Evaluation of carrying system resource in complex stress state (on the example of semitrailer frame)

УДК 621.81:539.4

С.Ю. Лушников

ОЦЕНКА РЕСУРСА НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ ПРИ СЛОЖНОМ НАПРЯЖЕННОМ СОСТОЯНИИ

Рассмотрена проблема оценки ресурса элементов несущей системы полуприцепа, с учетом влияния нормальных и касательных напряжений.

Несущая система, полуприцеп, ресурс, тензорезисторы, напряженно-деформированное состояние, блоки нагружения, предел выносливости, усталостная долговечность по нормальным и касательным напряжениям, медианная долговечность.

S.Yu. Lushnikov EVALUATION OF CARRYING SYSTEM RESOURCE IN COMPLEX STRESS STATE

The problem of element resource estimation of semitrailer carrying system with the influence of normal and shear stresses was examined in the article.

Carrying system, semitrailer, resource, tensoresistor, stress-strain state, loading blocks, endurance limit, fatigue endurance under the normal and shear.

Значительный рост грузоперевозок в России автомобильным транспортом в настоящее время требует создания несущих систем транспортных машин, обеспечивающих безремонтный пробег машин до их списания.

Однако эксплуатация подобного транспорта, как российского, так и иностранного производства, показала, что разрушения несущих систем этих транспортных средств происходят достаточно часто, а последующий ремонт по стоимости приближается к стоимости новой конструкции.

В связи с этим все возрастающие требования к обеспечению требуемого ресурса транспортных средств привели к необходимости поиска путей дальнейшего совершенствования их несущих систем и методов оценки ресурса.

В настоящее время в России разработаны и производятся несколько конструкций полуприцепов, несущая система которых представляет собой раму лестничного типа. Опыт эксплуатации полуприцепов как отечественного, так и зарубежного производства показал, что наиболее уязвимыми местами в конструкции являются районы шкворня, гуся и крепления осей.

Поэтому, при разработке конструкции несущей системы полуприцепа большое внимание уделено обеспечению прочности и оценке долговечности конструкции.

В процессе проектирования конструкции полуприцепа было рассмотрено 12 вариантов различных по конструкции и по используемым профилям поперечных сечений элементов [1].

Для всех рассматриваемых вариантов расчетных схем методом конечных элементов выполнены расчеты напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов несущей системы.

Анализ НДС элементов рассматриваемых несущих систем позволил для дальнейшего исследования остановиться на пяти вариантах конструкций, в элементах которых отмечено снижение уровня нормальных и касательных напряжений.

Разработка рабочей документации конструкции полуприцепа опытного образца была выполнена для одного варианта [2].

В соответствии с поставленной задачей исследования выполнено экспериментальное исследование НДС элементов натурной конструкции полуприцепа. При этом предполагалось сопоставить результаты численного исследования и результаты эксперимента, а также оценить уровень касательных напряжений в эксперименте.

С этой целью места наклейки тензорезисторов и розеток принимались в сечениях, НДС в которых известно по результатам численного эксперимента.

В ходе эксперимента получены значения касательных и нормальных напряжений, сопоставимых с данными, полученными в ходе численного эксперимента (табл. 1, 2), анализируя которые, можно заключить, что уровни нормальных и касательных напряжений в лонжеронах рамы в реальном и численном экспериментах находятся в пределах одного порядка.

Таким образом, можно отметить, что на начальном этапе проектирования, при грамотном подходе к созданию расчетной схемы конструкции, достаточно проводить численный эксперимент. И в то же время необходимо отметить, что уровни касательных напряжений в сечениях конструкции, полученные в ходе реального эксперимента, достаточно высоки, что позволяет заключить о необходимости учета их влияния при оценке долговечности.

Оценка ресурса элементов конструкции несущей системы при действии переменных нормальных и касательных напряжений выполнена по результатам записей переменных напряжений [3].

Для записи переменных нормальных и касательных напряжений в эксперименте была усовершенствована измерительная система на базе платформы с процессором Pentium 1» для регистрации сигналов от 8 тензодатчиков в частотном диапазоне от 0 до 20 Гц. Данный тензометрический комплекс состоит из следующих приборов: персональный компьютер с ПО; плата АЦП «ЛА-70М4»; адаптер; тензоусилитель ТОПАЗ-3; тензодатчики.

Таблица 1

Нормальные напряжения, возникающие в сечениях лонжерона разработанной рамы полуприцепа

Вариант рамы Т нагрузки, приведенн ые к узлам, т Масса рамы, т Нормальные напряжения в численном эксперименте

шкворень, МПа гусь, МПа 1-я ось, МПа 2-я ось, МПа 3-я ось, МПа

Рата15 32 3.331 -43,46 -75,5 -13,5 42,59 38,88

-42,56 -67,51 -40,36 52,84 55,04

Таблица 2

Касательные напряжения, возникающие в сечениях лонжерона разработанной рамы полуприцепа

Вариант рамы I нагрузки, приведенн ые к узлам, т Масса рамы, т Касательные напряжения в численном эксперименте

шкворень, МПа гусь, МПа 1-я ось, МПа 2-я ось, МПа 3-я ось, МПа

Рата15 32 3.331 31 -16,5 11 10,2 15,57

34,54 35,1 13,62 34,54 37,23

Переменные напряжения фиксировались для розетки датчиков, наклеенных на элементе несущей системы рамы, при движении автомобиля по асфальту в удовлетворительном состоянии со скоростью v = 40 км/ч. Общий пробег машины в процессе записи составил 9 км.

Переменные значения деформации тензодатчиков, записанные на жесткий диск персонального компьютера посредством платы сбора данных АЦП «ЛА-70М4», представляют собой записи случайных процессов (рис. 1).

