70 прочтений

Разработка кузова, шасси, элементов экстерьера и интерьера и организация высокотехнологичного производства автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 модельного года

Разработка кузова, шасси, элементов экстерьера и интерьера и организация высокотехнологичного производства автомобиля УАЗ Патриот 2020 модельного года

Источник финансирования: договор с Минобрнауки России от 03 марта 2017 г. №03.G25.31.0233.

Получатель субсидии: Общество с ограниченной ответственностью «Ульяновский автомобильный завод».

Головной исполнитель НИОКТР: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого» (СПбПУ), Инжиниринговый центр «Центр компьютерного инжиниринга» (ИЦ «ЦКИ») СПбПУ. Договор от 06 октября 2016 г. № ДУ 75875-2016.

Сроки реализации проекта: 01.01.2017 – 30.11.2019.

Руководитель проекта: А.И. Боровков, проректор по перспективным проектам СПбПУ, руководитель Центра компетенций НТИ СПбПУ «Новые производственные технологии».

Цели и задачи проекта

Проект является частью комплексной инвестиционной программы развития семейства автомобилей «УАЗ Патриот» 2020. Общие цели НИОКТР:

  • Улучшение потребительских свойств автомобиля – устойчивость, управляемость, плавность хода.
  • Соответствие автомобиля современным и перспективным требованиям по пассивной безопасности (по правилам ЕЭК ООН и Euro NCAP).
  • Сокращение сроков подготовки высокотехнологичного производства серийного автомобиля «УАЗ Патриот» 2020.
  • Обновление внешнего вида автомобиля «УАЗ Патриот».
  • Повышение уровня виброакустического комфорта автомобиля.

1 ЭТАП

Соисполнитель: Государственный научный центр Российской Федерации ФГУП «НАМИ»

Основное содержание работ

  • Разработка программ и методик проведения виртуальных испытаний кузова и шасси в составе автомобиля: пассивная безопасность, определение жесткостных, частотных и аэродинамических характеристик, прочности, усталостной долговечности, степени защиты пешеходов.
  • Создание математических конечно-элементных (КЭ) моделей и проведение виртуальных испытаний кузова и шасси, а также кузова и шасси в составе серийного автомобиля «УАЗ Патриот» 2016.
  • Разработка каталога целевых показателей для автомобиля «УАЗ Патриот» 2020.
  • Проведение виртуальных испытаний стилевой поверхности экстерьера автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 по определению аэродинамических характеристик автомобиля, загрязняемости бокового остекления и аэродинамической доводке наружных зеркал.
  • Разработка математической кинематической модели схемы шасси в составе автомобиля «УАЗ Патриот» 2020.

НИОКТР, выполненные Соисполнителем (НАМИ): изготовление стилевого макета экстерьера автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 в масштабе 1:1 (1 макет).

НИОКТР, выполненные за счет дополнительного софинансирования проекта (УАЗ)

  • Разработка цифрового компоновочного макета автомобиля «УАЗ Патриот» 2020.
  • Разработка 3D-CAD модели стилевых поверхностей, схемы зазоров и перепадов панелей экстерьера.
  • Разработка схемы вместимости автомобиля.
  • Разработка 3D-CAD модели кузова автомобиля.
  • Разработка программы и методик виртуальных испытаний кинематической модели шасси по определению кинематических, эластокинематических характеристик и характеристик управляемости автомобиля.
  • Проведение фронтального удара серийного автомобиля «УАЗ Патриот» 2016 по методике журнала «АВТОРЕВЮ» на полигоне НАМИ для определения действительных значений параметров, формирования каталога целей и разработки программ виртуальных испытаний по безопасности.

Работы по организации производства

  • Изготовление образцов материалов и сварных соединений кузова автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 для проведения механических испытаний.
  • Разработка детально-узлового состава кузова автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 и перечня деталей кузова для виртуальных испытаний штампуемости.

