WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 

На правах рукописи

МИРОНОВА ВИОЛЕТТА ВАЛЕРЬЕВНА

ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-

ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЛИТЫХ

АЛЮМИНИЕВЫХ АВТОМОБИЛЬНЫХ КОЛЕС

ПРИ УДАРНЫХ НАГРУЗКАХ

Специальность:

01.02.06 - Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание  ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Московский автомобильно-дорожный государственный технический
университет (МАДИ)» на кафедре строительной механики.

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор
Демьянушко Ирина Вадимовна

Официальные оппоненты

доктор технических наук,

ведущий научный сотрудник
Русанов Олег Александрович

кандидат технических наук, доцент
Осипов Николай Леонидович

Ведущая организация:

Научно-исследовательский центр по  испытаниям и доводке автомототехники
ФГУП «НАМИ»

Защита диссертации состоится «25» октября 2012 г. в 16.00 на заседании диссертационного совета Д.212.129.01 при Московском государственном
индустриальном университете (МГИУ) по адресу: 115280, Москва,
ул. Автозаводская, д. 16, ауд. 1804.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского
государственного индустриального университета (МГИУ).

Объявление о защите диссертации и автореферат диссертации размещены на официальном сайте ВАК по адресу: http://vak.ed.gov.ru

Автореферат разослан «24» сентября 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент 

Ю.С. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В процессе эксплуатации колеса автомобилей подвергаются различным нагрузкам, которые отрицательно влияют на прочность, долговечность, надёжность не только самой конструкции колеса, но и на безопасность эксплуатации автомобиля в целом. Нагрузки, действующие на колесо, зависят от различных факторов и, прежде всего, от массы автотранспортного средства, скорости и условий его движения, а также от качества дорожного покрытия. В результате наезда автомобиля на различные препятствия, при заносе или столкновении с другим автомобилем колеса подвергаются ударным воздействиям. При ударе динамические усилия в колесе существенно превышают нагрузки, возникающие при обычном движении по дороге, и могут привести к изменению формы колеса, возникновению в нем трещин, к частичному или даже полному его разрушению.

В связи с этим к колесам предъявляются повышенные требования по характеристикам прочности при ударе, которые регламентируются различными нормативными документами (например, ГОСТ Р 50511-93). Вместе с тем, вопросы прочности автомобильных колес при ударных воздействиях, в отличие от случаев статического и циклического нагружения, изучены не достаточно полно. Экспериментальные исследования деформированного состояния (ДС) колеса на удар до настоящего времени практически не проводились из-за отсутствия соответствующих методик скоростной фиксации деформаций, стендов для испытаний колес на удар, оснащенных соответствующей аппаратурой, а также ввиду сложности создания реальных условий нагружения и закрепления колеса.

В производстве легковых, а в последнее время и грузовых автомобилей, широкое применение получили колесные диски из алюминиевых сплавов, изготавливаемые путем штамповки (ковки) или литья. Основными достоинствами колес из алюминиевых сплавов, по сравнению со стальными колесами, являются относительно малый вес, повышенная твердость и разнообразие дизайна. Наряду с этими очевидными преимуществами алюминиевые колеса имеют ряд недостатков, которые не свойственны стальным колесам. Прежде всего, это сравнительно низкая трещиностойкость и меньшая пластичность.

В связи с этим для алюминиевых литых колес, в отличие от стальных, обязательным требованием при их сертификации является проведение испытаний на удар.

Таким образом, разработка методов и средств экспериментального исследования литых алюминиевых автомобильных колес на ударные нагрузки, проведение стендовых испытаний таких колес на удар и установление связи между деформациями в колесе при ударе и деформациями, определенными при статическом приложении нагрузки, являются актуальными темами исследований.

Цель настоящей работы: экспериментально-расчетное исследование деформированного состояния и динамического поведения литых алюминиевых автомобильных дисковых колес при ударном нагружении; разработка инженерной методики сравнительного анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) при ударном нагружении конструкций литых автомобильных колес на стадии их проектирования и доводки.

Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие основные задачи:

1) разработка методик для исследования деформированного состояния в литом алюминиевом колесе методом тензометрии при статическом и ударном нагружениях в условиях сертификационных испытаний (на стенде для испытаний на боковой и косой удары);

2) анализ результатов испытаний литых алюминиевых колес с использованием статистической обработки экспериментальных данных по деформациям, оценка точности эксперимента;

3) сравнение результатов экспериментов с расчетными данными для статического нагружения, полученными методом конечных элементов (МКЭ), и анализ адекватности созданных конечно-элементных (КЭ) моделей для расчета колес при статических нагрузках на стендах для испытаний на удар;

4) анализ влияния шины на поведение колеса при его статическом и динамическом нагружениях в условиях стендовых испытаний на удар;

5) исследование динамического поведения материала конструкции литого колеса при ударе;

6) разработка инженерной методики использования результатов расчетов колеса при статическом нагружении в условиях стендовых испытаний для прогнозирования деформирования конструкции колеса при ударе с помощью коэффициентов динамичности с целью сокращения сроков и стоимости доводки конструкций колес.

Объект исследования. Исследуемым объектом являются литые колеса, изготовленные из высокопрочного алюминиево-кремниевого сплава, типа 7Jх16H2 (с пятью крепежными отверстиями и десятью спицами) и типа 5Jx14 (с четырьмя крепежными отверстиями и шестью спицами), предназначенные для автомобилей среднего класса.

Научная новизна:        

  1. Разработаны методики экспериментального исследования деформированного состояния литых алюминиевых колес автомобилей на стендовом оборудовании, позволяющие анализировать поведение колес при боковом и косом ударах.
  2. Впервые проведены экспериментальные исследования типовых литых алюминиевых колес различной конфигурации на стендах при статических и ударных нагрузках, позволившие выявить деформированное состояние колеса. Исследовано влияние шины, зоны приложения и направления нагрузки на ДС колеса, а также оценена адекватность разработанных КЭ моделей для расчета колес при статическом нагружении.
  3. Впервые проведены исследования особенностей динамического поведения материала конструкции литого алюминиевого колеса при ударе; сделана оценка характеристик затухания и поглощения колебаний в материале колеса; выявлено, что данные характеристики, главным образом, зависят от свойств материала колеса, практически не зависят от его конструкции и могут быть использованы в моделях динамики автомобиля.
  4. На основе экспериментальных исследований колес на боковой и косой удары впервые введено понятие среднего значения коэффициента динамичности литых алюминиевых колес различной конструкции, и определена его величина.
  5. Предложена инженерная методика приближенной оценки деформирования литого алюминиевого колеса при ударе в условиях сертификационных испытаний, основанная на расчете НДС колеса по МКЭ при статических нагрузках с учетом среднего коэффициента динамичности.

Практическая значимость работы. На основе проведенных исследований предложена инженерная методика проведения экспериментально-расчетного анализа НДС автомобильного диска для типовых случаев ударного нагружения, основанная на результатах расчета НДС в условиях статического приложения ударной нагрузки и рекомендуемых значений коэффициентов динамичности. Использование разработанной методики позволяет существенно сократить время и расходы на вычислительные процедуры при проектировании и доводке конструкции колесного диска. Данные исследований могут быть использованы для анализа результатов сертификационных испытаний колес и для экспертизы в случаях их разрушения при эксплуатации. Также разработанные методики позволяют проводить аналогичные исследования колес на удар. Полученные представления о динамическом поведении материалов литых алюминиевых колес могут использоваться для разработки динамических моделей автомобиля при исследовании его столкновений с препятствием, а также для построения моделей динамического поведения колеса с шиной при расчетах подвески и колебаний автомобиля.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы были внедрены в ООО «Криста - Системинвест» для расчетов при проектировании колесных дисков нового поколения, учитывались при разработке технического регламента «О безопасности колесных транспортных средств», используются в учебном процессе кафедры строительной механики и кафедры эксплуатации автомобильного транспорта и автосервиса МАДИ. Также результаты работ были использованы при выполнении НИР «Научно-образовательный центр по проблемам безопасности в автотранспортном комплексе МАДИ» по Федеральным целевым программам «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» в 2010 и 2011 гг.

Методы исследования. При выполнении диссертационной работы были использованы основные положения теории сопротивления материалов, строительной механики, теории удара, расчетные методы с использованием вычислительного комплекса Basys+ (МАДИ) и лицензионного комплекса МКЭ MSC.Nastran, а также методы экспериментальной механики.