3,0Е+07

я 2,5Е+07

™ 2,0Е+О7 О)

5 1.5Е+07

| 1,0Е+07

5.0Е+06 | 0,0Е+00 — -5.0Е+06 -1,0Е+07

-А

Г

¡4-

%

; | Нормальные напряжения по оси У ;; Нормальные напряжения по оси Х -К-Касательные напряжения

17 ‘и1Х2Ъ---зз^-чар------49-

Число реализаций процесса, период - 6 с

Рис. 1. Фрагмент записанного случайного процесса изменения величин амплитудных напряжений

Полученные записи случайных процессов изменения величин напряжений в дальнейшем обрабатывались по специально разработанной программе. Программный модуль включал в себя следующие этапы: центрирование процесса; анализ

стационарности; представление дискретного процесса изменения амплитуды с малым шагом квантования; расчет дискретных величин переменных касательных напряжений.

В итоге обработки зафиксированных массивов напряжений на этом этапе получены дискретные процессы изменения величин нормальных и касательных напряжений.

В дальнейшем полученные процессы изменения амплитудных напряжений схематизировались методом полных циклов по ГОСТ 25.101-83 и в результате обработки были получены гистограммы распределения амплитуд переменных нормальных и касательных напряжений.

Усталостная долговечность по нормальным амплитудным напряжениям рассчитана по зависимости [4]

Ха

х NG

а !°ху ,,

>0,5а_1д

где Ха - усталостная долговечность; та - наклон левой ветви кривой усталости; а-1д -предел выносливости при симметричном цикле; Мв - абсцисса точки перелома кривой

усталости; sai - амплитудное напряжение, соответствующее i-му блоку нагружения; vi6 -число циклов в блоке нагружения.

Для анализа усталостной долговечности по нормальным напряжениям приняты данные: с_1д = 35 МПа, ms = 3,86, NG = 5х106.

Усталостная долговечность с учетом касательных амплитудных напряжений рассчитана по зависимости [4]

tms х ng

t mt XV

'tai >0,5t_1d ai i6

При этом в расчетах усталостной долговечности по касательным напряжениям принято: т_1а = 21 МПа, тх = 3,86, Щ = 5х106.

Медианная долговечность конструкции, учитывающая нормальные и касательные напряжения, для частного случая при та= тх= т примет вид [4]

1:

КХК

_2 2 ^

выполнены расчеты усталостной

По имеющимся зависимостям для Ха и 1х долговечности конструкции (рис. 2).

Оценка выполнена для нескольких вариантов: долговечность, рассчитанная при совместном действии переменных нормальных и касательных напряжений и равных значениях та = тх = т; долговечность, рассчитанная для случая совместного действия нормальных и касательных напряжений при фиксированном значении та = 3,86 и изменяющемся 3,86 < тх < 6, и долговечность, рассчитанная для случая анализа только по величинам нормальных напряжений и отдельно по величинам непосредственно касательных напряжений.

Анализируя распределения долговечностей (рис. 2), можно отметить, что оценка долговечности конструкции при сложном напряженном состоянии в значительной степени зависит от учета касательных напряжений. Причем, если уровни переменных касательных и нормальных напряжений сопоставимы, то главенствующую роль в формировании повреждения играют касательные напряжения. Связано это с тем обстоятельством, что резко возрастает частость амплитуд касательных напряжений, учитываемых в расчетах.

С целью решения вопроса о методе оценки ресурса конструкции с учетом нормальных и касательных напряжений планируется проведение эксперимента для конструкций, работающих в различных условиях эксплуатации.

+03-

мттшш

tUlt'üll

pipml

«КЗДЗкМй

ShAKÍ М№± ÍI

3,5 — 3,0Е+03

ДЕ+06

:+об

♦ -•1 медианная долговечность

п1при ms = 4, а 3,86 < mt < 6

медианная долговечность при m = ms = mt

Щ

•Д(

Н(

Д<

х. долговечность

долговечность

по нормальным напряжениям

по касательным напряжениям

3,0Е+04 3,0Е+05

Л., блоков нагружения

3,0Е+06

m

2

Рис. 2. Функция распределения усталостной долговечности 1

ЛИТЕРАТУРА

1. Лушников С.Ю. Разработка полуприцепа большой грузоподъемности с безремонтным пробегом за весь срок службы / С.Ю. Лушников // Всероссийский конкурс среди молодежи высших учебных заведений Российской Федерации на лучшие научные работы по естественным наукам: тез. науч. работ. Саратов: СГТУ, 2004. С. 104-106.

2. Пат. № 35618 Российская Федерация, МПК 7 B 62 D 21/00. Рама транспортного

средства / В.Е. Боровских, И.В. Бальзамов, С.Ю. Лушников, Н.С. Приказчиков,

У.В. Боровских. № 2003132408; заявл. 12.11.03; опубл. 27.01.04. Бюл. № 3.

3. Лушников С.Ю. Оценка ресурса несущей системы по результатам натурных динамических испытаний / С. Ю. Лушников, В. Е. Боровских // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2008. № 2 (32). Вып. 1. С. 26-30.

4. Когаев В. П. Прочность и износостойкость деталей машин / В. П. Когаев, Ю.Н. Дроздов. М.: Высшая школа, 1991. 319 с.

Лушников Станислав Юрьевич - Lushnikov Stanislav Yuriyevich -

аспирант кафедры Post-graduate Student of the Department

«Теория механизмов и детали машин» of «Theory of Mechanisms

Саратовского государственного and Machine Parts»

технического университета of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 21.07.10, принята к опубликованию 30.09.10