Результаты первого этапа

Разработаны программы и методики виртуальных испытаний кузова и шасси автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 для определения пассивной безопасности, степени защиты пешеходов, жесткостных, частотных и аэродинамических характеристик, прочности и долговечности кузова, рамы и навесных элементов, а также усталостной долговечности. Создан модуль автоматической обработки результатов виртуальных испытаний.

Конечно-элементная модель автомобиля «УАЗ Патриот» 2016 для проведения оценки пассивной безопасности состоит из 303391 узлов, 103978 оболочечных конечных элементов, 10428 балочных конечных элементов, 332504 объемных конечных элементов, 301 массовых элементов, 2545 ограничений на степени свободы.

Конечно-элементная модель автомобиля УАЗ Патриот 2016 в сборе

Конечно-элементная модель автомобиля «УАЗ Патриот» 2016 в сборе

По итогам виртуальных испытаний автомобиля «УАЗ Патриот» 2016 и автомобиля «УАЗ Патриот» 2016 с шасси «УАЗ Патриот» 2020 зафиксирована необходимость глубокой модификации кузова и рамы.

В рамках первого этапа разработан Каталог целевых показателей для компонент автомобиля и автомобиля в сборе в части пассивной безопасности, жесткостных и частотных характеристик, прочности, долговечности, усталостной долговечности, кинематических и эластокинематических характеристик, характеристик управляемости.

Разработана математическая кинематическая модель схемы шасси в составе автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 с передней независимой подвеской и задней зависимой пружинной подвеской, которая успешно прошла отладочные виртуальные испытания.

Математическая кинематическая модель передней подвески УАЗ Патриот 2020

Математическая кинематическая модель задней подвески УАЗ Патриот

Математическая кинематическая модель передней подвески «УАЗ Патриот» 2020

Математическая кинематическая модель задней подвески «УАЗ Патриот»

2 ЭТАП

Основное содержание работ

  • Разработка программы и методик механических испытаний образцов материалов и сварных соединений кузова автомобиля «УАЗ Патриот» 2020. Проведение механических испытаний.
  • Разработка и многовариантная оптимизация цифровых моделей схемы шасси и кузова автомобиля (в т.ч. в составе автомобиля «УАЗ Патриот» 2020) и проведение виртуальных испытаний по пассивной безопасности, NVH (виброкомфорту), прочности, кинематике и эластокинематике.

НИОКТР, выполненные за счет дополнительного софинансирования проекта (УАЗ)

  • Корректировка цифрового компоновочного макета автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 и 3D-CAD моделей шасси автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 по результатам работ второго этапа.
  • Разработка технической документации для изготовления образцов экспериментального шасси автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 и технических требований к комплектующим изделиям.
  • Разработка программ и методики натурных дорожных и лабораторных испытаний автомобилей с экспериментальным шасси на базе автомобиля «УАЗ Патриот» 2016.

Работы по организации производства

  • Разработка таблицы сварочных точек, швов дуговой сварки, приварных нормалей, точек и швов нанесения мастик и клеев на кузов автомобиля «УАЗ Патриот» 2020.
  • Разработка технологической инструкции сборки для изготовления автомобилей с экспериментальным шасси на базе автомобиля «УАЗ Патриот» 2016.
  • Изготовление двух автомобилей с экспериментальным шасси на базе автомобиля «УАЗ Патриот» 2016.

Результаты второго этапа

Согласно разработанным программам и методикам проведены механические испытания образцов материалов и сварных соединений. Полученные физико-механические свойства используются для разработки математических моделей материалов, применяемых в математических КЭ-моделях кузова и рамы автомобиля.

По итогам проведенной оптимизации доработана схема подвески автомобиля, подобраны координаты осей вращения всех подвижных элементов, упругие и демпфирующие характеристики всех элементов подвески. Проведена корректировка кинематической схемы шасси и выполнены виртуальные испытания по определению кинематических и эластокинематических характеристик схемы шасси. Виртуальные испытания показали удовлетворение основных целевых показателей по кинематическим и эластокинематическим требованиям Каталога.