Достоверность полученных результатов обеспечена: корректностью постановки задач; обоснованностью использованных теоретических положений и принятых допущений; применением известных и апробированных вычислительных комплексов МКЭ; верификацией расчетов МКЭ на основе сравнения с результатами экспериментов; внедрением колеса типа 7Jх16 в эксплуатацию и отсутствием его отказов по причине ударного разрушения.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Первой Международной Азиатской конференции IFToMM (Тайвань, октябрь 2010 г.), на ежегодных учебно-методических и научных конференциях ГТУ «МАДИ» (Москва, 2009–2012 г.), на Международной молодежной научной конференции МИКМУС-2011 (Москва, ИМАШ РАН, декабрь 2011 г.), на Международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России» (Москва, МГТУ «МАМИ», март 2012 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из них 3 в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ.

Научные положения и результаты, выдвигаемые на защиту:

  1. Методики экспериментального исследования деформированного состояния литых алюминиевых колес автомобилей на стенде при различных условиях статического и ударного нагружения (на основе тензометрии).
  2. Экспериментальное исследование влияния шины на деформированное состояние колеса при статической и ударной нагрузках (при боковом и косом ударах).
  3. Результаты сравнительного анализа данных, полученных при стендовых испытаниях литых алюминиевых колес при статическом и ударном нагружении, и расчетов колес, проведенных по МКЭ при статическом нагружении.
  4. Экспериментальная методика определения коэффициентов динамичности литых автомобильных колес для двух типовых случаев приложения ударной нагрузки – бокового и косого ударов.
  5. Обоснование введения единого значения среднего коэффициента динамичности для литых колес из алюминиево-кремниевых сплавов на основе анализа динамического поведения исследуемых колес при ударе и определения характеристик динамического процесса.

6. Инженерная методика определения НДС колеса при ударе, в которой используются результаты статического расчета НДС колеса с помощью МКЭ и полученный средний коэффициент динамичности.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (128 наименований) и двух приложений. Текст диссертации изложен на 132 страницах машинописного текста, содержит 16 таблиц и 48 иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены основные аспекты проблемы прочности колес автомобильных транспортных средств из алюминиевых сплавов, сформулированы цели и задачи работы. Обоснована актуальность темы исследования, определены научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения работы, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ состояния проблемы, связанной с исследованием НДС автомобильного колеса из алюминиевых сплавов. Кратко изложена история создания и применения колес из алюминиевых сплавов в автомобилях. Подробно описаны особенности конструкции и типы литых алюминиевых колес, технологии их изготовления, в том числе виды технологий литья. Рассмотрены свойства материалов, полученные для исследуемых колес на образцах и из отливок, а также приведены нормативные требования к материалам литых алюминиевых колес. Отмечено, что исследуемые колеса производятся методами литья с противодавлением из алюминиево-кремниевых литейных сплавов (типа силуминов), что позволяет улучшить качество отливки.

Проанализированы условия эксплуатации и виды разрушения литых алюминиевых колес (рисунок 1). Одной из основных причин разрушения колеса является наезд на всевозможные препятствия (выбоины, бордюры), а также столкновения с другими транспортными средствами. В перечисленных ситуациях колеса автомобиля подвергаются ударным воздействиям.

       Приводится обзор существующих методов исследования колес. Испытания колес подразделяются на исследовательские и сертификационные, которые регламентируются нормативными документами.

       Основное внимание уделяется анализу опубликованных экспериментальных исследований НДС колес. Рассмотрены работы отечественных и зарубежных исследователей И.В. Балабина, А.И. Белова, Г.И. Белякова, А.М. Вахромеева, А.С. Груздева, И.В. Демьянушко, В.В. Зорина, Н.А. Зубарева, Н.С. Карташова, В.А. Путина, В.Т. Трощенко, Г.В. Цыбанева, И.С. Чабунина, Н.Н. Яценко, Г. Арльдта, Р.А.С. Фосберри, K. Хисаказу, Х. Хорчиро и других ученых. В этих работах приведены результаты определения НДС, возникающего в ободе из-за внутреннего давления воздуха в шине и радиальной нагрузки, а также при нагрузках, соответствующих испытаниям на усталость. Описаны стенды, аппаратура и условия проведения таких испытаний.

Проведен анализ отечественных и зарубежных нормативных документов, регламентирующих испытания, дана их сравнительная характеристика. В России основным нормативным документом, регламентирующим испытания алюминиевых колес на прочность при различных условиях нагружения, является

а

б

в

г

Рисунок 1 - Примеры разрушения алюминиевых колес:
а - разрушение трех спиц; б - отделение обода от диска;

в - разрушение закраины обода; г – деформация обода

ГОСТ Р 50511-93 «Колеса из легких сплавов для пневматических шин. Общие технические условия», разработанный учеными МАДИ и ФГУП «НАМИ».

