К вопросу о динамической нагруженности несущих конструкций специальных колесных шасси

Особое место в структуре парка военной ав­томобильной техники (ВАТ) занимают специ­альные колесные шасси и тягачи (СКШТ), предназначенные для установки мобильных наземных установок и других видов воору­жений и военной техники (ВВТ). В тяжелых условиях эксплуатации к СКШТ в целом и их несущим системам в частности предъявляются высокие требования в части прочности, долговечности и надежности. В связи с этим в современных условиях перед конструктора­ми СКШТ стоит сложная задача в кратчайшие сроки спроектировать изделие, отвечающее требованиям заказчика. При этом немало­важными являются вопросы проходимости СКШТ, поскольку доступность мест несения службы может быть серьезно ограничена. А в связи с постоянным совершенствованием и усложнением конструкций ВВТ растет необ­ходимость в повышении грузоподъемности СКШТ.

При этом особую актуальность приоб­ретает применение методов математическо­го моделирования для исследования влияния различных факторов на эксплуатационные свойства СКШТ, что позволяет значительно снизить затраты на проведение испытаний и экспериментальных исследований разрабаты­ваемой техники на этапе проектирования.

В данной статье рассмотрим вопрос оценки напряженно-деформированного состо­яния (НДС) несущих систем СКШТ (рам), ко­торые воспринимают нагрузки при движении по неровностям дороги и служат основанием для закрепления узлов и агрегатов. Очевид­но, что при выходе рамы из строя дальнейшая эксплуатация СКШТ невозможна, однако в условиях ограниченности ресурсов требует­ся поддерживать оптимальное соотношение прочностных, жесткостных и прочих характе­ристик с требованиями, предъявляемыми заказчиком. В связи с этим предпочтительным методом исследования НДС рам СКШТ явля­ется имитационное моделирование, позволяю­щее с достаточной точностью оценить степень их динамической нагруженности [1].

Для начала рассмотрим вариант кон­струкции рамы лонжеронного типа, применя­емой в СКШТ семейства «Вощина-1» произ­водства АО «Брянский автомобильный завод». Рама состоит из двух лонжеронов (1), соединен­ных друг с другом посредством поперечин (2) (рис. 1), и имеет постоянное сечение с суже­нием в передней части для закрепления бампе­ра (6). Лонжероны представляют собой свар­ные конструкции из Ζ-образных профилей, дополнительно усиливаемые накладками (5) переменного сечения с целью увеличения жесткости конструкции. Соединение попе­речин с лонжеронами выполняется в основ­ном болтами, дополнительно применяются электрозаклепки. Косынки (3) закрепляются на поперечинах посредством сварных соеди­нений.

Особенностью данной рамы является на­личие «выреза» (4) (см. рис. 1), необходимого для размещения дополнительного оборудова­ния заказчика. «Вырез» (4) дополнительно уси­лен обечайками, имеющими толщину основно­го профиля лонжерона. Для передачи усилий от дороги на раму применяется независимая торсионная подвеска на поперечных рычагах.

Основные характеристики рамы и под­вески следующие:

Рассмотрим методику имитационного моделирования для оценки НДС рассматрива­емой рамы. Данная методика основана на ме­тоде конечных элементов (МКЭ), применение которого позволяет в рамках единого подхода решать широкий спектр задач по исследова­нию рам практически любой конструкции.

На первом этапе разработана идеализиро­ванная пространственная конечно-элементная модель (КЭМ) подвески, состоящая из одномер­ных конечных элементов (КЭ). Такие КЭ учиты­вают характеристики материалов, из которых из­готовлены элементы подвески, их инерционные и жесткостные параметры, а также параметры демпфирования для упругодиссипативных эле­ментов. Нелинейная характеристика амортизато­ра задавалась в соответствии с типовой характе­ристикой, регламентированной конструкторской документацией. Колесо в сборе с шинами и ко­лесный редуктор с рабочими тормозами учтены в модели в виде элемента сосредоточенной массы, расположенном в геометрически определенном центре тяжести. Его соединение с элементами подвески выполнено специальным интерполя­ционным элементом распределения массовых нагрузок. Общий вид идеализированной модели подвески представлен на рис. 2.

