Методика расчет напряженно-деформированного состояния рамных конструкций автотракторных прицепов категории О3 при различных внешних воздействиях

Построение данной системы возможно, используя только open-source проекты. Это позволяет уменьшить стоимость системы, а также обеспечивает достаточно простое внесение изменений в систему в зависимости от нужд заказчика. В качестве хостоперационной системы физического сервера используется ОС Linux, собранная из новейшего ядра Linux, а также программ, требуемых для работы виртуализации. В качестве менеджера виртуальных машин используется open-source проект - Virtual Machine Manager. В качестве гипервизора используется QEMU. Эта программа позволяет эмулировать различные устройства. Для связи между менеджером и QEMU используется библиотека libvirt. Ее использование позволяет формировать командную строку для запуска QEMU, используя дружественный интерфейс Virtual Machine Manager.

Таким образом, использование виртуализации позволяет на одном физическом сервере установить большое количество виртуальных серверов, требуемых для работы организации. Каждый из этих серверов защищен от внешних атак путем шифрования трафика, а также введением двухфакторной аутентификации. Помимо этого, каждый виртуальный сервер содержит большое количество снимков и логов, что позволяет быстро восстановить его работоспособность в случае взлома. Информация каждого пользователя шифруется при его работе с сервером, что позволяет защитить ее от злоумышленника, не имеющего ключа для ее дешифрации. В общем случае, использование такой системы повышает безопасность информационной системы компании, а также уменьшает издержки на ее развертывание и поддержку.

Литература

1. Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual // Intel, 2014 // Официальный сайт INTEL [Электронный ресурс]

URL: http://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/manuals/64-ia-32-architectures-software-developer-manual-

325462.pdf (дата обращения 30.03.2015).

2. QEMU Manual // QEMU // Официальный сайт QEMU [Электронный ресурс] URL: http://wiki.qemu.org/Manual

3. Robert Warnke, Thomas Ritzau Qemu-kvm & libvirt. Германия: Books on Demand GmbH, Norderstedt, 2010. - 276 с.

References

1. Intel 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual // INTEL, 2014 // Oficial’nyj sajt INTEL [Jelektronnyj resurs] URL: http://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/manuals/64-ia-32-architectures-software-developer-manual-325462.pdf (data obrashhenija 30.03.2015).

2. QEMU Manual // QEMU // Oficial’nyj sajt QEMU [Jelektronnyj resurs] URL: http://wiki.qemu.org/Manual

3. Robert Warnke, Thomas Ritzau Qemu-kvm & libvirt. Germany: Books on Demand GmbH, Norderstedt, 2010. - 276 s.

Шермухамедов А.А.1, Тогаев А.А.2

'Доктор технических наук, профессор; 2Аспирант, Ташкентский автомобильно-дорожный институт МЕТОДИКА РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РАМНЫХ КОНСТРУКЦИЙ АВТОТРАКТОРНЫХ ПРИЦЕПОВ КАТЕГОРИИ О3 ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ВНЕШНИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Аннотация

В статье на примере тракторного прицепа, грузоподъемностью 4 тонн рассматривается методика численного расчета напряженно-деформируемого состояния рамных конструкций автотракторных прицепов категории О3. На основе сопоставительного анализа, показано, что предложенная методика расчета напряженно-деформируемого состояния рамы даёт хорошее согласование с экспериментальными данными (максимальные значения напряжения в пределах 11%) и ее можно использовать при обосновании прочностных параметров автотракторных прицепов категории О3.

Ключевые слова: прицеп, рама, численный расчёт, дорожные условия, прочность, напряженно-деформируемое состояние.

Shermukhamedov A.A.1, Тоgаеv A.A.2

'Doctor of Technical Sciences, professor; ^Postgraduate student, Tashkent Automobile and Road Institute METHOD OF CALCULATING THE STRESS-STRAIN STATE OF FRAME STRUCTURES OF AUTOTRACTOR TRAILERS OF CATEGORY О3 AT VARIOUS EXTERNAL INFLUENCES

Abstract

In article on an example of the tractor trailer, load-carrying capacity of 4 tons considers the technique for numerical calculating the stress-strain state of the frame structures of autotractor trailers of category O3. On the basis of the comparative analysis, it is shown, that the offered method of calculating the stress-strain state of the frame gives the good coordination with experimental data (the maximum values ofpressure within 11 %) and it can be used at a substantiation durability parameters of autotractor trailers of category О3.