Для расчета НДС колес часто используются методы теории тонких пластин и оболочек, которые позволяют получать соотношения для определения усилий, действующих со стороны шины на колесо, рассчитывать колеса гладкой оболочечной формы. Они до настоящего времени используются для расчета стальных колес. В работах И.В. Балабина, B.C. Бондаря, Э.И. Григолюка, И.В. Демьянушко, В.В. Зорина, С.И. Казей, В.И. Кнороз, Л.Л. Сухомлинова, А.Н. Фролова предложены алгоритмы расчета НДС элементов колес при различных условиях нагружения на основе подходов строительной механики тонких оболочек с применением численных методов решения задач.

С конца 1980-х годов для расчета колес начали использовать метод конечных элементов (МКЭ), что отражено  в работах Н.И. Батрака, И.В. Демьянушко, Н.С. Карташова, В. Грубишича, Г. Фишера и др. Для расчета автомобильных литых алюминиевых колес в МАДИ был разработан расчетный комплекс МКЭ Basys+ с пре- и постпроцессором GNOM. Усложняющийся со временем дизайн колеса предполагает создание объемных многоэлементных моделей МКЭ, что требует особых подходов к их разработке и верификации.

  Несмотря на многочисленные исследования нагрузок и НДС колес при качении по дороге, такой важный вид нагружения, как ударное воздействие, до настоящего времени практически не исследовался. Опубликованные ранее работы посвящены только обоснованию методик сертификационных испытаний на удар. В то же время, при проектировании колес и отработке технологии их изготовления необходимы расчетные оценки сопротивления ударным нагрузкам. Для их получения нужны комплексные исследования поведения литых алюминиевых колес при стандартных ударных воздействиях, соответствующих сертификационным, при боковом и при косом ударах. Также необходимы проведение анализа динамического поведения колеса в процессе удара и демпфирования колебаний и оценка точности расчетных моделей МКЭ на основе сравнения с экспериментом. Такие работы рационально проводить в системе стандартного стендового нагружения.

Во второй главе изложена разработанная методика и представлены результаты экспериментальных исследований литого алюминиевого колеса, проведенных с использованием метода статической и динамической тензометрии на стенде для испытаний на боковой удар – удар по закраине колеса в направлении оси его вращения. Условия бокового удара имитируются при типовых стендовых испытаниях колес и являются сертификационными. Была проведена оценка НДС колеса при статическом и ударном нагружениях. Рассматривалось колесо оболочечной конструкции типа 5Jx14 из алюминиево-кремниевого сплава, изготовленное методом  литья с противодавлением (ЛПД), с относительно низкой пластичностью (от 6% в ступичной зоне).

В соответствии с существующими нормативными документами нагрузка прикладывается к закраине обода колеса в трех различных зонах: между спицами вблизи вентиляционного отверстия – зона I, по оси спицы – зона II и между спицами – зона III (рисунок 2).

При проведении экспериментов применялись однолинейные фольговые тензорезисторы типа КФ5П1-3-100-12. При статических испытаниях тензорезисторы подключались к усилительной аппаратуре по мостовой схеме. Для измерения выходных сигналов тензорезисторов и представления результатов в цифровом виде была использована многоканальная измерительная тензометрическая система СИИТ-3. В серии экспериментов на ударное нагружение использовался тензоусилитель 8АНЧ24, а тензорезисторы устанавливались на колесо по схеме полумоста. Запись осуществлялась на шлейфный осциллограф.

Схема установки тензорезисторов разрабатывалась с учетом распределения эквивалентных напряжений (изолиний) и мест их концентрации на основе предварительного статического расчета. Оси чувствительности тензорезисторов были ориентированы в радиальном и окружном направлениях в соответствии с расчетным определением направлений главных напряжений.

Анализ расчетов НДС колеса показал, что наибольшие значения напряжений возникают в зонах приложения нагрузки, которые по мере удаления от них уменьшаются.

Для оптимизации КЭ модели колеса и ее верификации, а также для последующего экспериментального определения коэффициента динамичности была проведена тензометрия колеса при статической нагрузке. Испытания проводились на гидравлическом прессе. В процессе медленного нагружения измерялись прикладываемая сила (динамометром), деформации колеса (тензорезисторами) и прогиб обода (датчиком перемещения поршня гидроцилиндра). Нагружение колеса продолжалось до 5 кН (для определения жесткости бортовой закраины обода). Из анализа показаний тензорезисторов в разных зонах колеса выявлено, что деформации примерно до 1,5 кН изменяются по линейному закону, то есть материал колеса работает в упругой области.

