Выбор безопасной силовой схемы кузова на начальных этапах проектирования автобуса

НАЗЕМНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ

УДК 629.113

Л.Н. Орлов, П.С. Рогов, А.В. Тумасов

ВЫБОР БЕЗОПАСНОЙ СИЛОВОЙ СХЕМЫ КУЗОВА НА НАЧАЛЬНЫХ ЭТАПАХ

ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОБУСА

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Приводятся алгоритм и программа расчета силовых сечений кузова по разрушающим нагрузкам в условиях опрокидывания автобуса. Дано обоснование применения стержневых конечно элементных моделей на ранних этапах оценки пассивной безопасности автобусов. На примере секций типового кузова автобуса выполнена сравнительная оценка значений энергоемкостей при динамическом и эквивалентном квазистатическом нагружении.

Ключевые слова: пассивная безопасность, конечно-элементный анализ, опрокидывание, квазистатическая нагрузка, проектирование автобуса.

Повышению безопасности дорожного движения и уменьшению тяжести последствий дорожно-транспортных происшествий (ДТП) всегда уделяется большое внимание. Из возможных типов дорожных происшествий с участием автобусов, последствия их опрокидывания оказываются самыми тяжелыми. Это подтверждают и проведенные ранее исследования [1-2]. Поэтому оценка пассивной безопасности автобусов при опрокидывании с уступа высотой 0,8 м, в соответствии с требованиями Правил ЕЭК ООН №66, является основным регламентирующим требованием на данный момент (рис. 1, а). При этом в Правилах ЕЭК ООН №66 предусмотрена возможность проведения оценки посредством квазистатического нагружения кузова (рис. 1, б), а также по результатам расчетов и компьютерного моделирования.

В данной работе рассматривается процесс оценки несущей способности каркасов кузовов автобусов на ранней стадии проектирования с применением инженерного метода расчета по предельному состоянию [3], и метода конечных элементов в динамической и квазистатической нелинейных постановках.

а) б)

Рис. 1. Экспериментальные методы оценки пассивной безопасности автобусов:

а - опрокидывание с уступа; б - квазистатическое нагружение

© Орлов Л.Н., Рогов П.С., Тумасов А.В., 2013.

С помощью инженерного метода можно воспроизвести условия квазистатического нагружения сосредоточенной силой секции или силового сечения кузова. В качестве уравнения равновесия этот метод использует принцип равенства работ внешних и внутренних усилий на возможных вариациях перемещений, который в случае действия одной аварийной нагрузки может быть представлен в следующем виде

п+1

^ = 2МпЛ. рвг ,

пл.,

i=1

где Я - перемещение (деформация) конструкции по направлению действия внешней силы ¥р; Мпл - предельный пластический изгибающий момент; 9г- - угол относительного поворота силовых элементов в г-м пластическом шарнире; п - степень статической неопределимости схемы (рис. 2).

Всю конструкцию каркаса автобуса можно разбить на отдельные силовые сечения, на каждое из которых будет действовать сосредоточенная сила. Суммарная разрушающая нагрузка на кузов в этом случае складывается из разрушающих нагрузок, полученных для отдельных плоских схем силовых сечений.

Рис. 2. Пример расчетной схемы силового сечения кузова и ее механизма разрушения;

1...4 - характерные узлы; # - обозначение пластических шарниров

С целью автоматизации расчета несущей способности по разрушающим нагрузкам силовых сечений кузова автобуса, разработана программа на языке программирования VBA, блок схема которой приведена на рис. 3. С помощью этой программы автоматизируется определение выражений углов поворота в пластических шарнирах Пг и подстановка их в основное уравнение (1), а также определение значений разрушающих нагрузок путем подстановки в это уравнение числовых данных параметров конструкции для каждого силового сечения. В первом диалоговом окне происходит задание предела текучести (от) и угла наклона вектора силы (а) (рис. 4, а). Далее нужно выбрать направление приложения силы (горизонтальное под углом или вертикальное) и тип геометрической схемы силового сечения автобуса (рис. 4, б). Затем выбирается механизм разрушения. На рис. 4, в приведено диалоговое окно, в котором осуществляется выбор механизма разрушения. На примере двух рассматриваемых геометрических схем, которые являются наиболее характерными, рассмотрены все возможные варианты механизмов разрушения для средней, передней и задней секций кузова. Они учитывают также восприятие нагрузки раскосами боковин. Рассмотрен вариант конструкции передней секции с наличием вертикальной стойки в проеме лобового окна.

Далее для выбранного механизма необходимо ввести основные параметры расчета

(рис. 4, г). В этом диалоговом окне приведено итоговое выражение предельной разрушающей нагрузки, отображающее её зависимость от вводимых параметров конструкции. Более наглядно зависимость для схемы показана в следующем выражении:

¥1_ 2е С08 а = ог [ ^ + ЖП ( 1 + ^)) + М)( 1++ ( 1

I

с - 2

7,

с - 2

I

3-4

)( ^)].

