Исследование несущей способности многослойных панелей

НАЗЕМНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ

УДК 629.113

А.С. Вашурин, А.В. Герасин, Л.Н. Орлов

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ МНОГОСЛОЙНЫХ ПАНЕЛЕЙ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Рассматривается вопрос расчетно-экспериментальной оценки прочности и пассивной безопасности кузовных конструкций, выполненных из многослойных панелей (сендвич-панелей). Особенностью таких панелей является относительная высокая прочность и малая масса. Ввиду конструктивных особенностей несущих систем, выполненных из сендвич-панелей, важное практическое значение и большой научный интерес представляют расчетно-экспериментальные методы оценки несущих свойств панелей. Описаны исследования, выполненные на кафедре «Автомобили и тракторы» АМИ НГТУ, показаны перспективы развития данного научно-практического направления.

Ключевые слова: многослойная панель, несущая способность, конечно-элементный анализ, расчетная модель, эксперимент.

Повышение эффективности современной техники неразрывно связано с поиском и реализацией новых конструктивно-технологических решений. Одной из важнейших задач при проектировании нового изделия является снижение его массы при сохранении или улучшении жесткостных и прочностных характеристик, а также более эффективное использование занимаемого объема. Наиболее перспективным направлением при разработке кузовных конструкций является использование многослойных панелей (в частности, трехслойных). Трехслойные силовые конструкции представляют собой объемные композиции из листов обшивки и расположенного между ними заполнителя (рис. 1).

Рис. 1. Типовая схема трехслойной панели

В автомобильной промышленности внедрение многослойных конструкций началось приблизительно в 70-х годах ХХ века [1]. Первоначально такие панели применялись преимущественно в изотермических фургонах и специализированных фургонах для нужд во-

© Вашурин А.С., Герасин А.В., Орлов Л.Н., 2012.

оруженных сил. В настоящее время трехслойные панели находят применение в конструкции автобусов [2]. Количество прототипов, представляемых различными производителями, указывает на чрезвычайную перспективность данного направления. Примеры таких конструкций: Advanced Technology Transit Bus, NABI Compobus, BOVA Magiq Bus, D-bus, Metroliner MIC 8012 GE, Prevost Car XLII, Автобус модели 3283 «Ford Столичный» ПГ «Самотлор НН».

Исходя из анализа конструкций многослойных панелей, можно сказать, что применение сендвич-панелей (в большей степени трехслойных) является перспективным направлением в автомобилестроении. Кузовные конструкции, выполненные из таких панелей, обладают высокой прочностью и жесткостью, могут эксплуатироваться в различных климатических зонах (в том числе на территориях с крайне низкими температурами). В этой связи актуальным становится вопрос оценки прочности и пассивной безопасности конструкций (в частности, в условиях опрокидывания), решение которого может быть достигнуто за счет применения методики расчетно-экспериментального исследования поведения конструкций в условиях аварийного нагружения [3-5].

Рис. 2. Внешний вид автобуса специального на базе шасси УРАЛ-43203

Рис. 3. Внешний вид автобуса специального на базе шасси КамАЗ-4326

Специалистами кафедры «Автомобили и тракторы» АМИ НГТУ были проведены расчетно-экспериментальные исследования, направленные на изучение поведения многослойных панелей под действием эксплуатационных и аварийных нагрузок [6].

Объектами исследования являлись конструкции автобусов специальных на базе шасси УРАЛ-43203 и КамАЗ-4326, производимых ООО «Автофургон». На рис. 2 и рис. 3 показан общий вид исследуемых автомобилей.

На рис. 4 показана конструкция кузова данных транспортных средств, состоящая из стального каркаса, основания и многослойных панелей, из которых выполнены боковины, крыша, пол, а также передняя и задняя стенки.

