Разработка методики расчета и оценка безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания

Актуальность работы.

Роль автобусного парка в нашей стране и в ближнем зарубежье достаточно велика. Это требует постоянного улучшения и совершенствования конструкций автобусов, дальнейшего повышения их безопасности, в том числе и безопасности кузовов.

В настоящее время безопасность кузова, заложенная в конструкции при проектировании, оценивается по результатам натурных полномасштабных испытаний автобуса на автомобильном полигоне при проведении сертификации. Это связано с большими материальными затратами и в современных экономических условиях посильно не каждому заводу. Отсутствие на заводах доступной расчетной методики проектирования безопасных кузовов автобусов снижает эффективность и качество разработок. Ограниченные возможности в проведении заводских испытаний кузовов на безопасность из-за отсутствия единых общепринятых нормативов и упрощенных методик затягивают процесс доводки их конструкций. У конструктора и испытателя отсутствуют необходимые «инструменты», позволяющие прогнозировать и оценивать безопасность кузова.

Это говорит о том, что вопросы прогнозирования безопасности кузовов автобусов при проектированииоценки ее при доводке и сертификации с применением расчетных методов не решены в полной мере. Поэтому внедрение в практику конструкторских отделов заводов и органов по сертификации методики расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов на основании результатов исследований несущей способности по разрушающим нагрузкам их секций является задачей своевременной и важной. Об этом говорилось и на научном симпозиуме в МАМИ при участии ААИ и РШТА.

Предпосылки для этого были заложены уже в дополнении к Правилам № 66 ЕЭК ООН. Однако, они не нашли практической реализации до настоящего времени из-за отсутствия методов расчета и наработок по результатам стендовых испытаний кузовов и их секций в условиях опрокидывания автобусов.

Следовательно, изучение и практическое решение вопросов прогнозирования и повышения безопасности кузовов при проектировании, доводкеоценки безопасности при сертификации автобусов является актуальным.

Цель работы.

Разработка методик расчетной и расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания по результатам анализа несущей способности (сопротивляемости разрушениям) секций, силовых сечений и их практическая реализация.

Методы исследований.

Исследования безопасности кузовов базировались на использовании методов математического моделирования. Расчеты напряженно-деформированного состояния кузовов при упругих деформациях в условиях опрокидывания проведены методом конечных элементов с использованием программного комплекса GIFTS.

В расчетах разрушающих нагрузок использованы основы расчета кузовов автомобилей по предельному состоянию, разработанные на кафедре «Автомобили и тракторы» НГТУ.

Экспериментальные исследования проведены в стендовых условиях кафедры «Автомобили и тракторы» и лаборатории пассивной безопасности автомобильного полигона в целью обоснования и подтверждения результатов расчетов.

Научная новизна.

1. Впервые разработана методика расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания по результатам анализа несущей способности их секций и силовых сечений.

2. Получены аналитические зависимости РН от параметров секций, необходимые для проектирования безопасных конструкций кузовов. Разработаны алгоритм и программа расчета разрушающих нагрузок.

3. Разработаны и обоснованы расчетные модели кузовов автобусов ПАЗ, на основе которых дана оценка безопасности их конструкций.

4. Получены экспериментальные закономерности разрушения секций кузова, обосновывающие правомерность практического применения разработанных методик.

Основные положения, выносимые на защиту.

• Методики расчетной и расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания по результатам анализа несущей способности к разрушающим нагрузкам их секций.

• Результаты теоретических и экспериментальных исследований механизмов разрушения силовых секций кузова. Зависимости разрушающих нагрузок от конструктивных параметров секций.

• Алгоритм и программа расчета разрушающих нагрузок силовых сечений.

• Результаты оценки напряженно-деформированного состояния кузовов в условиях упругого деформирования при опрокидывании.

• Результаты оценки безопасности исследуемых кузовов автобусов в условиях опрокидывания и их практическая реализация.

Объекты исследований.

Объектами исследований являются кузова автобусов ПАЗ-Э205, 5269(71), 4223, отдельные секции и силовые элементы кузовов.

Практическая ценность.

Разработанные методики позволяют на стадии проектирования создавать безопасную конструкцию кузова и в последующем оценивать безопасность при доводке и проведении сертификации автобуса без проведения разрушающих испытаний. Материалы диссертации могут быть использованы в конструкторских и расчетных отделах автобусных и автомобильных заводов, в органах по сертификации автобусов, на автополигоне ГУЛ «НИЦИАМТ».