На рисунке 3 представлены графики зависимостей деформаций колеса ε от нагрузки P, приложенной в зоне между спицами. Деформации, замеренные на дисковой части, оказались существенно меньше деформаций, замеренных по ободу, что подтверждает результаты предварительного расчета.

Испытания на удар проводились на стенде, состоящем из жёсткой вертикальной рамы, по направляющим которой может свободно падать подвижный груз массой 50 кг (рисунок 4). Высота падения груза устанавливалась с помощью подъёмного храпового механизма, фиксирующего положение груза, и выбиралась равной 0,6 м, что соответствует требованиям технических условий при испытаниях алюминиевых колес легковых автомобилей при приложении энергии удара 30 кг⋅м2/с2. На нижнем торце груза закреплялся цилиндрический боёк диаметром 30 мм.

При проведении испытаний на удар колесо с тензорезисторами (рисунок 5) без шины закреплялось на горизонтальной площадке стенда восемью зажимами шириной 48 мм, равномерно распределенных по ободу.

Ударная нагрузка прикладывалась в тех же трех зонах обода колеса, что и при статических испытаниях.

       Записи осциллограмм ударных испытаний свидетельствуют о том, что деформация в точках установки тензорезисторов в момент удара резко возрастают, а затем возникают колебания, которые достаточно быстро затухают (в течение 1-1,5 с). Это позволило предположить, что в литом материале колеса имеется относительно высокое внутреннее трение, приводящее к демпфированию колебаний. Вероятно, такое явление свойственно литому алюминию, и усугубляется относительно «грубой» структурой материала конкретного колеса, что подтверждается его низкой пластичностью.

В таблице 1 для сравнения приведены данные измерения деформаций при статическом и ударном нагружениях обода колеса. Результаты измерения позволили установить отношение деформаций при ударе εдин к деформациям при статическом нагружении εст в каждой точке измерения.

Таблица 1 – Результаты измерения деформаций при статическом

и ударном нагружениях (при боковом ударе)

i-k*

εст⋅105

εдин⋅105

εдин/εст

86-1

9,88

104,73

10,60

85-2

31,18

293,10

9,40

88-7; 9

11,44

117,84

10,30

87-6; 4

26,74

267,40

10,00

99-3

30,00

276,00

9,20

97-5

15,10

144,00

9,60

* i – номер тензорезистора при статическом нагружении;

k – номер тензорезистора при ударе, установленный в той же зоне, что и при статическом нагружении

В силу слабовыраженной нелинейности поведения материала конструкции колеса в пределах нормативной нагрузки при ударе и незначительного разброса значений отношений εдин/εст , вычисленных в различных точках, вводится понятие среднего коэффициента динамичности Кд ср, который для литых алюминиевых колес с аналогичным дизайном дисковой части и диаметром от 13'' до 18'', оказался равным 9,85. Полученные результаты позволили предположить, что величина коэффициента динамичности является общей для всех литых колес из алюминиевых сплавов, что связано с высокими показателями внутреннего трения в этом материале, и не значительно зависит от конструкции колеса.

Использование экспериментально полученного коэффициента динамичности позволяет прогнозировать деформацию колеса при ударе только на основе результатов статического расчета и не проводить сложные и дорогостоящие расчеты на удар для каждого промежуточного варианта дизайна колеса .

Третья глава диссертации посвящена экспериментальному исследованию НДС колеса при статической и ударной нагрузках. Нагрузка прикладывалась к наружному ободу (закраине) колеса в зонах, расположенных на оси спицы или между спицами, под углом 30 к оси вращения колеса, что имитировало условия удара о неподвижное препятствие при заносе автомобиля массой 1000 кг, движущегося со скоростью 60 км/ч (соответствует требованиям ГОСТ Р 50511-93).

Исследуемое колесо (типа 7Jх16) имеет десять вогнутых радиальных спиц, 5 крепежных отверстий с максимальной статической нагрузкой на колесо Fv=6900 Н (рисунок 6).

Исследование НДС колеса проводилось как при статической, так и динамической нагрузке, приложенной к закраине колеса в точках, расположенных по спице (зона II) или между спицами (зона III). Для оценки влияния шины на НДС колеса исследовались деформации колеса, как с шиной, так и без нее. Статические и ударные испытания проводились на испытательном стенде МАДИ (рисунок 7). На опорной площадке стенда под углом 30 к горизонтальной плоскости устанавливалось колесо и жестко закреплялось по своей опорной поверхности штатными болтами с усилием затяжки 110 Нм.