Математические модели передней и задней подвесок УАЗ Патриот 2020

Математические модели передней и задней подвесок «УАЗ Патриот» 2020

Переработанная модель шасси автомобиля УАЗ Патриот 2020

Переработанная модель шасси автомобиля «УАЗ Патриот» 2020

Многовариантная оптимизация кузова и рамы проводилась на основе виртуальных испытаний. Проведена доработка конструкции рамы автомобиля. Полученные в ходе оптимизации удачные конструктивные решения внесены в конструкцию кузова и рамы автомобиля «УАЗ Патриот» 2020.

Переработанная модель кузова автомобиля УАЗ Патриот 2020

Переработанная модель кузова автомобиля «УАЗ Патриот» 2020

Проводилась многовариантная оптимизация и разработка конструктивных решений по модернизации конструкции кузова и шасси автомобиля на основе виртуальных испытаний по определению пассивной безопасности, жесткостных и частотных характеристик и характеристик прочности и долговечности. Конструкция дорабатывалась для соответствия требованиям каталога целевых показателей

Виртуальные испытания по определению пассивной безопасности проведены в соответствии с требованиями:

  • правил рейтинговых испытаний EuroNCAP 2016 на фронтальный удар о деформируемый барьер с 40% перекрытием и о недеформируемую стену;
  • правил рейтинговых испытаний EuroNCAP 2016 на боковой удар о деформируемый барьер;
  • правил сертификационных испытаний 34 ЕЭК ООН на задний удар о недеформируемый барьер.

Виртуальные испытания по виброкомфорту, определению жесткостных и частотных характеристик проведены для кузова и рамы автомобиля «УАЗ Патриот» 2020:

  • анализ глобальных статических жесткостей рамы и кузова, а также кузова в сборе с рамой;
  • модальный анализ рамы, кузова, а также кузова в сборе с рамой;
  • анализ локальных динамических жесткостей точек расположения виброактивных источников;
  • анализ функций передачи вибраций и шума.

Проведены следующие виртуальные испытания рамы и кузова автомобиля по определению прочности и долговечности:

  • анализ конструкции кузова в сборе автомобиля под действием штатных и экстремальных эксплуатационных нагрузок при различных маневрах;
  • анализ жесткости и прочности кузова в зонах под установку домкрата;
  • анализ локальной жесткости, упругих и остаточных перемещений зон крепления педального узла кузова;
  • анализ жесткости и устойчивости крыши кузова;
  • анализ жесткости и прочности подножки кузова и лючка бензобака;
  • анализ жесткостных характеристик капота;
  • анализ жесткости рамы двери задка;
  • анализ жесткости и остаточных деформаций двери задка.

3 ЭТАП

Основное содержание работ

  • Разработка кинематической модели шасси в составе автомобиля с учетом упругих и массо-инерционных характеристик автомобиля «УАЗ Патриот» 2020. Проведение виртуальных испытаний.
  • Проведение многовариантной оптимизации конечно-элементной модели передка автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 с целью удовлетворения требований каталога целевых показателей по защите пешеходов. Корректировка конечно-элементной модели передка и проведение виртуальных испытаний.
  • Разработка 3D-CAD моделей деталей экстерьера автомобиля «УАЗ Патриот» 2020.
  • Проведение многовариантной оптимизации конечно-элементной модели кузова в составе автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 с целью удовлетворения требований каталога целевых показателей по пассивной безопасности, жесткостным и частотным характеристикам, прочности и долговечности. Корректировка математической КЭ-модели кузова и проведение виртуальных испытаний кузова в составе автомобиля «УАЗ Патриот» 2020.
  • Разработка программы и методик виртуальных испытаний штампуемости деталей кузова и проведение соответствующих виртуальных испытаний.