Идеализированная модель рамы представ­ляет собой оболочечную модель. Положение оболочек в ней соответствует расположению срединных поверхностей листовых элементов. При этом в идеализированной модели учитыва­ются места крепления элементов подвески, на­весного оборудования (кабины, силового агре­гата, мотоотсека и пр.).

Для дискретизации геометрии рамы ис­пользованы 3- и 4-узловые плоские КЭ. КЭМ рамы учитывает отверстия в лонжеронах под приводные валы и элементы рулевого управления. Дополнительно моделируются места кре­пления элементов подвески к раме, а также крон­штейны крепления навесного оборудования. Средний размер КЭ в данной КЭМ составляет 40 мм со сгущением в местах возможной концен­трации напряжений. Размер КЭ выбран после проведения предварительных тестовых расче­тов, выполненных при последовательном сгу­щении сетки для оценки точности получаемых результатов. В результате удалось значительно снизить итоговую размерность КЭМ и при этом сохранить необходимую точность расчетов.

Болтовые соединения между составными частями моделируются с помощью специаль­ных объектов моделирования, представляю­щих собой совокупность одномерных эле­ментов. При этом выполняется «паутинное» соединение абсолютно жесткими элементами узлов отверстий болтового соединения с их центрами, после чего центральные узлы от­верстий соединяются упругим одномерным элементом, имеющим свойства болта. Сварные соединения в модели также моделируются с использованием специальных объектов моделирования и представляют собой упругие соединения, выполненные из одномерных КЭ и имеющие свойства материала свариваемых частей.

Для учета масс тяжеловесного оборудо­вания применяются КЭ сосредоточенной мас­сы. Их расположение в модели соответствует данным весовой ведомости шасси. Соединение центров масс оборудования с элементами кре­пления на раме осуществляется посредством интерполяционных одномерных элементов распределения весовых нагрузок. В реальной конструкции соединение элементов подве­ски с рамой осуществляется с помощью крон­штейна подвески. В разработанной модели для передачи усилий со стороны подвески на раму применены абсолютно жесткие одномерные КЭ. В целом разработанная КЭМ содержит 88 520 узлов и 147 677 элементов (рис. 3).

Корректность применяемых КЭМ рамы и подвески подтверждена рядом аналитических расчетов и лабораторных исследований, прове­денных на базе предприятия в рамках различ­ных работ и испытаний. В качестве тестовых расчетов в статической линейной постановке рассмотрены статическое положение СКШ на поверхности земли и различные вариан­ты вывешивания осей. Полученные в рамках тестовых задач результаты в части возникаю­щих реакций на осях в целом согласуются с результатами аналитических расчетов и лабо­раторных работ по взвешиванию аналогичных изделий.

Определяющее влияние на нагрузочные режимы колесных машин оказывает микропро­филь дороги [2, 3]. Он в целом определяет ди­намическую нагруженность несущей системы машины и ограничивает возможность полной реализации скорости, мощности, маневренно­сти и грузоподъемности. Путевые неровности можно определить с помощью спектральных плотностей мощности S(n), S(ω), которые яв­ляются функциями пространственной частоты n (цикл/м) или циклической пространственной частоты ω = 2πn (рад/м). Для генерирования высот неровностей z используется алгоритм, основанный на разложении Райса - Пирсона:

где N - число гармоник;

S(n) - спектральная плотность неровно­стей пути, м² / (цикл/м);

n - шаг квантования по частоте;

φ_i - случайная фаза, распределенная рав­номерно в интервале [- π, π];

Δs - шаг неровностей, м;

k - порядковый номер гармоники;

n₀ - минимальная частота.

На основе этих данных реализованы ми­кропрофили дорог различных категорий про­тяженностью 500 м в виде зависимостей высот неровностей от путевой координаты h(x). При этом будем рассматривать движение СКШ по дорогам следующих категорий:

• дороги с асфальтобетонным покрытием;
• грунтовые дороги (в удовлетворитель­ном состоянии);
• разбитые булыжные дороги.

На рис. 4 приведены примеры реализа­ции микропрофиля различных категорий дорог.