с-2

I

3-4

Рис. 3. Блок - схема программы расчета несущей способности силовых сечений кузова автобуса по разрушающим нагрузкам

Подобные зависимости получены для всех возможных схем поперечных сечений кузовов автобусов и механизмов их разрушения. Они являются основой алгоритма расчета разрушающих нагрузок и выбора безопасных силовых схем кузовов, заложенного в разработанную программу. При выборе безопасной силовой схемы кузова необходимо ориентироваться на поиск такого механизма его разрушения, при соответствующем распределении размеров сечений элементов, который обеспечивал бы разрушающую нагрузку, превышающую регламентированное значение. В том случае, если выполняется

оценка пассивной безопасности уже спроектированной конструкции, следует определить действительный механизм ее разрушения по минимальному значению разрушающей нагрузки из всех полученных Аг для возможных механизмов разрушения:

К = тт {Д... ДЛ

Если это значение меньше регламентированного, то можно с уверенностью говорить, что данная конструкция не отвечает требованиям пассивной безопасности. А если больше, то окончательную оценку можно сделать только после уточненного расчета с использованием подробной конечно-элементной модели кузова. Инженерный метод целесообразно применять на начальном этапе проектирования, когда выбирается безопасная силовая схема кузова. После этого, по мере разработки его каркаса и панелей, формируется геометрическая модель кузова, на основе которой создаются комбинированная и подробная конечно-элементные модели [4].

в) г)

Рис. 4. Диалоговые окна программы расчета

С целью обоснования применения стержневых конечно-элементных моделей, а также оценки влияния скорости нарастания внешней нагрузки на энергоемкость конструкции были проведены специальные расчетные исследования. В качестве объектов исследований взяты передняя, средняя и задняя секции кузова автобуса (рис. 5). Для них разработаны два варианта конечно-элементных моделей: стержневые и подробные.

Условия нагружения для рассматриваемых моделей выбраны идентичными. Они нагружались движущейся поступательно жёсткой плитой с заданным перемещением на величину допускаемой деформации £доп.. Каждая модель закреплялась по основанию в нескольких зонах. Угол а между жёсткой плитой и секцией выбирается в соответствии с кинематикой опрокидывания автобуса с уступа высотой 0,8 м. Движение жёсткой плиты ограничивалось зоной остаточного пространства (рис. 6).

Рис. 5. Секции каркаса кузова автобуса:

а - передняя; б - средняя; в - задняя

Рис. 6. Схема нагружения расчетной модели:

1 - жесткая плита; 2 - расположение внешних опор; 3 - зона остаточного пространства безопасности;

5"доп - допускаемая деформация

Рассмотрено три варианта перемещения жесткой стенки на заданное расстояние, соответственно за время 0.1, 0.5, и 2 с. Возможное различие энергоемкостей моделей при квазистатическом и динамическом нагружениях заметно из сравнения уравнений равновесия для этих постановок. При статическом расчете внешняя нагрузка вызывает только перемещение узлов системы. При динамическом анализе кроме усилий обусловленных перемещениями, в уравнении присутствуют усилия, вызванные демпфированием конструкции и действием инерционных сил. Очевидно, что при ударе конструкции жесткой плитой, различие в энергоемкостях зависят от скорости ее движения, массы конструкции, и параметров вязкости материала. Для того, чтобы оценить порядок различия значений энергоемкости при динамическом и квазистатическом нагружении, имитирующих условия опрокидывания автобуса, был проведен сравнительный анализ. Сравнение выполнено посредством сопоставления графиков изменения разрушающей нагрузки в зоне контакта ударной плиты с конструкцией

(рис. 7). В табл. 1 приведены значения энергоемкостей секций, полученные при различных скоростях перемещения жесткой плиты. Заметно, что скорость нарастания нагрузки влияет также и на расхождение результатов между различными типами моделей - с увеличением времени перемещения расхождение становится более существенным.

F, Н

2250020000-

i

i —i— / \ ! 1 Л / \

1—Н— i \ ! 1 J -!- -!- i

¡1 j \ i Л 1 \ 1 i i \ A—i- i

i i ! 1 \ ! i V. r^- / ^—/— ч ) ! 1 l i Ii jt' 1ЛН i Л

i i ' i i ' ; i  ' , IL Ь i'Jn, KHt : i \ / 1-—4i m«* iiWI

; i i 1 1 i i! üi'i \?Я Irl J' 1 И™ - \! \ I V ' V*

Ж " J

S, мм

а)

б)

Рис. 7. Графики изменения усилия в зоне контакта в зависимости от перемещения жёсткой плиты, полученные для передней секции:

а - подробная модель; б - стержневая модель

Анализируя количественное значение полученных отклонений, можно сделать вывод, что разница энергоемкостей на 40% между результатами для времени 0,1 и 2 с перемещений плиты подтверждается зависимостью поглощаемой конструкцией энергии от скорости нарастания нагрузки. При опрокидывании автобуса скорость ударного нагружения близка по значению к скорости перемещения плиты на заданное расстояние за время 0,5 с. Энергия, полученная при квазистатическом нагружении, отличается от величины, полученной для времени перемещения 0,5 с в среднем на 3%. Этот результат требует дальнейшего уточнения, так как в рассматриваемых моделях не задавались характеристики демпфирования, и масса секций существенно отличалась от их массы в составе полнокомплектного автобуса.