НИОКТР, выполненные за счет дополнительного софинансирования проекта (УАЗ)

  • Корректировка цифровых 3D-моделей стилевых поверхностей экстерьера и интерьера, шасси, кузова и цифрового компоновочного макета автомобиля «УАЗ Патриот» 2020.
  • Проведение лабораторных и дорожных испытаний автомобилей с экспериментальным шасси, изготовленных на этапе 2.
  • Разработка Технических Требований к комплектующим изделиям автомобилей УАЗ на компоненты шасси, детали экстерьера и интерьера.

Работы по организации производства

  • Корректировка таблицы сварочных точек, швов дуговой сварки, приварных нормалей, точек и швов нанесения мастик и клеев на кузов автомобиля «УАЗ Патриот» 2020;
  • Разработка рекомендаций по изменению конструкции кузова и рамы автомобиля по результатам виртуальных испытаний штампуемости.
  • Проведение технико-экономической оценки (ТЭО) предложенных в рамках этапа решений по проекту и корректировка Каталога целевых показателей.

Результаты третьего этапа

Разработана кинематическая многомассовая модель автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 в сборе с учетом упругих и массо-инерционных характеристик для проведения виртуальных испытаний по определению нагруженности шасси и кузова в статической постановке.

Разработаны файлы, содержащие редуцированные матрицы жесткости рамы и кузова. КЭ модели кузова и рамы совместно с разработанными файлами подвергнуты виртуальным испытаниям. В результате получены нагрузки, приходящие на раму и кузов при различных расчетных случаях, моделирующих действие штатных и экстремальных эксплуатационных нагрузок при различных маневрах. Полученные значения нагрузок использованы для определения напряженно-деформированного состояния кузова автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 при различных режимах движения для оценки прочности и долговечности конструкции.

Кинематическая модель автомобиля УАЗ Патриот 2020 в сборе с учетом упругих и массово-инерционных характеристик

Кинематическая модель автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 в сборе с учетом упругих и массово-инерционных характеристик

Выполнено проектирование на основе моделирования конструкции передка автомобиля «УАЗ Патриот» 2020, удовлетворяющего требованиям каталога целевых показателей по безопасности пешеходов. Проведена многокритериальная оптимизация конструкции передка в части переднего бампера и капота. Проработана конструкция переднего бампера для обеспечения соответствия стилю автомобиля, защиты от воздействий окружающей среды деталей, распложенных за бампером, крепления дополнительных вспомогательных систем (передний парковочный радар, противотуманные фары).

В связи с особенностями рамной конструкции автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 оптимизация конструкции кузова и рамы проводилась совместно. Полученные в ходе оптимизации удачные конструктивные решения были внесены в конструкцию кузова и рамы автомобиля «УАЗ Патриот» 2020, а также проведены соответствующие корректировки математической КЭ-модели кузова и рамы автомобиля «УАЗ Патриот» 2020.

Переработанная математическая КЭ-модель кузова автомобиля УАЗ Патриот 2020

Переработанная математическая КЭ-модель кузова автомобиля «УАЗ Патриот» 2020

Переработанная математическая КЭ-модель рамы автомобиля УАЗ Патриот 2020

Переработанная математическая КЭ-модель рамы автомобиля «УАЗ Патриот» 2020

В ходе НИОКТР были разработаны программа и методики виртуальных испытаний штампуемости деталей кузова автомобиля «УАЗ Патриот» 2020, согласно которым проведены виртуальные испытания деталей кузова и рамы, подвергшихся по итогам работ этапа изменению, а также вновь вводимых.

4 ЭТАП

Основное содержание работ

  • Проведение виртуальных испытаний шасси автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 с учетом упругих и массо-инерционных характеристик по определению характеристик управляемости.
  • Разработка программы и методик виртуальных испытаний технологической операции литья под давлением в пресс-формы деталей экстерьера и интерьера автомобиля.
  • Проведение многовариантной оптимизации конечно-элементной модели кузова и рамы автомобиля по жесткостным и частотным характеристикам. Корректировка математической КЭ-модели кузова и рамы. Проведение соответствующих виртуальных испытаний.
  • Проведение виртуальных испытаний деталей кузова автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 на штампуемость по итогам работ четвертого этапа.

