, which have been used during the study amounted to 300 mm, while the angle of raid on obstacles amounted to Praca powstała w ramach projektu UOD-DEM-1-325/ 001 finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. LITERATURA / BIBLIOGRAPHY [1]. Mitschke M.: Dynamika samochodu. Warszawa: WKŁ, [2]. Prochowski L., Żuchowski A.: Pojazdy samochodowe. Samochody ciężarowe i autobusy. Warszawa: WKŁ, [3]. Schweizerhof K., Nillson L., Hallquist J.O.: Crashworthiness analysis in the automotive industry. International Journal Of Computer Applications in Technology, Special Issue on the Industrial Use of Finite-Element Analysis, 1992, Vol. 5, No. 2/3/4, p [4]. Wu S. R., Cheng J.: Advanced development of explicit FEA in automotive applications. Computer methods in applied mechanics and engineering, 1997, No.149, p [5]. Zheng S.: Failure analysis of frame crack on a wide-body mining dump truck. Engineering Failure Analysis, 2015, No. 48, p

6 678

Podobne dokumenty

Ramy pojazdów samochodowych

Ramy pojazdów samochodowych Opracował: Robert Urtbanik Zespół Szkół Mechanicznych w Opolu Nadwozie ramowe- nieniosące Nadwozie ramowe (nieniosące) oparte jest na sztywnej ramie, która przenosi całość obciążeń