Внешнее возмущение для оценки дина­мической нагруженности представим в виде кинематического перемещения точек контак­та колес согласно рассчитанным параметрам микропрофиля. Для оценки влияния скорости на НДС рамы имитацию движения предлага­ется проводить на скоростях движения 5, 10 и 20 м/с. При этом примем следующие допуще­ния:

• контакт колеса с дорогой является то­чечным;
• нагрузочные характеристики торсионов и амортизаторов линейны, коэффициенты жесткости и сопротивления постоянны;
• шины идеализированы в виде упругодемпфирующей модели с постоянными коэф­фициентами жесткости и демпфирования;
• грунт недеформируемый;
• заданный микропрофиль симметричен относительно продольной плоскости СКШ для левого и правого бортов;
• скорость движения на протяжении времени моделирования примем постоянной (влияние продольных ускорений не учиты­вается).

Таким образом, сформировано 9 расчет­ных режимов, информация о которых сведена в таблицу.

Результаты расчетов представлены в виде динамически изменяющихся картин НДС рамы при имитации движения СКШ по задан­ному микропрофилю дороги.

Примеры результатов расчета в виде по­лей напряжений приведены на рис. 5. Про­анализировав представленные данные (см. рис. 5), можно сделать вывод, что наиболее нагруженны­ми в процессе движения СКШТ являются зоны:

• кронштейна подвески правого колеса первой оси;
• передней части выреза по обе сторо­ны рамы;
• кронштейна подвески правого колеса третьей оси.

Для удобства анализа представим резуль­таты расчетов в виде осциллограмм изменения динамических напряжений (рис. 6) в указан­ных выше зонах рамы. Полученные значения напряжений рассчитаны в соответствии с чет­вертой (энергетической) теорией прочности.

Из рис. 6 видно, что наибольшие дина­мические напряжения среди рассмотренных режимов возникают в зоне 3 - крепления крон­штейна подвески правого колеса третьей оси при движении на скорости 20 м/с по разбитой булыжной дороге. Отметим, что в действи­тельности реализация подобного режима дви­жения крайне маловероятна, однако для целей анализа в рамках обсуждаемой темы его рас­смотрение возможно. При оценке полученных результатов можно отметить значительно бо­лее высокую динамическую нагруженность рамы при движении СКШ по дорогам в плохом состоянии. Так, динамические напряжения в раме при движении СКШ по разбитой булыж­ной дороге в среднем выше на 26 %, чем при движении по грунтовой дороге, и на 32,5 % при движении по асфальтобетонной дороге.

Сравнив результаты по режимам, реа­лизующим движение СКШ по дорогам одной категории на различных скоростях, можно сде­лать вывод и о некотором влиянии скорости дви­жения СКШ на динамическую нагруженность рамы. Наиболее ощутимая разница заметна при сравнении результатов по режимам со скоро­стями движения 5 и 20 м/с - в среднем разница напряжений в этих режимах составляет поряд­ка 20...25 %. Если сравнивать результаты по режимам со скоростями движения 10 и 20 м/с, то разница уже не столь заметна - 9.11 %.

Проиллюстрированный подход, несмо­тря на высокую трудоемкость подготовки мо­делей для имитационного моделирования, оправдан с точки зрения широты спектра исследований, в которых его можно использо­вать. К примеру, СКШТ в настоящее время все чаще применяются в составе самоходных артиллерийских орудий для нужд обороны в качестве технологической платформы. В про­цессе эксплуатации и применения таких изде­лий по назначению возникают нагрузки раз­личного характера, в том числе динамического, ударного. Их учет становится критически важ­ным не только при проектировании переход­ных элементов (так называемых надрамников, осуществляющих передачу усилий от изделия непосредственно на раму СКШТ), но и самих несущих конструкций СКШТ. В связи с этим показанную в статье КЭМ рамы и применен­ный подход в целом можно считать базовы­ми. При различных направлениях доработки их можно использовать и для исследования стойкости изделий к внешним воздействиям в части вибропрочности и вибростойкости, более глубокого исследования влияния скоро­сти движения транспортного средства на НДС несущей конструкции с учетом возникающих линейных ускорений.

Продолжая тему оценки динамической нагруженности несущих конструкций транс­портных средств, также отметим известные в сфере железнодорожного транспорта методи­ки [4, 5], основанные на применении методов моделирования динамики многотельных си­стем [6], в которых тела могут полагаться как абсолютно твердыми, так и упругими. Обобщение подходов, описанных в этих работах, для оценки нагруженности несущих систем автомобильного транспорта позволит более глубоко раскрыть вопросы, затронутые в на­стоящей статье, однако это является вопросом для дальнейших исследований.