По результатам проведенных исследований можно сделать вывод о том, что при сни-

жении скорости нарастания внешней нагрузки расчетная энергоемкость конструкции снижается. Поэтому использование квазистатических расчетов при проектировании может привести к получению завышенных значений энергоемкости.

С применением программы расчета несущей способности отдельных секций, временные затраты на получение и расчет уравнений разрушающей нагрузки значительно сокращаются. Это делает программу полезной на этапе выбора безопасной силовой схемы кузова, когда за короткие сроки нужно проанализировать несколько вариантов конструкции.

Таблица 1

Значения энергоемкости стержневых и подробных моделей секций

Время перемещения жесткой стенки, с. Энергоемкость, Дж

Передняя секция Средняя секция Задняя секция

Подроб--ная Стерж--невая Расхождение, % Подроб--ная Стерж--невая Расхож--дение, % Подроб--ная Стерж--невая Расхож--дение, %

0,1 3877 4079 5,2 5660 6049 7 3072 3574 16

0,5 2392 2960 23,7 3199 3474 8,58 2381 2976 25

2 2306 2907 26 3081 3366 9,25 2327 2965 27,4

Отклонение результатов, полученных для различных типов моделей, не превышает 28%, что позволяет использовать стержневые модели каркаса кузова автобуса на ранних стадиях проектирования. Сравнительная оценка результатов расчетов разрушающих нагрузок инженерным методом с использованием стержневых моделей с данными испытаний [5], а также с результатами нелинейного конечно-элементного анализа показывает, что они имеют завышенное, примерно на 30%, значение. Это необходимо учитывать при выборе безопасных силовых схем проектируемых конструкций. На этапе доводки кузова отдельные части конструкции могут моделироваться с помощью стержневых элементов, при условии, что потеря формы сечений в этих силовых элементах незначительна и не будет влиять на характер механизма разрушения. На окончательном этапе проектирования целесообразно использовать подробную модель кузова, состоящую из оболочек.

Библиографический список

1. Sandor, Vincze-Pap. Solutions and problems to be solved in bus/coach safety, 10th EAEC European Automotive Congress. - Paper EAEC05YU-PS02 - Page 11.

2. Kadir, Elitok. Guler and Bertan Byram / Elitok Kadir, A. Mehmet //An Investigation on the Rollover Crashworthiness of an Intercity Coach, Influence of Seat Structure and Passenger Weight, 9th International LS-DYNA User Conference, June, Dearborn, Michigan, USA, 2006.

3. Орлов, Л.Н. Пассивная безопасность и прочность кузовов, кабин автотранспортных средств. Методы расчета и оценки: учеб. пособие / Л.Н. Орлов; Нижегород. гос. техн. ун-т. -Н. Новгород, 2005. - 230 с.

4. Орлов, Л.Н. Основы разработки конечно-элементных моделей кузовных конструкций автотранспортных средств. Расчеты на безопасность и прочность: учеб. пособие / Л.Н. Орлов, А.В. Тумасов, Е.В. Кочанов [и др.] / под ред. Л.Н. Орлова; Нижегород. гос. техн. ун-т. им. Р.Е. Алексеева. - Нижний Новгород, 2009. - 153 с.

5. Орлов, Л.Н. Оценка пассивной безопасности, прочности кузовных конструкций автомобилей и автобусов: монография / Л.Н. Орлов; Нижегород. гос. техн. ун-т. - Н. Новгород, 2005. - 130 с.

Дата поступления в редакцию 17.01.2013

L.N. Orlov, P.S. Rogov, A.V. Tumasov

CHOICE OF A SAFE BODY STRUCTURE ON THE EARLY STAGES

OF BUSES DESIGNING

Nizhny Novgorod state technical university named after R.Y. Alexeev

Purpose: Comparative evaluation of dynamic and quasi-static loading, that simulate a rollover condition. Design/methodology/approach: Investigation is based on finite element method with using different element types, and analytical method that includes some simplification and assumption.

Findings: During the study, the program for calculation of bearing capacity based on above-mentioned analytical method, was received.

Research limitations/implications: The present study provides a starting-point for further research of bus bearing capacity on different stages of it designing.

Originality/value: As result of this research, the deviation between the results of dynamic and equivalent by energy quasi-static loading that was applied to the bus body sections, was obtained.

Key words :passive safety, finite element simulation, rollover accident, quasi-static loading, bus designing.