Keywords: trailer, frame, numerical calculation, road conditions, strength, stress-strain state.

Рама транспортной машины является основным несущим элементов конструкции, который воспринимает все нагрузки, возникающие при движении транспортного средства по дорогам и пересеченной местности. Кроме того, несущая система является основанием для крепления узлов и агрегатов машины, поэтому к ней предъявляются дополнительные требования и ее конструктивные формы должны быть подчинены общему компоновочному замыслу [1]. Расчёт рам на прочность является одной из важнейших задач при проектировании транспортных машин. Для того чтобы подчеркнуть актуальность проводимых исследований, отметим, что транспортное машиностроение, к сфере которого относится объект исследований, существенно отличается от других отраслей машиностроения. Его особенность состоит в том, что внешние нагрузки, действующие на конструкцию, переменны во времени и прилагаются с определенной частотой, зависящей от скорости движения, фактической нагрузки, состояния дороги и от многих других факторов. При этом во время эксплуатации возможны резонансные явления, которые могут привести к высоким, по отношению к номиналу, напряжениям и ко многим другим нежелательным явлениям. Переменный характер внешних нагрузок ведет к периодическому изменению напряжения, что, в свою очередь, способствует возникновению усталостных трещин, рост и развитие которых вызывает усталостное разрушение.

В работе на примере тракторного прицепа, грузоподъемностью 4 тонн рассматривается методика расчета напряженнодеформируемого состояния рамы прицепа. Предложенная методика позволит проведения прочностных расчетов разрабатываемых на Ташкентском тракторном заводе автотракторных прицепов, грузоподъемностью 6 и 8 тонн.

Рама состоит из двух лонжеронов и семи поперечин, которые представляют собой жесткие стержневые элементы замкнутого и незамкнутого контура и имеют довольно корытные тонкостенные профили поперечного сечения (рис. 1). Указанные элементы получены штамповкой из листового металла толщиной 4-6 мм. Рамы прицепов конструктивно выполняются по следующей компоновке: лонжероны соединены между собой поперечинами посредством сварки, образуя при этом рамную конструкцию; в передней части рамы изготавливается опорно-сцепной устройство; подвеска соединяется с лонжеронами с помощью рессор, упругих элементов.

121

Актуальным является совершенствование методики расчетов на прочность и жесткость рамных конструкций прицепов. В качестве частных задач в работе рассматриваются: разработка расчетной схемы рамы по методу конечных элементов (МКЭ) с учетом симметрических свойств конструкции относительно продольной оси; исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) рамы прицепа по условию статического нагружения; деформация изгиба рамы от внешней нагрузки, соответствующей номинальной грузоподъемности прицепа; совместная деформация рамы от массы груза и закручивания относительно опорного устройства при переезде колесом (стороной) через препятствие; учет податливости (осадки) упругих элементов подвески (рессор) на НДС рамы; сравнение расчетов по оценке НДС с результатами экспериментальных исследований для условий статического нагружения, выполненных на полигоне Узбекского государственного центра испытаний техники и технологий, при испытании прицепа 2ПТС-4-793А.

Рама рассматривается на упругом основании в условиях статического нагружения, обеспечивает соответствие характера распределения напряжений в конструкции, полученных расчетным путем, результатам проведенных экспериментальных измерений тензометрированием [2].

Величина внешней нагрузки, принятая к рассмотрению при исследовании НДС рамы, соответствует номинальной грузоподъемности прицепа.

При определении расчетной нагрузки рамы прицепа по статической прочности, с достаточной для инженерной и конструкторской практики погрешностью, нагруженность оценивается по деформациям изгиба от массы перевозимого груза. Влияние закручивания рамы, вызванное движением по неровной поверхности и перераспределением массы, учитывается включением в систему уравнений изгиба дополнительных уравнений кручения.