       Подобная установка колеса на стенде полностью соответствует его закреплению на автомобиле.

Нагружающий элемент представлял собой два груза общей массой 1000 кг, связанных между собой через пружину. Введение пружины в конструкцию нагружающего элемента имитировало подвеску автомобиля. Нагрузка прикладывалась к внешней бортовой закраине колеса (с шиной или без нее) через подпятник размером рабочей поверхности 125375 мм. Подпятник перекрывает закраину на 25 мм. Для приложения нагрузки напротив спицы или между спицами при проведении соответствующих испытаний колесо поворачивалось относительно оси его закрепления.

Для измерения деформаций использовались однолинейные проволочные тензорезисторы типа КФ5П1-3-100-12 с измерительной базой 3 мм, сопротивлением 100 Ом и коэффициентом тензочувствительности 2,14, которые подключались к аппаратуре LTR по схеме полумоста с использованием блока компенсационных тензорезисторов. Для последующей регистрации и обработки измеряемые сигналы поступали на персональный компьютер со встроенным программным обеспечением.

Зоны установки тензорезисторов определялись в соответствии с предварительным статическим расчетом НДС колеса, на основе которого для установки тензорезисторов были выбраны 16 точек, расположенных на наружной и внутренней поверхности колеса (см. рисунок 6). В силу геометрических особенностей конструкции спицы тензорезисторы устанавливались на плоские участки в радиальном направлении спиц, а на ободе - вдоль оси колеса.

Испытания проводились при нагрузке, приложенной по спице и между спицами, как с шиной, так и без нее. При статических испытаниях подрессоренный груз медленно опускался на закраину колеса. Весь цикл статического нагружения от первоначального момента приложения нагрузки до ее снятия регистрировался во времени. В результате автоматической статистической обработки данных с помощью программы вычислялась дисперсия и средние значения экспериментальных данных. На рисунке 8 представлены результаты испытаний колеса без шины с приложением статической нагрузки между спицами (расположение и номера тензорезисторов (ТР) указаны на рисунке 6).

Анализ полученных результатов выявил отсутствие остаточных пластических деформаций и несущественное влияние шины (разброс значений при нагружении по спице для колеса с шиной и без нее не превышает – 5%, при нагружении между спицами - 7%).

При ударных испытаниях подрессоренный груз падал на закраину колеса с высоты H=0,03Fv = 207 мм, которая определялась максимальной статической нагрузкой Fv =6900 Н на исследуемое колесо, а коэффициент 0,03 мм/Н задавался по ГОСТ Р 50511-93 согласно условиям проведения стендовых испытаний колес для легковых автомобилей. Регистрация деформаций при ударе производилась с частотой опроса тензометрических каналов 7680 Гц. Схема расположения тензорезисторов была аналогична схеме, представленной на рисунке 6.

Из анализа результатов испытаний колеса на удар (рисунок 9) для всех вариантов нагружения установлено, что процесс колебаний после воздействия ударного импульса близок к гармоническому, и колебания достаточно быстро затухают. Анализ показаний тензорезисторов позволил установить, что полное затухание колебаний происходит за ≈2,5 с, причем характер колебаний по всем точкам одинаковый. Период колебаний по всем датчикам и отношение амплитуд практически также одинаковы. Приведены средние оценочные значения параметров колебательных процессов:

  • период колебаний (определенный по средним значениям) T = 0,256 с;
  • частота колебаний  p = 2 / T = 24,5;
  • среднее значение логарифмического декремента затухания

 

Это позволяет приближенно оценить величину условного коэффициента поглощения φ в материале колеса, который составил примерно 0,6–0,7, что свидетельствует о существенном внутреннем трении в литом алюминиевом сплаве колеса, приводящем к значительному поглощению энергии удара.

Из анализа полученных результатов следует, что:

  • при данной ударной нагрузке отсутствуют трещины и существенные остаточные пластические деформации;
  • наибольшие деформации при ударе возникают в середине спицы с наружной стороны колеса, что подтверждает данные расчета;
  • наличие шины при ударном нагружении, также как и при статических испытаниях, не влияет на деформацию диска.

