Оценка влияния температурных условий эксплуатации на пассивную безопасность вахтовых автобусов

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

УДК 629.34

А. С. Вашурин, Л. Н. Орлов, М. К. Чегуров

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА ПАССИВНУЮ БЕЗОПАСНОСТЬ ВАХТОВЫХ АВТОБУСОВ

Аннотация.

Актуальность и цели. Известно, что одним из наиболее опасных видов ДТП с автобусами является опрокидывание. К силовой структуре кузовов многоместных пассажирских транспортных средств предъявляются требования, регламентированные Правилами ЕЭК ООН № 66. Отдельную специфическую группу составляют вахтовые автобусы на шасси грузовых автомобилей, предназначенные для эксплуатации в жестких природно-климатических условиях. Поэтому возникает актуальная задача оценки их пассивной безопасности во всем температурном диапазоне эксплуатации автобусов. В работе обоснован выбор диапазона температурных условий эксплуатации автобусов данного типа.

Материалы и методы. Расчетные исследования по оценке пассивной безопасности кузовов автобусов выполнены методом конечных элементов. Экспериментальные зависимости получены на современном поверенном оборудовании.

Результаты. Получены экспериментальные зависимости прочностных характеристик применяемых в кузовах материалов от температуры. Разработаны подробные конечно-элементные модели кузовов рассматриваемых вахтовых автобусов. Получены результаты исследования пассивной безопасности их кузовов в диапазоне температур эксплуатации автобуса.

Выводы. Доказана необходимость проведения оценки пассивной безопасности во всем температурном диапазоне эксплуатации автобуса.

Ключевые слова: пассивная безопасность, автобус, кузов из многослойных панелей, влияние температурных условий.

A. S. Vashurin, L. N. Orlov, M. K. Chegurov

ESTIMATION OF TEMPERATURE CONDITIONS’ INFLUENCE ON PASSIVE SAFETY OF SHIFT-BUSES

Abstract.

Background. It is well known that one of the most dangerous types of road accidents with buses is a rollover. UNECE Regulation № 66 stipulates the requirements that must be satisfied by the structure of a multipassenger vehicle’s body. The specific shift-buses on truck chassis present a separate group of buses and are designed to be used in harsh climatic conditions. Therefore there is an urgent task consisting in assessment of buses’ passive safety in the entire temperature range at operating conditions. The paper justifies the choice of a range of temperature conditions for this type of buses that must be taken into account during structure design thereof.

102

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

Materials and methods. Research of shift-buses passive safety was made by the finite element method. Experimental dependences were obtained on the modern calibrated equipment.

Results. The authors obtained experimental dependencies of strength characteristics of the materials that are used in shift-buses structures on the temperature. The article presents thedeveloped detailed finite-element models of shift-buses structures. The work includes the results of the study of passive body safety in the temperature range at operating conditions.

Conclusions. The authors proved the necessity of estimating the passive safety of shift-buses’ structures in the entire temperature range at operating conditions.

Key words: passive safety, bus, body made of sandwich panels, effect of temperature conditions.

Введение

Повышение пассивной безопасности автобусов является одной из важных задач при разработке новых конструкций или модернизации существующих. Пассивная безопасность автобуса во многом определяется конструкцией его кузова. Оценка пассивной безопасности автобуса может проводиться как по результатам натурных экспериментальных исследований, так и по результатам компьютерного моделирования условий аварийного нагружения. Натурные разрушающие испытания автобусов на пассивную безопасность являются достаточно дорогостоящими, поэтому в настоящее время все большее внимание уделяется расчетным методам оценки их работоспособности в аварийных ситуациях.

Среди существующих конструкций автобусов отдельную группу составляют вахтовые автобусы на шасси грузовых автомобилей. Данные транспортные средства, как правило, эксплуатируются в жестких климатических условиях при широком диапазоне температур. Известно, что характеристики многих конструкционных материалов зависят от температуры. Поэтому выполненная работа является актуальной, а полученные результаты имеют важное значение.

1. Постановка задачи исследования

Пассивная безопасность многоместных пассажирских транспортных средств, в том числе и специальных вахтовых автобусов, регламентируется требованиями Правил ЕЭК ООН № 66. В соответствии с ними при опрокидывании автобуса с уступа высотой 0,8 м кузов должен сохранять регламентированное остаточное жизненное пространство внутри салона.