При построении расчетной схемы тонкостенного стержня рассматривают его «срединную» поверхность, которая проходит через средину элементов, образующих стержень [3]. След срединной поверхности в плоскости поперечного сечения образует профиль сечения (рис. 2).

По очертанию профиля различают два типа стержней:

- стержни с закрытым профилем;

- стержни с открытым профилем.

Для открытого и замкнутого профиля геометрические параметры определяется по формуле

Jk = «Ё A w = J

i=1 3 5

4 F *2

J ; W = 2 F 5.

k г d s

5

где а - коэффициент (для двутавров принимается равным 1,2; для швеллера - 1,12; уголка - 1,0); 5 - соответственно толщина каждой части профиля (меньшая сторона прямоугольника); s - соответственно длина контура каждой части поперечного сечения (большая сторона прямоугольника); F - площадь «живого» поперечного сечения.

Работа тонкостенных стержней замкнутого профиля существенно не отличается от работы обычных стержней. При их расчетах можно применять закон плоских сечений. Работа тонкостенных стержней открытого профиля не может быть описана законом плоских сечений, он заменяется более сложным законом [4].

122

Поперечные сечения тонкостенных стержней открытого профиля при нагрузках, создающих закручивание, не остаются плоскими. Происходит депланация сечений, связанная с перемещениями точек из плоскости поперечного сечения вдоль оси стержня.

Расчет ведется в соответствии с известными правилами теории сопротивления материалов в следующей последовательности

[5]:

а) рассчитывается эпюра изгибающих моментов;

б) определяются напряжения изгиба по формуле:

M и . 2

о„ = —и,кгс/см .

и W/

Из курса сопротивления материалов нам известно, что дифференциальное уравнение изгиба имеет вид

dPx _MX

d х EJ

где фх - угол поворота сечения х, а Mx - изгибающий момент в сечении х. Определим выражения для QbMbQ2, M2

X

Рис. 3. Схема сил и моментов, действующих на стержневой элемент

Из рис. 3 видно, что изгибающий момент в сечении х равен, Mx=Qyx+ Мь теперь решая дифференциальное уравнение (3) получим

2

1 Q,x M1 х

рх =-+ ~^ + P х 2 EJ EJ

Прогиб vx в сечении х определим из уравнения

d v

х = Фх, ^ =

d х

Запишем выражения фх и vх при х=1

1 Qil2 , Mil

1 0.х 1M1х _ , Л _ ч

---1--1----1--ъ

6 EJ 2 EJ 1 2 V 2 1

P2 =

V2 =

2 EJ EJ

1 QL+1 Ml2

6 EJ 2 EJ

+ P

о

+ ф11 + v1

l2 l

2EJ EJ Q1 -P1+p2

l3 l2 L M1J 1 1 1 <N 1

6 EJ 2EJ

Решая систему получим

Q1 =

6EJ

T3

m =-

2EJ

T2

В конце балки Q2=Q1,M2=Q1l+ M1 выражения для Q1,M1,Q2,M2 можно записать в матричном виде

Стержневой элемент с учетом кручения рассматривается, как объединение элементов описывающих: изгиб в плоскости ху уравнениями (4) и кручение с осью симметрии х-х следующими уравнениями

Q1 12 6l -12 6l v1

M1 EJ —6l -4l2 6l -2l2 Ф1

Q2 = 7“ 12 6l -12 6l V2

M2 _ 6l 2l2 -6l 4l2 j 1

'MX11 = GJk ' 1 -1" \Фх1

Mх 2 J l -1 1 ,—'

123

Тогда общая система уравнений примет вид:

12EJ 6 EJ 12EJ 6EJ 0 0

l3 l2 l3 l2

6EJ 4EJ 6EJ 2 EJ 0 0

б: l2 l l2 l v1

12 EJ 6 EJ 12EJ 6EJ 0 0 V

й l3 l2 l3 l2 V2

M 2 6EJ 2EJ 6EJ 4 EJ 0 0 V

МА l2 l l2 l Фх1

MX2 0 0 0 0 GJk GJk 1 1

l l

0 0 0 0 GJk GJk

l l

= [ K ][u ]

Запись уравнений (5) в матричном виде очень удобно при программировании, так как задачи по МКЭ сводятся к решению системы линейных уравнений [6].