НИОКТР, выполненные за счет дополнительного софинансирования проекта (УАЗ)

  • Расчет размерных цепочек и определение требований к допускам и предельным отклонениям конструкции кузова и шасси автомобиля «УАЗ Патриот» 2020.
  • Корректировка 3D-CAD моделей кузова автомобиля по результатам виртуальных испытаний на штампуемость.
  • Разработка технической документации для изготовления кузова и шасси прототипа автомобиля «УАЗ Патриот» 2020.

Работы по организации производства

  • Разработка технического задания для заказа оснастки и оборудования сборочной линии, сварочной оснастки, технологической оснастки производства окраски кузова.
  • Проведение технико-экономической оценки (ТЭО) предложенных в рамках этапа решений по проекту (качество-стоимость-сроки) и корректировка Каталога целевых показателей.

Результаты четвертого этапа

Проведена многовариантная оптимизация математической кинематической модели рамы автомобиля по 14 кинематическим и эластокинематическим характеристикам, определяемым из испытаний по определению характеристик управляемости «Поворот с постоянным радиусом», «Плавный поворот руля», «Рывок руля». В рамках исследования расчетные модели рамы и кузова заданы с учетом упругих свойств при помощи построения редуцированной матрицы жесткости рамы и кузова автомобиля. Кинематическая схема шасси автомобиля «УАЗ Патриот» 2020 доработана по результатам проведенной оптимизации.

Разработаны программа и методики виртуальных испытаний технологической операции литья под давлением в пресс-формы деталей экстерьера и интерьера автомобиля «УАЗ Патриот» 2020.

Проведена разработка 3D-CAD-модели шасси автомобиля. Проектирование элементов и сборок шасси выполнено с учетом структуры и компоновки разрабатываемого автомобиля, а также с учетом достижения целевых показателей в части расчетных проверок (оценка технологичности, пассивной безопасности, прочности и жесткости конструкции, долговечности, многовариантной оптимизации конструкции кузова).

Внешний вид конструкции шасси УАЗ Патриот 2020

Внешний вид конструкции шасси «УАЗ Патриот» 2020

Распределение энергии деформаций при закручивании рамы

Распределение энергии деформаций при закручивании рамы

 

Форма первой частоты крутильных колебаний кузова в сборе с рамой

Форма первой частоты крутильных колебаний кузова в сборе с рамой

Разработаны рекомендации по модификации конструкции деталей и доработке технологического процесса для ряда деталей.

Этапы вытяжки панели среднего пола Этапы вытяжки панели среднего пола

Этапы вытяжки панели среднего пола

В ходе выполнения работ проведен ряд совместных совещаний по ходу проекта как на территории СПбПУ в Санкт-Петербурге, так и в Ульяновске, в научно-техническом центре ООО «УАЗ».

Эффекты от внедрения результатов проекта

Разрабатываемые в рамках проекта кузов, шасси, элементы экстерьера и интерьера позволяют повысить уровень пассивной безопасности автомобиля УАЗ Патриот 2020 модельного года по всем оценкам пассивной безопасности автомобиля (при фронтальном ударе о деформируемый барьер с 40% перекрытием, при фронтальном ударе в куб при боковом ударе о деформируемый барьер) по методике EuroNCAP 2016 года.

Применение технологий цифрового проектирования и виртуальных испытаний в процессе разработки кузова, шасси, элементов экстерьера и интерьера позволяют сократить затраты на выполнение работ на 15–20% по сравнению с существующими и сократить сроки разработки на 1–2 года: реализация проекта обеспечит выпуск новых автомобилей за 3–4 года, что соответствует общемировой практике.