Автобусы, в соответствии с ГОСТ 15150-69, как правило, изготавливаются в климатическом исполнении для умеренного климата (У) с предельным рабочим диапазоном температур от +45 до -50 °С. Но для наружных поверхностей, подвергаемых нагреву солнцем, верхние значения температуры должны приниматься выше на 15-30 °С. Учитывая то, что вахтовые автобусы эксплуатируются в жестких климатических условиях, целесообразно оценивать их пассивную безопасность в диапазоне температур от +60 до -60 °С. Натурные испытания автобусов в различных климатических условиях потребовали бы наличия нескольких образцов, что связано с определенными трудностями. Кроме того, проведение испытаний автобусов в широком диапазоне

Engineering sciences. Machine science and building

103

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

температур достаточно затруднительно. Поэтому наиболее целесообразно, используя Приложение 9 Правил ЕЭК ООН № 66, проводить оценку их пассивной безопасности по результатам компьютерного моделирования [1], которое предполагает использование современных расчетных пакетов программ, основанных на методе конечных элементов.

2. Экспериментальные исследования

В кузовах вахтовых автобусов применяются плакированные и оцинкованные стали, алюминиевые сплавы, композитные материалы, фанера. Для адекватного и полного отображения в расчетных моделях характеристик материалов необходимо проводить испытания образцов материалов. Характеристики материалов получают по результатам гостированных испытаний стандартных образцов.

В зависимости от вида, природы и строения материалы имеют разные прочностные характеристики при той или иной температуре. У металлов чувствительность механических характеристик к изменению температуры зависит от типа кристаллической решетки, присущей данному материалу [2]. У полимерных материалов температурная зависимость механических свойств определятся классом полимера (термопластичные или термореактивные), химическим строением, физической организацией полимеров, морфологией их надмолекулярной структуры, видом и интенсивностью межмолекулярных связей [3].

Поэтому для определения и задания в расчетную модель необходимых механических характеристик материалов во всем исследуемом диапазоне температур были проведены испытания образцов материалов и соединительных элементов, использующихся в кузовах вахтовых автобусов, при различных условиях нагружения. Все испытания проводились на разрывной машине и оборудовании ЦКП «Транспортные системы» НГТУ им. Р. Е. Алексеева. Для обеспечения необходимой температуры образцов были разработаны и изготовлены специальные криостаты, один из которых защищен патентом на полезную модель [4]. Фрагмент испытания образцов материалов при пониженной или повышенной температуре приведен на рис. 1. Установлено, что среди подвергнутых испытанию материалов наиболее чувствительными к температуре окружающей среды оказались композитные материалы. На рис. 2 приведен график зависимости модуля Юнга от температуры. Из графика видно, что при повышении температуры до t = +60 °С модуль Юнга одного из исследуемых композитных материалов падает более чем на 30 % относительно значений при нормальных условиях, а при температуре t = -60 °С возрастает примерно на 17 %.

Чувствительными к изменению температуры являются и клеевые композиции, применяемые в вахтовых автобусах. При t = +60 °С их разрушающее усилие уменьшается до f+60 = 0,547 Н/мм от f+20 = 1,014 Н/мм, полученного при t = +20 °С, т.е. оно падает на 46 %. При t = -60 °С прочность клеевого соединения существенно возрастает. В этом случае при испытаниях разрушение происходит даже не по клеевому слою, а по склеиваемой детали из композита.

У образцов из стали повышение температуры в обозначенном пределе почти не сказывается на прочностных характеристиках. При понижении температуры повышается предел прочности и предел текучести, но снижается

104

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

относительное удлинение при разрыве. В зависимости от марки исследуемой стали предел пропорциональности Сщ возрастает в пределах 10-32 %, а

предел прочности Св - на 9,6-12,4 %. Относительное удлинение при этом уменьшается на 14,6-31,3 %. Для используемой фанеры понижение температуры до t = -60 °С вызывает снижение предела прочности более чем на 20 %.

