W Y B R A N E P R O B L E M Y I N Y N I E R S K I E

Transkrypt

1 W Y B R A N E P R O B L E M Y I NY N I E R S K I E Z E S Z Y T Y N A U K O W E I N S T Y T U T U A U T O M A T Y Z A C J I P R O C E S Ó W T E C H N O L O G I C Z N Y C H I Z I N T E G R O W A N Y C H S Y S T E M Ó W W Y T W A R Z A N I A STATYCZNA ANALIZA WYTRZYMAŁOCIOWA METOD ELEMENTÓW SKOCZONYCH NA PODSTAWIE MODELU NACZEPY SKRZYNIOWEJ Adam Suchan 1, Andrzej Baier 2 Instytut Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika lska, ul. Konarskiego 18A, Gliwice. 1 Adam.Suchan@gmail.com, 2 Andrzej.Baier@polsl.pl Streszczenie: W artykule opisano przyjte załoenia oraz podjte kroki w celu wyznaczenia napre i odkształce w elementach nonych naczepy skrzyniowej, poddanej obcieniu zgodnemu ze specyfikacj produktu (ładowno uyteczna). Model przygotowano na podstawie dokumentacji konstrukcyjnej przy uyciu pakietu NX5, za analiz wytrzymałociow przeprowadzono z zastosowaniem oprogramowania Ansys Workbench. 1. Wstp Wprowadzajc nowy produkt na rynek, dy si do osignicia zadowalajcych wartoci cech uytkowych, przy jak najmniejszych kosztach. Kocowe etapy przygotowania produkcji, zwizane ze sprawdzeniem funkcjonalnoci i wynikajce wówczas konieczne korekty wpływaj na koszt i opónienia (czsto konieczne okazuje si przygotowanie nowego prototypu). Zastpowanie fizycznych prototypów modelami wirtualnymi pozwala zmniejszy koszt symulacji szczególnie wtedy, gdy te symulacje prowadz do zniszczenia prototypu (co moe mie miejsce przy badaniach zwizanych z nonoci konstrukcji, czy te odpornoci na drgania, uderzenia). Przy uyciu nowoczesnych narzdzi, na podstawie o trójwymiarowego modelu CAD, moliwe jest utworzenie odpowiedniego modelu obliczeniowego siatki elementów skoczonych, która obłoona okrelonymi warunkami brzegowymi pozwala sprawdzi wybrane reakcje (najczciej deformacj), bd naprenia wystpujce w modelu, na cile okrelone wymuszenia. 2. Przygotowanie modelu obliczeniowego. Przyjte uproszczenia. Kad analiz wytrzymałociow naley zacz od wyboru pewnych uproszcze, idealizacji, które pozwalaj sprowadzi rzeczywisty obiekt do stosownego modelu obliczeniowego. Zalenie od danej dokładnoci wyników i typu przeprowadzanych symulacji stosuje si róne modele, przy czym zwykle dy si do minimalizacji liczby wymiarów (na przykład w wypadku naczepy moliwe jest sprowadzenie obiektu rzeczywistego do ramy - układu jednowymiarowych prtów - w której róne postacie geometryczne elementów reprezentowane s przez parametry, takie jak: pole przekroju, moment bezwładnoci, połoenie osi bezwładnoci, wytrzymało na zginanie i skrcanie). Gdy posiada si wczeniej przygotowany model, złoony z brył typu solid, to najbardziej naturalne działanie polega na przygotowaniu włanie tego modelu dla potrzeb analizy.

2 SUCHAN A., BAIER A. Rys.1. Trójwymiarowy model naczepy skrzyniowej - jedna z danych wejciowych Przyjto iteracyjny system dochodzenia do modelu optymalnego, w którym przeprowadza si kolejne analizy wytrzymałociowe na złoeniu składajcym si z coraz mniejszej liczby powierzchni i krawdzi, o bardziej zagszczonej siatce. W pierwszym etapie usunito fazowania - niewielkie otwory i spoiny, generujce wiele dodatkowych krawdzi, wymagajcych szczególnego dopasowania siatki, przy nikłym wpływie na wytrzymało. Aby ustali wpływ elementów zabudowy na nono naczepy, przygotowano wirtualny, prosty układ płaskowników, modelujcy podwozie naczepy wraz z zabudow, drzwiami, mocowaniami kół zapasowych i zbiorników powietrza. Zachowujc odpowiednie proporcje, podparto go na powierzchniach spoczywajcych na siodle cignika (podpora stała) oraz w miejscach mocowania elementów zawieszenia (podpora ruchoma). Model obciono testowym ładunkiem. Nastpnie usunito wszystkie elementy tego modelu poza podwoziem naczepy i uyto identycznego podparcia oraz obcienia. Porównanie otrzymanych wyników (rónica deformacji i napre < 3%) wykazało, e wpływ na nono posiada jedynie kratownica, składajca si na podwozie. Opisywany, prosty model prtowy posłuył równie do okrelenia szczególnie wraliwych miejsc, w których wystpuj koncentracje napre. Siatka elementów skoczonych została w tych miejscach dodatkowo zagszczona. Ostatecznie do utworzenia modelu MES uyto elementów czworociennych, dziesiciowzłowych. W idealnej wersji trójkty składajce si na ciany czworoboków powinny by maksymalnie zblione kształtem do trójktów równobocznych, a ssiednie elementy nie powinny zbytnio róni si od siebie wielkoci. Zaobserwowano, e podzielenie duych brył na mniejsze, nałoenie siatki na kad z osobna, a nastpnie połczenie siatek, daje zdecydowanie lepsze rezultaty ni próba przygotowania całego modelu MES od razu. Kolejnym krokiem było załoenie warunków brzegowych i obcie. Potrzebne dane przyjto na podstawie specyfikacji technicznej naczepy skrzyniowej firmy Koegel Foxx o bardzo podobnej konstrukcji i wymiarach gabarytowych. Ustalono dane, takie jak: maksymalne obcienie ( kg), obcienie osi, sposób mocowania uywanych elementów zawieszenia. Utwierdzono jedynie połow sworznia (od strony tyłu naczepy), by zasymulowa luzy, pozwalajce na ugicie i przesunicie drugiej jego połowy, której powierzchnie poziome podparto beztarciowo (podpora przesuwna). Podparcia beztarciowego uyto równie na dodatkowej powierzchni w kształcie podkowy umieszczonej w pobliu sworznia, obrazujcej miejsce styku naczepy i siodła cignika oraz w miejscach mocowania półwahaczy. Zdecydowano si na pominicie sprystoci zawieszenia, przyjmuje si, bowiem, e analiza