Расчет ведется в упругой постановке с учетом жесткости рессоры.

При расчетах, должны учитываться специфические дорожные условия хлопкосеющих республик [1,7], для которых были приняты четыре категории дорожных участков.

1. Дорога с гудронным покрытием удовлетворительного качества, имеющая малоизношенные участки с среднестатической

- А) = 1,5 см

высотой неровности ’ ' ' .

2. Дорога с гравийным покрытием с изношенными участками с среднестатической высотой неровности

= 1,5-3,0 см

3. Поворотная полоса с грядами высотой 8-12 см и шагом 90 см.

4. Глубокий кювет глубиной 40-45 см и шириной 100-150 см.

В качестве критерия, определяющего напряженное состояние рамы тракторного прицепа принято напряжение от действия на раму вертикальных динамических нагрузок, вызывающих изгиб элементов рамы прицепа в вертикальной плоскости приводящих к появлению нормальных напряжений

О

изг.в.

М,,

J,

У

Скорость движения тракторного поезда, на основании ряда исследований [7, 8] и конструктивных особенностей хлопководческого трактора, по трем типам дорог была выбрана соответственно 23,12 км/ч, 13,2 км/ч и 9,25 км/ч, а при переезде глубокого кювета 6,1 км/ч.

Переезд через неровности в расчетной методики, учитывалось посредством изменения характеристик опорной поверхности колес. При этом рассматривались следующие четыре случая, соответствующие категориям дорожных условий:

1- все четыре колеса контактируют с поверхностью, нагрузка распределена равномерно; 2- все четыре колеса контактируют с поверхностью, нагрузка распределена неравномерно; 3- переднее левое колесо или заднее левое колесо не контактирует с опорной поверхностью; 4- переднее левое и заднее правое колеса не контактирует с опорной поверхностью.

На рис. 4. приведены значения нормальных напряжений в узлах лонжерона при нагрузке 4 тонн и максимальных значениях сжатия и растяжения волокон. Экспериментальные значения получены при скоростях движения 23,12 км/час, 13,2 км/час, 9,25 км/час.

При расчетах приняты: для положения 1 (рис.4. а и б) Р2=Р24=Р7=Р29= 8 8 00 Н, Р4=Р5=Р26=Р27=2200 Н, жесткость рессоры EJ =12056 Нм2; для положения 2 (рис. 4. в и г) Р2=Р29=10800 Н, Р7=Р24=6800 Н, Р4=Р5=Р26=Р27=2200 Н; для положения 3 (рис. 4. д и е) Р2=Р24=14080 Н, Р7=Р29=8000 Н, Р4=Р5=Р26=Р27=3520 Н или Р2= Р24=8000 Н, Р7=Р29=14080 Н, Р4=Р5=Р26=Р27=3520 Н; для положения 4 (рис. 4. ж и з) Р2=Р29=12800 Н, Р7=Р24=4800 Н, Р4=Р5=Р26=Р27=2200 Н.

Сопоставительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований показал, что максимальные значения напряжения для дороги с гудронным покрытием удовлетворительного качества составляет соответственно 3% (рис. 4 а) и 3,2% (рис. 4 б), для дороги с гравийным покрытием с изношенными участками - соответственно 2,6% (рис. 4 в) и 9,3% (рис. 4 г), для поворотной полосы с грядами высотой 8-12 см и шагом 90 см - соответственно 8,2% (рис. 4 д) и 10,6% (рис. 4 е), для глубокого кювета глубиной 40-45 см и шириной 100-150 см - соответственно 7,4% (рис. 4 ж) и 8,5% (рис. 4 з).

Таким образом, предложенная методика расчета напряженно-деформируемого состояния рамы даёт хорошее согласование с экспериментальными данными (максимальные значения напряжения в пределах 11%) и ее можно использовать при обосновании прочностных параметров автотракторных прицепов.