Рис. 1. Фрагмент испытаний на трехточечный изгиб при пониженных температурах

Рис. 2. График зависимости модуля Юнга от температуры для композитного материала

Полученные изменения прочностных свойств материалов соответственно скажутся и на пассивной безопасности кузовов. Поэтому были проведены расчетные исследования по оценке пассивной безопасности в этом

Engineering sciences. Machine science and building

105

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

температурном диапазоне для кузовов, имеющих как стальные, так и композитные обшивки многослойных панелей.

3. Компьютерное моделирование

Для получения достоверных результатов при конечно-элементном моделировании опрокидывания автобусов необходимо создавать модели кузовов, максимально учитывающие все особенности конструкций (массовогабаритные параметры, способы соединения элементов конструкций и др.). Поэтому кузов вахтового автобуса из трехслойных панелей был представлен подробной конечно-элементной моделью, состоящей из одномерных стержневых, двумерных оболочечных и трехмерных объемных элементов. Разработанная модель кузова исследуемого автобуса показана на рис. 3, она имеет более 3 000 000 узлов и элементов. Многослойные панели моделировались с помощью оболочечных и объемных элементов соединенных «узел в узел». Клеевое соединение моделировалось с использованием специального связанного контакта с возможностью его разрушения. Заклепки представлялись одномерными разрывными элементами типа WELD с величиной разрывного усилия, равной значению, полученному экспериментально. При моделировании аварийного нагружения кузова воспроизводились условия, аналогичные тем, которые возникают при опрокидывании автобуса.

Рис. 3. Общий вид конечно-элементной модели

Результаты компьютерного моделирования условий нагружения кузова вахтового автобуса со стальными обшивками приведены на рис. 4.

На рис. 5 приведены графики изменения разрушающей нагрузки при нормальных условиях 1 и при температуре t = -60 °С - 2. Из графиков видно, что при отрицательной температуре пики в начальный момент удара выше примерно на 11 %, а далее кривые практически совпадают. Из рис. 3 и 4 видно, что для кузовов со стальными обшивками многослойных панелей зависимость пассивной безопасности от температуры выражена слабо.

Результаты моделирования опрокидывания вахтового автобуса с кузовом из панелей с композитными обшивками приведены на рис. 6 и 7. Как было показано выше, композитные материалы более чувствительны к изменению окружающей температуры. Это сказалось и на разном характере разрушения модели кузова в рассматриваемом диапазоне температур.

106

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

Рис. 4. Деформированный вид модели кузова со стальными обшивками панелей: а - при нормальных условиях; б - при температуре t = -60 °С

Рис. 5. Графики изменения разрушающей нагрузки для модели кузова со стальными наружными слоями многослойной панели:

1 - при нормальных условиях; 2 - при температуре t = -60 °С

Engineering sciences. Machine science and building

107

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

б)

в)

Рис. 6. Деформированные виды модели кузова № 1 с композитными обшивками многослойных панелей: а - при температуре t = -60 °С; б - t = +20 °С; в - t = +60 °С

Как видно из рис. 6 и 7 при нормальных (t = +20 °С) условиях и при t = -60 °С кузов выдержал ударное нагружение, он полностью поглотил энергию удара, сохранив структурную целостность. А при t = +60 °С кузов потерял структурную целостность. Разрушилась задняя панель, произошло отсоединение передней панели, фактически кузов разрушился, поглотив только 82 % энергии удара, что подтверждают и графики изменения ударных нагру-

108

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

зок, приведенные на рис. 7. Из сравнения графиков видно, что пиковые значения ударной нагрузки при t = +60 °С меньше на 27 %, а при t = -60 °С больше на 7 %, чем при t = +20 °С.

F, кН

Рис. 7. Графики изменения ударной нагрузки: 1 - при нормальных условиях; 2 - при температуре t = +60 °С; 3 - при температуре t = -60 °С

Заключение

Таким образом, полученные результаты показывают, что оценку пассивной безопасности кузовов необходимо проводить во всем температурном диапазоне эксплуатации автобусов. Выполнение требований Правил ЕЭК ООН № 66 только в нормальных условиях (t = +20 °С) еще не может гарантировать пассивную безопасность автобусов во всем температурном диапазоне. При этом наиболее целесообразно для оценки пассивной безопасности автобусов применять расчетно-экспериментальные методы, позволяющие получать необходимые результаты при меньших материальных затратах, в сравнении с экспериментальными методами.

