Список выполненных НИОКР

Разработка научно-технических решений в области конструкции силового каркаса и несущей системы коммерческого электрического городского транспорта

Период проведения 2018-2020

В рамках проекта ФЦП между Министерством образования и науки и АНО ВО «Университет Иннополис» (Соглашение № 075-10-2018-017 от 26.11.2018 г.) по теме «Создание коммерческого городского транспорта с интеллектуальной системой помощи водителю City Pilot» ООО Лаборатория «Вычислительная механика» (стратегический партнер СПбПУ) выступает соисполнителем «Университета Иннополис» в части работ по разработке конструкции автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9». Индустриальный партнер проекта – ПАО «КАМАЗ».

В соответствии с договором между сторонами выполняются НИОКР по теме «Разработка научно-технических решений в области конструкции силового каркаса и несущей системы коммерческого электрического городского транспорта (экспериментальных образцов автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9»)».

Работы выполняются в три этапа, срок окончания договора – 01 сентября 2020 года.

Объект исследования и разработки – силовой каркас автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9», состоящий из силового каркаса кабины и силового каркаса дверей кабины (в исполнениях со спальным местом и без спального места); несущая система автомобилей, состоящая из передней подвески независимого типа, задней подвески, рамы; образцы материалов несущей системы автомобиля; программа и методики испытаний материалов несущей системы автомобиля.

В ходе выполнения проекта будут разработаны конструктивные решения, направленные на улучшение показателей по прочности, технологичности и пассивной безопасности силового каркаса и несущей системы автомобилей проектов «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9». Отправной точкой работ является анализ исходной конструкции автомобилей, который был выполнен на первом этапе (завершен в декабре 2018 года).

Задачей первого этапа НИОКР являлся кинематический и конечно-элементный анализ исходной конструкции ходовой части автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9». Была разработана кинематическая многомассовая (MBS) модель ходовой части автомобиля «КОМПАС 9». Наиболее подробно в ней моделируются элементы, оказывающие наибольшее влияние на свойства управляемости и устойчивости, а также на распределение нагрузок на раму и кабину при движении, остальные элементы учитываются только в виде их массово-инерционных характеристик.

Состав MBS-модели автомобиля КОМПАС 9

Состав MBS-модели автомобиля «КОМПАС 9»

На основе данной модели был проведен кинематический анализ по определению характеристик управляемости и устойчивости исходной конструкции ходовой части 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).

Маневр поворот

Маневры переставка (перестроение)

Маневры «поворот» и «переставка» (перестроение)

Также в рамках кинематического анализа исходной конструкции проведен частотный анализ конструкции подвески автомобиля «КОМПАС 9» 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 КОМПАС 9 на вибрационном стенде и АЧХ ускорений в точке 1 при синфазных колебаниях для трех значений массы груза

Модель автомобиля «КОМПАС 9» на вибрационном стенде и АЧХ ускорений в точке 1 при синфазных колебаниях для трех значений массы груза

Далее выполнен кинематический анализ нагруженности исходной конструкции несущей системы и силового каркаса автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9» при эксплуатации в штатных и нештатных режимах (маневры «поворот», «переставка», движении по треку с диагональными неровностями (диагональное вывешивание) и наезд на препятствие (пробой подвески)). Полученные значения усилий применяются для последующей расчетной оценки прочности конструкции автомобилей при конечно-элементном анализе.

Силы в интерфейсных точках рамы при выполнении маневра поворот

Силы в интерфейсных точках рамы при выполнении маневра «поворот»

В части конечно-элементного анализа конструкции проведена разработка математических конечно-элементных моделей исходной конструкции автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9» для проведения виртуальных испытаний.

Для определения характеристик сталей, применяемых в конструкции автомобилей, разработаны Программа и методики испытаний материалов несущей системы автомобиля и проведены механические испытания в соответствии с ними. Были получены механические характеристики, используемые впоследствии для проведения КЭ-моделирования.

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 ходовой части автомобиля (точек крепления подвески, кабины, двигателя) для оценки вероятности возникновения нежелательных резонансных явлений. Также в рамках данного исследования разработана корреляционная карта, которая представляет собой график соответствия собственных частот расчетной модели рамы собственным частотам расчетной модели кабины в сборе с рамой, что позволяет оценить влияние изменений в одной модели на собственные частоты другой модели.

Проведена оценка глобальных жесткостей исходной конструкции рамы и кабины автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9», характеризующих способность конструкции упруго сопротивляться внешним статическим и динамическим нагрузкам, возникающим в процессе эксплуатации. Для рам автомобилей была проведена оценка глобальных и крутильных жесткостей по различным креплениям и местам приложения нагрузок (продольная, поперечная, крутильная жесткости). Для кабины была проведена оценка крутильной жесткости, а также оценка жесткостей на сдвиг в продольном и поперечном направлениях.

Оценка изгибной продольной жесткости рамы КОМПАС 4

Оценка изгибной продольной жесткости рамы «КОМПАС 4»

Проведена оценка прочности исходной конструкции несущих систем и силовых каркасов автомобилей при эксплуатации в штатных и нештатных режимах при приложении различных нагрузок. Величины нагрузок определены в процессе выполнения маневров «поворот» и «переставка» при испытаниях MBS-модели по определению показателей устойчивости и управляемости, так как эти режимы движения считаются критическими. Выявлены зоны наиболее высоких напряжений, на которые следует обратить внимание при оптимизации конструкции (будет проводиться на дальнейших этапах работ).

Последовательность выполнения расчетных исследований при анализе прочности конструкции при воздействии эксплуатационных нагрузок

Последовательность выполнения расчетных исследований при анализе прочности конструкции при воздействии эксплуатационных нагрузок

Также на основе разработанной математической конечно-элементной модели автомобиля проведена оценка пассивной безопасности в соответствии с требованиями правила №29 ЕЭК ООН (ГОСТ Р 41-29.99). Были выполнены виртуальные ударные испытания кабины в сборе с рамой автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9» и проведена оценка напряженно-деформированного состояния кабины при воздействии ударников с различных направлений: спереди, сверху и сзади кабины. Определено напряженно-деформированное состояние конструкции и проведена оценка соответствия требованиям пассивной безопасности.

Виртуальные испытания кабины автомобиля «КОМПАС 9» по определению пассивной безопасности при ударе спереди (тест «А» по правилу №29 ЕЭК ООН)

Работы первого этапа выполнены в полном соответствии с техническим заданием и календарным планом. Результаты выполненных в рамках первого этапа виртуальных испытаний исходной конструкции автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9» позволили наметить направления исследований по оптимизации конструкции силового каркаса автомобилей на последующих этапах проекта.

На втором этапе проекта планируется проведение исследований по оптимизации конструкции силового каркаса автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9», а также разработка математической модели предварительной конструкции силового каркаса автомобилей с учетом анализа полученных результатов топологической и параметрической оптимизации. Сроки реализации второго этапа НИОКР: 15 декабря 2018 года – 01 декабря 2019 года.

На третьем этапе планируется выполнение корректировки математических моделей силового каркаса и несущей системы по результатам экспериментальных исследований образцов автомобилей «КОМПАС 4» и «КОМПАС 9». Сроки реализации третьего этапа: 02 декабря 2019 года – 01 сентября 2020 года.