3 STATYCZNA ANALIZA WYTRZYMAŁOCIOWA METOD ELEMENTÓW SKOCZONYCH statyczna ma miejsce po czasie bliskim nieskoczonoci. Pod obcieniem zawieszenie osidzie przed rozpoczciem badania i mona traktowa je jako sztywne. Obcienie ładunkiem zamodelowano jako cigłe, wyznaczane jako iloczyn masy i przyspieszenia ziemskiego podzielony przez powierzchni, na której ładunek jest umieszczony. Przyjto trzy dodatkowe powierzchnie i obciono zgodnie z poniszym schematem (rys. 2) tak, by ciszy ładunek rozlokowa na podporach. Wyznaczono take 10 dodatkowych powierzchni modelujcych miejsca mocowania wsporników, słucych do rozpicia plandeki i montau drzwi. Na tych powierzchniach przyłoono sił, skupion o wartoci równej rónicy masy całkowitej (razem z plandek, ze specyfikacji) i masy modelu, pomnoonej przez przyspieszenie ziemskie i podzielonej przez 10. Uwzgldniono równie ciar własny elementów naczepy. Rys.2. Rozkład obcienia cigłego, symulujcego wpływ ładunku 3. Analiza otrzymanych wyników. Rys.3. Mapaa warstwicowa deformacji (maksymalne 2.6 mm) Odkształcenie elementów nonych naczepy zawiera si poniej 2.6 mm. Najwikszy udział w przemieszczeniu całkowitym elementów ma jego cz w osi Z. Odkształcenia, zgodnie z przewidywaniami, zwikszaj si od zera w miar oddalania od punktów podparcia. Rys.4. Mapa warstwicowa napre - widok ogólny

4 SUCHAN A., BAIER A. Rys.5. Powikszenie krytycznych elementów. Widoczne zagszczenie siatki Obliczone naprenia urednione (typu element ) zawarły si pomidzy 0 a 145 MPa. W kilku punktach naprenia wzłowe przekraczały 200 MPa, jednak wzły ssiednie wykazały wyniki znacznie nisze, wobec czego wspomniane wartoci szczytowe uznaje si za błd charakterystyczny dla zastosowanej metody. 4. Podsumowanie Uzyskane wyniki pozwalaj okreli miejsca złoenia, w których wystpuje niebezpieczestwo przyspieszonego zuycia produktu, newralgiczne punkty, wymagajce dodatkowego wzmocnienia. Na tym etapie moliwe jest dalsze uszczegóławianie modelu, dodanie pominitych wczeniej otworów, modelowanie luzów midzy elementami naczepy, w celu uzyskania dokładniejszych rezultatów. Naley pamita, by wice testy wykonywa w niekorzystnych warunkach. Dla konstrukcji mobilnej, jak niewtpliwie jest naczepa, naley sprawdzi naprenia od drga, wynikajcych z przemieszczania si po nierównociach oraz naprenia powstałe w konsekwencji przekroczenia dopuszczalnej ładownoci lub błdnie rozmieszczonego ładunku. Naley równie zauway, e dla potrzeb analizy modalnej (drga) wskazane bdzie dokładne zamodelowanie podatnych elementów zawieszenia. Posiadajc wirtualny model trójwymiarowy, w kilku iteracjach analizy wytrzymałociowej mona wyeliminowa zdecydowan wikszo niedoskonałoci konstrukcji, minimalizujc ilo kosztownych bada wykonanych na fizycznym modelu i obniajc koszty produkcji. Literatura 1. Zagrajek T. Krzesiski G. Marek P: Metoda elementów skoczonych w mechanice konstrukcji. Warszawa: Ofic. Wyd. Pol. Warsz., Rakowski G.: MES w mechanice konstrukcji. Warszawa 2005 STATIC ANALYSYS OF SEMI-TRAILER BY FINITE ELEMENT METHOD Summary: The paper describes all assumptions and steps taken in order to obtain stress and deformation values in critical elements of a semi-trailer box, loaded according to recommendations found in the trailers technical datasheet (useful load capacity). The 3D model was prepared in Siemens NX5 software. The stress analysis was carried out using Ansys Workbench.

5