124

а)

в)

д)

б)

г)

е)

ж) з)

Рис. 4 - Нормальные напряжения в узлах лонжерона при нагрузке 4 тонн: а), в), д), ж) -при максимальных значениях растяжения волокон; б), г), е), з) - при максимальных значениях сжатия волокон; для а), б), в), г), д), е): 1, 2, 3 - экспериментальные значения, 4- расчетные значения; для ж), з): 1, 2- расчетные значения, 3 -

экспериментальные значения Литература

1. Проскуряков В.Б. Динамика и прочность рам и корпусов транспортных машин. - Л.: Машиностроение, 1972. - 232 с.

2. Maksimow V., Petukhow E., Jankovic D. Determination of semitrailers supporting units loading with pliancy elastic suspension brackets elements calculations // XV conference science and motor vehicles, 15 - 18 may 1995. - Beograd, 1995. - P.141 - 143.

3. Шермухамедов А.А., Усманов И.И., Салимджанов Р.Т., Тогаев А.А. Методы расчета и испытания автотракторных прицепов отечественного производства. Т., 2012.- 132 с.

4. Основы расчётов прочностной надёжности специальных элементов конструкций автомобилей и тракторов: учебное пособие / Г. В. Беликов. - Ульяновск : УлГТУ, 2007. - 98 с.

5. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов: Учебник для втузов - 9-е изд., перераб. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. 1986. - 512 с.

6. Еременко С.Ю. Методы конечных элементов в механике деформируемых тел. -Х.: Изд-во «Основа» при Харьковском университете, 1991. - 272 с.

7. Глущенко А.Д., Сливинский Е.В. Динамика и прочность транспортной системы для перевозки легковесных грузов. Ташкент: Фан, 1988.166 с.

8. Сливинский Е.В. Исследование колебаний и силового нагружения тракторного самосвального прицепа 2ПТС-4-793А. Автореф.дис.канд. техн.наук. Алма-ата. СХИ, 1977. 165 с.

References

1. Proskurjakov V.B. Dinamika i prochnost' ram i korpusov transportnyh mashin. - L.: Mashinostroenie, 1972. - 232 s.

2. Maksimow V., Petukhow E., Jankovic D. Determination of semitrailers supporting units loading with pliancy elastic suspension brackets elements calculations // XV conference science and motor vehicles, 15 - 18 may 1995. - Beograd, 1995. - P.141 - 143.

3. Shermukhamedov A.A., Usmanov I.I., Salimdzhanov R.T., Togaev A.A. Metody raschyota i ispytanija avtotraktornyh pricepov otechestvennogo proizvodstva. T., 2012.- 132 s.

4. Osnovy raschyotov prochnostnoj nadyozhnosti special'nyh elementov konstrukcij avtomobilej i traktorov: uchebnoe posobie / G. V. Belikov. - Ul'janovsk : UlGTU, 2007. - 98 s.

5. Feodos'ev V.I. Soprotivlenie materialov: Uchebnik dlja vtuzov - 9-е izd., pererab. - M.: Nauka. Gl. red. fiz.-mat. lit. 1986. - 512 s.

6. Eremenko S.Yu. Metody konichnyh elementov v mehanike deformiruemyh tel. -H.: Izd-vo "Osnova" pri Har'kovskom universitete, 1991. - 272 s.

7. Glushenko A.D., Slivinskij E.V. Dinamika i prochnost' transportnoj sistemy dlja perevozki lyogkovesnyh gruzov. Tashkent: Fan, 1988.166 s.

125

8. Slivinskij E.V. Issledovanie kolebanij i silovogo nagruzhenija traktomogo samosval'nogo pricepa 2PTS-4-793A. Avtoref.dis.kand. tehn.nauk. Alma-ata. SHI, 1977. 165 s.

Шинкарев А. А.