Реализация результатов работы.

Разработанные методики, расчетные модели и результаты исследований использованы:

• при доводке кузовов ПАЗ-3205, 5269(71) и ПАЗ-4223 по условиям требований Правил № 66 ЕЭК ООН.

• в учебном процессе, в курсах «Строительная механика автомобиля», и «САПР кузовов» на кафедре «Автомобили и тракторы» НГТУ.

• в совместных исследованиях НГТУ с АО «Павловский автобус» и ГУЛ «НИЦИАМТ» по созданию методики сертификации автобусов по результатам расчетов и испытаний секций кузовов.

Акты о внедрении материалов исследований приложены к диссертационной работе.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: научно-технической конференции «Проектирование, испытания, эксплуатация и маркетинг автотракторной техники», г. Нижний Новгород, 1997 г.- международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы автомобильного транспорта в России», г. Нижний Новгород, 1998 г.- международной научно-практической конференции «Прогресс транспортных средств и систем», г. Волгоград, 1999 г.- международном научном симпозиуме «Автотракторостроение. Промышленность и высшая школа». К 60-летию воссоздания МАМИ, г. Москва, 1999 г.

Публикации.

Основное содержание работы опубликовано в 12 печатных работах.

Объем и структура работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих результатов и выводов, включающих рекомендации, материалы внедрения результатов, списка литературы и трех приложений. Содержит 128 страниц основного машинописного текста, 29 рисунков и 5 таблиц, библиографию из 111 наименований, трех приложений на 5 страницах, включающих распечатки программ и 55 рисунков.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработаны методики расчетной, расчетно-экспериментальной оценки безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания по результатам анализа несущей способности их секций и силовых сечений, позволяющие проводить выбор безопасной конструкции кузова при проектировании, доводке автобусов, а также оценивать их безопасность при сертификации.

2. Разработаны алгоритм и программа расчета разрушающих нагрузок и энергоемкости кузовов автобусов, их секций и силовых сечений. Получены расчетные зависимости разрушающих нагрузок для силовых сечений кузовов автобусов от их конструктивных параметров, позволяющие конструктору и расчетчику оперативно решать вопросы выбора безопасной конструкции.

3. Разработаны и обоснованы расчетные модели кузовов автобусов ПАЗ-3205, 5269(71), 4223- их секций и силовых сечений. Выполненные расчетные исследования напряженно-деформированного состояния кузовов позволили определить предполагаемые механизмы разрушения кузовов. На их основе проведен анализ механизмов разрушения секций, силовых сеченийполучены значения разрушающих нагрузок, допускаемых деформаций и энергоемкости конструкцийдана оценка безопасности кузовов автобусов в условиях опрокидывания.

4. Разработана методика проведения специальных испытанийизучен реальный характер разрушения кузова, его отдельных частей, секций и силовых сеченийполучено обоснование принятым в инженерных расчетах допущениям и гипотезы о постоянстве разрушающей нагрузки для определения верхней границы несущей способности конструкциивыявлен характер разрушения тонкостенных сечений силовых элементов кузовадана оценка влияния отдельных конструктивных решений, технологии изготовления и сборки кузова на безопасность автобуса.

5. Анализ результатов экспериментов показывает, что энергоемкость кузова автобуса в условиях опрокидывания должна оцениваться по двум фазам разрушения: упруго-пластической в пределах боковых перемещений крыши до 0,1 ми условно-пластической при деформациях свыше 0,1 м. На первой фазе она составляет около 10% от всей поглощаемой энергии. Доля поглощаемой энергии на участках диаграммы Рр = /(8) с резким падением или всплеском нагрузки сравнительно невелика (не более 10%).

6. Безопасность автобуса в условиях опрокидывания в большой мере определяется конструкцией каркаса кузова, зависит от характера его разрушения. Рассматриваемые кузова наибольшую сопротивляемость разрушениям и энергоемкость имеют в том случае, когда пластические шарниры возникают в оконных стойках боковин. Поэтому при проектировании безопасного кузова автобуса следует стремиться «закладывать» зоны пластических деформаций (шарниров) выше подоконного пояса боковин.