Рис. 4. Конструкция кузова вахтового автобуса

В рассматриваемой конструкции используются трехслойные сэндвич-панели, состоящие из внешней обшивки (алюминиевого листа толщиной 1 мм), внутренней обшивки (лист фанеры толщиной 12 мм для панели пола и 3-4 мм для остальных панелей) и заполнителя (армированный пенополистирол толщиной 26 мм). Все панели имеют деревянный каркас, выполненный из брусков с прямоугольным поперечным сечением 26х50мм.

В процессе исследований анализировался характер поведения сэндвич-панели, состоящей из трех слоев: наружного - алюминиевого листа; внутреннего - фанеры и среднего -армированного пенополистиролового заполнителя на деревянном каркасе. С целью проведения расчетных исследований была создана подробная конечно-элементная модель панели, состоящая из оболочечных и объемных элементов (клеевой слой между слоями панели не моделировался). Слои панели могли совершать перемещения относительно друг друга, однако, с целью учета особенностей клеевого соединения составных частей панели, задавался относительно высокий коэффициент трения.

Известно, что определение характеристик материалов является одной из важнейших задач при получении адекватных результатов компьютерного моделирования поведения конструкции под нагрузкой. Для многослойных панелей необходимо иметь данные для каждого используемого материала (слоя). После валидации характеристик отдельных материалов необходимо проверить и при необходимости откорректировать характеристики в составе модели трехслойной панели таким образом, чтобы данные расчетов имели наилучшую сходимость с данными экспериментальных исследований.

Определение характеристик деревянных образцов проводилось в условиях изгибного

нагружения, при этом нагрузка прикладывалась как перпендикулярно, так и параллельно волокнам дерева. В каждом направлении проводилось несколько испытаний. Образцы выбирались таким образом, чтобы отклонения направления волокон древесины составляло не больше 10° от осей симметрии образца. Образец устанавливался на цилиндрические опоры (рис. 5, а), лишенные относительного проскальзывания. Для регистрации нагрузки применялся динамометр, а для определения перемещений использовался штангенциркуль и индикатор часового типа на специальной подставке.

На рис. 5, б показана схема нагружения конечно-элементной модели (КЭМ) деревянного бруска и результаты моделирования изгибного нагружения. На рис. 5, в представлены графики экспериментальных кривых и график, полученный при конечно-элементном анализе, с учетом подобранных характеристик дерева. Расчетные данные хорошо согласуются с данными экспериментальных исследований, что свидетельствует об адекватном представлении деревянных элементов. Следует отметить, что при моделировании дерева использовались объемные 8-узловые элементы типа SOLID, а в характеристиках дерева учитывался критерий разрушения, позволяющий имитировать излом деревянного бруска при нагрузке, превышающей критическое значение.

а) б) в)

Рис. 5. Расчетно-экспериментальное исследование поведения деревянных брусков:

а - натурные испытания; б - имитационное моделирование; в - графики изменения вертикальной нагрузки, действующей на деревянный образец в зависимости от изгибных деформаций

Испытания образцов пенополистиролового заполнителя проводилось в два этапа: первоначально определялись характеристики пенополистирола, затем - характеристики армированного фанерой пенополистирола. На рис. 6, а дана схема стендовых испытаний образца пенополистиролового наполнителя, по результатам которых были определены характеристики наполнителя, необходимые для имитационного моделирования.

На рис. 6, б приведены графики изменения вертикальной нагрузки, действующей на образец фанеры, полученные при испытаниях и компьютерном моделировании. Видно, что результаты расчетов имеют хорошую сходимость с экспериментальными данными, при этом расхождение результатов не превышает 20% (вполне допустимо). Испытания образцов из алюминия не проводились ввиду достаточного количества информации по характеристикам данного материала в справочной литературе.