Результаты измерения деформаций при ударе и статическом нагружении колеса без шины при косом ударе (таблица 2) позволяют, так же как и в случае бокового удара, определять среднюю по всем точкам измерения величину отношения деформаций при ударе к деформациям при статическом нагружении. Поэтому в рассмотрение вводится средний коэффициент динамичности для литого алюминиевого колеса, который определяется по формуле Кд ср=(εдин/εст)ср. Для рассматриваемого колеса средний коэффициент динамичности 11.

Таблица 2 – Результаты измерения деформаций при статическом

и ударном нагружениях (при косом ударе)

Номер ТР

дин⋅105

ст⋅10 5

дин/ст

1

378,6

37,6

10,07

3

378,5

34,7

10,91

4

378,4

36,8

10,28

5

397,8

39,8

9,99

6

350,0

28,7

12,20

13

197,3

14,8

13,33

14

184,7

15,3

12,07

16

354,4

31,2

11,36

Среднее значение дин/ст

11,28

Приведены значения коэффициента динамичности Кд, соответствующего каждой точки измерения. В силу незначительного разброса коэффициента динамичности в различных точках можно ввести в рассмотрение понятие усредненного коэффициента динамичности, который для литых алюминиевых колес с аналогичным дизайном дисковой части и диаметром от 13'' до 18'' равен 11. Использование экспериментально полученного коэффициента динамичности позволяет прогнозировать поведение колеса при ударе на основе только результатов статического расчета и не проводить сложные и дорогостоящие расчеты на удар для каждого промежуточного варианта дизайна колеса.

Сравнивая коэффициенты динамичности, полученные при двух видах удара (бокового и косого) и различных типов колес, и учитывая динамическое поведение колес при ударе, можно с определенным допущением считать, что коэффициент динамичности для литых алюминиевых колес различного дизайна может быть принят равным Кд ср 1011.

Четвертая глава посвящена разработке методики приближенного расчетного анализа НДС колеса при ударном нагружении. Предварительно были рассмотрены результаты расчетного моделирования НДС колеса по МКЭ при статическом нагружении при рассмотренных выше случаях (бокового и косого ударов), и проведено сравнение деформированного состояния с полученными экспериментальными данными с целью оценки адекватности КЭ моделей. Полученные результаты исследований позволили предложить инженерную методику приближенной расчетной оценки НДС литых алюминиевых дисковых колес при ударе в условиях стендовых сертификационных испытаний, рекомендуемую для сравнительного проектировочного анализа. Для анализа НДС колеса, проходившего испытания при осевом нагружении (бокового удара), в силу особенностей его геометрии была принята оболочечная модель, и использовались четырехузловые оболочечные элементы при неравномерной сетке КЭ (рисунок 10). Моделирование проводилось на разработанном в АДИ конечно-элементном комплексе Basys+. Сравнение результатов статических испытаний и расчета показало, что отличия не превышают 17% даже при такой простой модели.

Однако, при расчетах для колес более сложного дизайна рассматриваются более подробные расчетные модели, учитывающие зоны концентрации напряжений и зоны крепления колеса. Для расчета колеса типа 7Jx16 по МКЭ при статической нагрузке под углом 30 (условия косого удара) использовался лицензионный конечно-элементный комплекс MSC.Nastran. Объемная КЭ модель состояла из 224 175 узлов и 483 910 элементов, средний размер которых составлял 3 мм, в долях объема в модели преобладали 8-узловые гексагональные элементы. Вид модели и некоторые особенности нагружения и закрепления приведены на рис. 11 и рис.12.

В результате расчета были получены значения деформаций в произвольной точке колеса без шины (рисунок 13).

Для сравнения с экспериментальными данными анализировались деформации в тех зонах модели, которые соответствовали местам и направлениям установки тензорезисторов при испытаниях. Значения компонент деформаций в узлах этих элементов определялись с учетом направления соответствующего тензорезистора. Анализ расчетных и экспериментальных значений деформаций показал удовлетворительную сходимость – средняя величина погрешности составила 114%. Таким образом, исследования позволили уточнить КЭ модель, разработанную с учетом современных подходов к генерации КЭ моделей, и сравнить результаты расчета по МКЭ с использованием программного комплекса MSC.Nastran с экспериментальными данными, представленными в главе 3, Это свидетельствует об адекватности расчетной модели и расчетного анализа НДС колеса при статическом нагружении.

