Разработка научно-технических решений в области конструкции несущей системы грузового автомобиля

Специалисты Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab^®) – реализуют проект по разработке и оптимизации конструкции несущей системы грузового автомобиля с учетом различных факторов, возникающих при эксплуатации автомобиля.

Разрабатываемые конструктивные решения направлены на улучшение показателей по прочности, жесткостным и частотным характеристикам, технологичности и пассивной безопасности несущей системы в составе грузового автомобиля.

Отправной точкой работ по проекту является анализ исходной конструкции несущей системы грузового автомобиля по расчетным случаям, соответствующим различным режимам его эксплуатации. В первую очередь проведен анализ кинематики и динамики несущей системы в составе автомобиля в твердотельной постановке. Были разработаны соответствующие расчетные модели для проведения виртуальных испытаний. Наиболее подробно в них моделируются элементы, оказывающие наибольшее влияние на свойства управляемости и устойчивости, а также на распределение нагрузок на раму и кабину автомобиля при движении; остальные элементы учитываются в виде их массово-инерционных характеристик.

Состав расчетной модели для анализа динамики автомобиля в твердотельной постановке

С применением данных моделей были проведены виртуальные испытания по определению характеристик управляемости и устойчивости исходной конструкции несущей системы в составе автомобиля при выполнении маневров согласно ГОСТ 31507‑2012 «рывок руля», «поворот», «переставка», «опрокидывание на стенде». Оценка полученных значений показала, что они удовлетворяют нормативным требованиям, предъявляемым к автомобилям данной категории. Все испытания по определению показателей устойчивости и управляемости проводятся при полной массе автомобиля (при полной загрузке).

Маневры «поворот» и «переставка» (перестроение)

Также в рамках анализа исходной конструкции проведен частотный анализ подвески автомобиля при различных воздействиях со стороны вибрационного стенда. Значения собственных частот были определены путем анализа передаточных функций для точек, расположенных на подрессоренной массе автомобиля. Под передаточной функцией понимается зависимость между входным и выходным сигналами в колебательной системе.

Модель автомобиля на вибрационном стенде и АЧХ ускорений в точке 1 при синфазных колебаниях для трех значений массы груза

Далее выполнен анализ нагруженности конструкции несущей системы при эксплуатации в штатных и нештатных режимах (маневры «поворот», «переставка», движение по треку с диагональными неровностями (диагональное вывешивание) и наезд на препятствие (пробой подвески)). Полученные значения усилий применяются в последующих виртуальных испытаниях по оценке прочности конструкции несущей системы при выполнении данных маневров.

Силы в интерфейсных точках рамы при выполнении маневра «поворот»

Для проведения виртуальных испытаний и конечно-элементного (КЭ) анализа конструкции разработаны полномасштабные математические конечно-элементные модели исходной конструкции несущей системы, в том числе в составе автомобиля.

С применением разработанных КЭ-моделей выполнены исследования частотных характеристик с целью определения собственных частот первых изгибных и крутильных форм колебаний рамы, а также локальных динамических жесткостей точек расположения виброактивных источников несущей системы автомобиля (точек крепления подвески, кабины, двигателя) для оценки вероятности возникновения нежелательных резонансных явлений.

Проведена оценка глобальных жесткостей исходной конструкции рамы автомобиля, характеризующих способность конструкции упруго сопротивляться внешним статическим и динамическим нагрузкам, возникающим в процессе эксплуатации. Была проведена оценка глобальных и крутильных жесткостей по различным креплениям и местам приложения нагрузок (продольная, поперечная, крутильная жесткости).

Оценка изгибной продольной жесткости рамы грузового автомобиля

Проведена оценка прочности исходной конструкции несущей системы при эксплуатации в штатных и нештатных режимах при приложении различных нагрузок. Величины нагрузок определены в процессе выполнения маневров «поворот» и «переставка» в результате виртуальных испытаний по определению показателей устойчивости и управляемости, так как эти режимы движения считаются критическими. Выявлены зоны наиболее высоких напряжений, которые требуют внимания при выполнении дальнейших работ по оптимизации конструкции.

Последовательность выполнения расчетных исследований в рамках анализа прочности конструкции при воздействии эксплуатационных нагрузок

Также на основе разработанной математической конечно-элементной модели автомобиля проведена оценка пассивной безопасности в соответствии с требованиями правил №29 ЕЭК ООН. Были выполнены виртуальные ударные испытания и проведена оценка напряженно-деформированного состояния рамы в составе автомобиля при воздействии ударников на кабину с различных направлений: спереди, сверху и сзади кабины. Проведена оценка соответствия требованиям пассивной безопасности.

Результаты виртуальных испытаний пассивной безопасности автомобиля по правилу ЕЭК ООН N29

Результаты выполненных виртуальных испытаний исходной конструкции автомобиля позволили наметить направления дальнейших исследований по оптимизации конструкции его несущей системы.

В рамках дальнейших работ проведены серии исследований по топологической оптимизации рамы автомобиля. Рассмотрены случаи минимизации массы рамы при ограничении на жесткости и первую собственную частоту конструкции, а также минимизации массы рамы при ограничении на уровень напряжений, возникающих при эксплуатационных нагрузках. В качестве объема оптимизации использовался весь объем между лонжеронами рамы.

Результаты топологической оптимизации рамы

В рамках оптимизации конструкции рамы рассмотрены варианты различной высоты профиля и перфорации лонжеронов для снижения массы конструкции. Такое решение также обеспечивает высокую степень унификации деталей в случае необходимости модифицировать конструкцию для применения на автомобилях различной грузоподъемности.

Проведена параметрическая оптимизация рамы автомобиля, по результатам которой предложены толщины элементов рамы, обеспечивающие повышение жесткостных свойств при ограничении на массу конструкции.

Предлагаемые изменения толщин деталей по результатам параметрической оптимизации

Проведены виртуальные испытания по анализу усталостной прочности различных вариантов конструкции рамы автомобиля. Для этого разработан специализированный виртуальный стенд, аналогичный натурному стенду для ресурсных испытаний автомобилей.

Виртуальный испытательный стенд для ресурсных испытаний автомобиля

Виртуальные ресурсные испытания рамы автомобиля

В результате проведенных виртуальных испытаний выявлены зоны конструкции, требующие доработки с целью снижения уровня возникающих напряжений и, соответственно, достижения требований по ресурсу конструкции рамы.

Результаты виртуальных ресурсных испытаний рамы автомобиля

Помимо расчетных исследований и виртуальных испытаний, объектом которых является непосредственно конструкция рамы автомобиля, проводятся мультидисциплинарные исследования, затрагивающие различные аспекты разработки грузового автомобиля и его несущей системы. Среди них – обеспечение определенного уровня пассивной безопасности, управляемости, устойчивости, ресурса, технологичности изготовления, требования по унификации и другие. Комплексный подход к проектированию автомобилей, позволяющий сосредоточиться на разработке отдельного элемента автомобиля, не теряя при этом из виду общую картину проектирования транспортного средства, позволяет разработать такую конструкцию, которая будет отвечать всем требованиям матрицы целевых показателей и ресурсных ограничений, как на отдельный разрабатываемый компонент, так и на автомобиль в целом.