Аспирант, Южно-Уральский государственный университет

ТРЕХСТУПЕНЧАТОЕ УНИФИЦИРОВАННОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ ПОТОКОВ

НА ОСНОВЕ КЛЕТОЧНОГО АВТОМАТА

Аннотация

В статье представлен анализ нескольких фундаментальных математических моделей транспортных потоков, построенных на основе клеточного автомата, на предмет общих этапов и закономерностей. Также предложен подход реорганизации шагов моделей с целью получения унифицированного представления. Выделены ключевые особенности, полученные в результате декомпозиции.

Ключевые слова: моделирование, транспортный поток, клеточный автомат.

Shinkarev A. A.

Postgraduate student, South Ural State University

THREE-STEPPED UNIFIED REPRESENTATION OF TRAFFIC FLOW MODELS BASED ON CELLULAR AUTOMATA

Abstract

This paper represents analysis of several fundamental traffic flow mathematical models based on the theory of cellular automata. This analysis covers common steps and regularity of viewed models. Also this paper provides an approach of models steps reorganization with an eye to create a unified representation. Also the article contains extracted key features of models as a result of decomposition.

Keywords: modeling, transport flow, cellular automata.

На сегодняшний день среди активно используемых подходов к моделированию транспортных потоков можно выделить направление, основанное на применении теории клеточных автоматов (ТКА). Основное отличие данного вида микромоделей заключается в относительной простоте поддержки, внедрения и анализа большинства из них.

Помимо простоты использования, также важным аргументом в пользу внедрения такого рода моделей является то, что можно вести расчеты в облаке одновременно на нескольких узлах кластера. Эго осуществимо за счет того, что всех клетки переходят в новое состояние параллельно в конце итерации моделирования. Таким образом, возможен процесс параллельной обработки изменений состояния клеток автомата.

Основными моделями, на которых базировались дальнейшие исследования моделирования транспортных потоков с помощью КА, являются: Правило 184 [1], Модель Нагеля-Шрекенберга [2], модель медленного старта [3], модель Кернера-Клёнова-Вольфа [4] и др.

Однако все то многообразие моделей на основе ТКА, которые существуют на сегодняшний день, лишь частично согласуется друг с другом по способу формализации их поведения. Хотя на самом деле у многих из них много общего, хоть это и не бросается в глаза.

Рассмотрим перечисленные выше фундаментальные модели подробнее и попробуем проанализировать их на предмет общих этапов и закономерностей, которые могли бы помочь формализовать процесс построения правил, которые обновляют состояние клеток моделей на основе ТКА.

Правило 184

Представим данную модель применимо к движению автомобилей по однополосной дороге с максимальной скоростью, которая равна одной ячейке за единицу времен

Математическую модель смены состояния клетки можно записать следующим образом, здесь и далее первоначальная формулировка моделей взята из работы [5]:

1. Ускорение и торможение

vft) = min

2. Перемещение

nt

В формуле (1) комбинируется модификация скорости и валидация. Новым значением скорости vft) становится gft — 1). Здесь и далее vft) — значение скорости в текущем такте, (t — 1) — предыдущий такт работы автомата, а gt — функция возвращающая расстояние от i-го транспортного средства (ТС) до едущего впереди. В качестве валидации выполняется проверка того, что полученная скорость не больше 1.

Формула (2) описывает перемещение текущего ТС вперед на количество ячеек равное новому значению скорости. Здесь и далее п; — функция, возвращающая порядковый номер ячейки.

Теперь попробуем декомпозировать первый шаг на два: изменение скорости и валидацию. Модель примет следующий вид:

1. Ускорение и торможение

vi

2. Валидация превышения скорости

if vft) > 1 then vft) = 1

3. Перемещение

nt

Модель Нагеля-Шрекенберга

Данная модель представляет собой стохастический многоклеточный автомат и имеет следующий вид:

1. Ускорение

Vi 00 = min O’;

2. Торможение

vt

3. Случайные возмущения

if ^0) < P then Vi

4. Движение

nt

В формуле (6), как и в случае с моделью Правило 184, модифицируется скорость и валидируется полученное значение. Здесь и далее vmax — максимальная скорость, которую может развить ТС. Разделим первый шаг данной модели на два:

1. Ускорение

vi

126