Анализ расчетных моделей и определение среднего коэффициента динамичности экспериментальным путем позволили предложить инженерную методику определения деформации колеса при ударе как произведения расчетных деформаций при статическом нагружении на экспериментально полученный средний коэффициент динамичности:

Было установлено, что различие между расчетными значениями деформаций и полученными в вышеописанных экспериментах не превысили для бокового удара 3,12%, а для косого удара – 4,4%. При этом Кд ср принимался равным 10.

Настоящую методику предложено распространить на литые автомобильные дисковые колеса из алюминиевых сплавов (силуминов) диаметром от 13′′ до 20″ всех конфигураций и размеров, так как конструкция колеса не играет превалирующей роли в его динамическом поведении.

Каждый новый вариант конструкции литого колеса требует доводки литейной формы и корректировки процесса литья, что приводит к значительным временным и финансовым потерям. Предлагаемый в данной работе приближенный инженерный анализ позволит значительно сократить время и стоимость доводки колес.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

  1. Разработана методика экспериментального исследования деформированного состояния литых алюминиевых колес при статических и динамических нагрузках, приложенных в различных зонах обода колеса и под различными углами к оси колеса.
  2. Результаты  экспериментального исследования типовых автомобильных колес из алюминиевых сплавов (на боковой и косой удар), позволили  установить среднее значение коэффициента динамичности как отношение динамической и статической деформации.
  3. Экспериментально установлено пренебрежимо малое влияние шины на НДС колеса при его статическом и динамическом нагружении.
  4. Сравнение данных экспериментального исследования и расчетов колес по МКЭ при статическом нагружении под углом 30 и вдоль оси колеса показало хорошее соответствие полученных результатов (до 13%) и позволило оценить адекватность разработанных КЭ моделей для оценки НДС колес.
  5. В результате исследования установлено, что динамическое поведение литого колеса при ударе зависит от свойств материала и практически не зависит от конструкции колеса. Полученное среднее значение коэффициента динамичности Кд ср , как отношение величин динамической и статической деформации, в различных точках колеса может быть принято 10 для всех колес из литых алюминиево-кремниевых сплавов.
  6. Разработана инженерная методика оценки динамической нагруженности колеса при проектировочных расчетах на ударные нагрузки, приложенные вдоль оси или под углом в 30 к оси вращения колеса, основанная на использовании коэффициента динамичности и данных статического расчета.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Статьи в научных изданиях из перечня ВАК:

  1. Миронова В.В. Компьютерное моделирование ударного нагружения колес // Известия ЮФУ: Технические науки. – 2010. – № 12. – С. 153-159.
  2. Демьянушко И.В., Миронова В.В., Логинов Е.М. Исследование напряженно-деформированного состояния литых автомобильных колес при ударных нагрузках // Машиностроение и инженерное образование. – 2012. – № 1 (30). – С. 42-49.
  3. Демьянушко И.В., Миронова В.В. Сертификационные испытания автомобильного колеса на удар // Грузовик. – 2012. - № 5. – С. 33-36.

Другие публикации:

  1. Демьянушко И.В., Миронова В.В. Моделирование статического нагружения литого алюминиевого колесного диска с использованием метода конечных элементов // Труды конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиям «IS&IT`11»: Научн. изд.: в 4 т. Т. 1. - М.: Физматлит, 2011. - С. 475-480.
  2. Демьянушко И.В., Миронова В.В., Логинов Е.М. Создание модели 3-х мерного изображения колеса с использованием САПР SOLIDWORKS 2009 // Труды конгресса по интеллектуальным системам и информационным технологиями (IS&IT’11, Дивноморское, 2-9 сентября 2011 г.): Научн. изд. : в 4 т. Т. 2. – М.: Физматлит, 2011. – С. 148-152.
  3. Демьянушко И.В., Миронова В.В., Логинов Е.М. Моделирование и напряженно-деформированное состояние литых автомобильных колес при ударных нагрузках // Тезисы докладов на XXIII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения (МИКМУС - 2011). - М.: ИМАШ РАН, 2011. - C. 119.
  4. Исследование литого алюминиевого колеса автомобиля на ударное воздействие / И.В. Демьянушко, Н.И. Батрак, А.М. Вахромеев, В.В. Миронова // Вопросы строительной механики и надежности конструкций. Сборник научных трудов МАДИ. – М.: МАДИ, 2010. – С. 5-19.
  5. Demiyanushko I., Mironova V. Analysis of Dynamic Impact Effects for Light Alloy Car Wheels// Chinese Journal of Mechanical Engineering. – 2010. – Vol.23, №3. Р. 53-55





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.