После определения характеристик составляющих элементов сендвич-панели была выполнена оценка адекватности расчетной модели панели на основе сравнения результатов компьютерного моделирования с данными экспериментальных исследований, заключающихся в изгибном нагружении образца панели с консольным закреплением. Фрагменты проведения испытаний представлены на рис. 7, а, деформированный вид КЭМ на рис. 7, б.

s

и

эксперимент 1

V**  * Эксперимент

< . J-j

\

У  Экспериш ?кт з \ Расчет

\

а)

4 6

Перемещения, мм

б)

10

Рис. 6. Исследования характеристик заполнителя (пенополистерола) и фанеры:

а - схема натурных испытаний заполнителя; б - графики изменения вертикальной нагрузки, действующей на образец фанеры в зависимости от изгибных деформаций

Рис. 7. Расчетно-экспериментальные исследования сендвич-панели:

а - экспериментальные исследования; б - деформированный вид расчетной модели

Рис. 8. Графики изменения нагрузки для расчетной модели и экспериментального

образца многослойной панели

Как показало сравнение результатов расчетов с данными эксперимента (рис. 8), расхождение по максимальному значению разрушающей нагрузки не превышало 10%, что является вполне приемлемым. Однако из графиков видны существенные различия в некоторых точках графика, что указывает на необходимость продолжения работ по доводке расчетной модели. В этой связи планируется проведение дополнительных экспериментальных исследований при других условиях нагружения:

• испытания на сдвиг;

• испытания с различными видами наполнителя;

• испытания с различными скоростями нагружения.

В области компьютерного моделирования, планируется:

• создание КЭМ, имеющих различные сочетания типов элементов (различные сочетания пластинчатых и объемных элементов);

• проработка вопроса моделирования клеевого слоя;

• проработка вопросов, связанных с моделированием армирующих элементов в заполнителе;

• более достоверное моделирование анизотропных материалов (дерева).

Библиографический список

1. Ендогур, А.И. Сотовые конструкции / А.И. Ендогур, М.В. Вайнберг, К.М. Иерусалимский. -М.: Машиностроение, 1986. - 200 с.

2. Воронков, О.В. Новое в конструкции и проектировании автобусных кузовов / О.В. Воронков, В.И. Песков, А.А. Хорычев. - Н. Новгород: НГТУ, 2009. - 185 с.

3. Основы разработки конечно-элементных моделей кузовных конструкций автотранспортных средств. Расчеты на безопасность и прочность: учеб. пособие / Л.Н. Орлов [и др]; под ред. Л.Н. Орлова. - Н. Новгород, НГТУ, 2009. - 153 с.

4. Ким, И.В. Оценка прочности силовой структуры кузовов автобусов методами математического моделирования. Ч. 1 / И.В. Ким, В Н. Зузов // Журнал ААИ. 2008. №5. С. 30-31.

5. Ким, И.В. Оценка прочности силовой структуры кузовов автобусов методами математического моделирования. Ч. 2 / И.В. Ким, В Н. Зузов // Журнал ААИ. 2008. №6. С. 40-41.

6. Вашурин, А.С. Расчетно-экспериментальная оценка прочности и пассивной безопасности кузова автобуса с трехслойными панелями / А.С. Вашурин [и др.] // Журнал ААИ. 2011. №1. С. 20-22.

Дата поступления в редакцию 30.01.2012

A.S. Vashurin, A.V. Gerasin, L.N. Orlov THE RESEARCH OF SANDWICH BEARING CAPACITY

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

Purpose: The developing of computational and experimental methods of estimating of sandwich bearing capacity that are used in vehicles body structures.

Design/methodology/approach: The computational research based on finite element method with using of different types of elements (beam, shell, solid) and materials (elastic, elastic-plastic kinematic). The experimental research based on quasi static methods of loadings of vehicle body structure parts.

Findings: It is possible to apply the research results for estimation of stiffness and passive safety of vehicles structures that are made of sandwich panels.

Research limitations/implications: The present study provides a starting-point for further research in the field of vehicle sandwich panels design.

Originality/value: The main peculiarity of the study is original approach of finite element simulation of sandwich panels loadings conditions that are based on experimental data.

Key words: multi-layer plate, bearing capacity, finite element analysis, computational model, experiment.