Список литературы

1. Батурин, А. С. Разработка методики и оценка пассивной безопасности кузовов из многослойных панелей вахтовых автобусов : дис. ... канд. тех. наук. 05.05.03 / Вашурин Андрей Сергеевич. - Н. Новгород, 2014. - 225 с.

2. Херцберг, Р. В. Деформация и механика разрушения конструкционных материалов / Р. В. Херцберг ; под. ред. М. Л. Бернштейна, С. П. Ефименко. - М. : Металлургия, 1989. - 576 с.

3. Крыжановский, В. К. Технические свойства полимерных материалов : справочник / В. К. Крыжановский, В. В. Бурлов, А. Д. Паниматченко, Ю. В. Крыжа-новская. - 2-е изд., доп. - СПб. : Профессия, 2005. - 248 с.

4. Патент на полезную модель RU135136U1 МПК G01N3/02. Устройство для испытаний конструкционных материалов на изгиб при нормальных, криогенных и повышенных температурах / Вашурин А. С., Чегуров М. К. - 2013129131/28 ; заявл. 25.06.2013 ; опубл. 27.11.2013.

Engineering sciences. Machine science and building

109

Известия высших учебных заведений. Поволжский регион

References

1. Vashurin A. S. Razrabotka metodiki i otsenka passivnoy bezopasnosti kuzovov iz mnogosloynykh paneley vakhtovykh avtobusov: dis. kand. tekh. nauk [Methodology development and passive safety estimation for shidt-buses’ vehicle bodies made of multilayer panels: dissertation to apply for the degree of the candidate of engineering sciences]. Nizhny Novgorod, 2014, 225 p.

2. Khertsberg R. V. Deformatsiya i mekhanika razrusheniya konstruktsionnykh materialov [Deformation and fracture mechanics of structural materials]. Moscow: Metallurgiya, 1989, 576 p.

3. Kryzhanovskiy V. K., Burlov V. V., Panimatchenko A. D., Kryzhanovskaya Yu. V. Tekhnicheskie svoystva polimernykh materialov: spravochnik [Technical properties of polymeric materials: reference book]. Saint Petersburg: Professiya, 2005, 248 p.

4. Useful model patent of the Russian Federation RU135136U1 MPK G01N3/02. Device for angular testing of structural materials at normal, cryogenic and high temperatures]. Vashurin A. S., Chegurov M. K. 2013129131/28; appl. 25 June 2013; publ. 27 November 2013.

Вашурин Андрей Сергеевич старший преподаватель, кафедра автомобилей и тракторов, Нижегородский государственный технический университет имени Р. Е. Алексеева

E-mail: andreyctg@gmail.com

Орлов Лев Николаевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой автомобилей и тракторов, Нижегородский государственный технический университет имени Р. Е. Алексеева

E-mail: ait.ngtu@gmail.com

Чегуров Михаил Константинович

кандидат технических наук, доцент, кафедра материаловедения, технологии материалов и термической обработки металлов, Нижегородский государственный технический университет имени Р. Е. Алексеева

E-mail: mkchegurov@mail.ru

Vashurin Andrey Sergeevich Senior lecturer, sub-department of automobiles and tractors,

Nizhny Novgorod State Technical University named after R. Y. Alekseev

Orlov Lev Nikolaevich

Doctor of engineering sciences, professor,

head of sub-department of automobiles

and tractors, Nizhny Novgorod State

Technical University named

after R. Y. Alekseev (24 Minina street,

Nizhny Novgorod, Russia)

Chegurov Mikhail Konstantinovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of materials science, materials technology and thermal treatment, Nizhny Novgorod State Technical University named after R. Y. Alekseev

110

University proceedings. Volga region

№ 4 (32), 2014

Технические науки. Машиностроение и машиноведение

УДК 629.34 Вашурин, А. С.

Оценка влияния температурных условий эксплуатации на пассивную безопасность вахтовых автобусов / А. С. Вашурин, Л. Н. Орлов, М. К. Чегуров // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2014. - № 4 (32). - С. 102-111.

Engineering sciences. Machine science and building

111