7. Конструкции сидений пассажиров, поручней и перегородок салона играют существенную роль в повышении безопасности автобуса. Сиденья могут повысить несущую способность кузова в условиях опрокидывания до 25%- стойки поручней — до 20%- распашные двери — до 10%. Важную роль в восприятии боковой нагрузки играют металлические панели передка, задка и крыши кузова, в случае надежного и качественного их соединения с трубчатыми элементами каркаса.

8. Выполненные исследования, удовлетворительная сходимость результатов расчетов и экспериментов (в пределах 20%) подтверждают обоснованность и целесообразность практического применения разработанных методик в конструкторских и расчетных отделах заводовв ГУЛ «НИЦИАМТ» и в органах по сертификации автобусов.

Рекомендации по выбору безопасной конструкции кузова в условиях опрокидывания автобуса.

Материалы выполненных в данной работе теоретических и экспериментальных исследований и накопленный опыт работ специалистов, занимающихся пассивной безопасностью автобусов, показывают, что безопасность кузова при опрокидывании автобусов определяется сопротивляемостью конструкции каркаса кузова, сидений, надстройки, перегородки разрушающим действиям аварийных нагрузок. Поэтому основными направлениями проектирования безопасного кузова автобуса являются:

— выбор безопасной конструкции каркаса кузова (или силовой несущей системы);

— максимальное использование несущих свойств наружной обшивки и всех панелей кузова;

— рациональное крепление сидений, обеспечивающее увеличение несущей способности кузова по разрушающим нагрузкам;

— выбор рациональных силовых конструкций перегородок внутри салонапоручней и стоек;

— введение энергопоглощающих элементов конструкции.

Конструктивное решение этих мероприятий должно осуществляться с использованием расчетных методов оценки несущей способности по разрушающим нагрузкам отдельных силовых сечений, секций и конструкции кузова в целом. На первых этапах проектирования следует использовать разработанные алгоритм, программу инженерного расчета конструкций, зависимости между разрушающими нагрузками и конструктивными параметрам.

На завершающих этапах проектирования кузова должна проводиться расчетная оценка его безопасности с использованием уточненной конечно-элементной модели.

При выборе безопасного каркаса следует ориентироваться на конструкцию, обеспечивающую регламентируемую сопротивляемость разрушениям (разрушающую нагрузку Рр). Это достигается выбором соответствующего механизма разрушения каркаса по такой схеме, чтобы Рр > .

Прогнозирование разрушения по тому или иному механизму достигается обеспечением соответствующего соотношения размеров сечений элементов и их 1Гт, Поэтому, чтобы силовое сечение кузова разрушалось по механизму с наибольшим значением Рр, необходимо в нижней части стоек боковин иметь значения ¡-¥-1П. больше, чем в оконных стойках. Увеличение IVпл. достигается не только повышением размеров или толщины стенки сечения элемента. Конструктивно это обеспечивается и введением дополнительных параллельно работающих элементов, например, раскосов. Дополнительная более жесткая заделка боковин с основанием, применение надстройки пола, привязка каркасов сидений к боковинам — все это смещает зоны пластических деформаций (разрушения) боковин вверх, от основания в сторону крыши, повышая безопасность кузова при соответствующем выборе размеров сечений оконных стоек боковин.

Наружная обшивка и внутренние металлические панели всегда хорошо работают на восприятие нагрузки, когда они не теряют устойчивость формы и надежно приварены к стержневым элементам каркаса. В условиях опрокидывания при приложении боковой нагрузки перпендикулярно плоскости боковины, обшивка боковины на оказывает сопротивляющего действия. В этом случае на повышение безопасности автобуса можно «заставить работать» только панели крыши, передка, задка кузова и перегородки салона. Конструктивно это может быть обеспечено за счет прочной и надежной приварки их к дугам крыши, стойкам передка, задка и перегородки, увеличением количества дуг и стоек. Сопротивляемость разрушениям панелей повышается и с введением ребер жесткости или выштамповок.

Жесткое крепление каркасов сидений к основанию (надстройке) и боковинам создает подкрепляющий эффект для боковин. Это приводит к смещению вверх зон их разрушения (пластических шарниров) при опрокидывании автобуса, увеличению стойкости кузова к разрушениям и повышению пассивной безопасности.

Перегородка салона повышает безопасность кузова. Чем выше ее разрушающее значение нагрузки, тем выше стойкость кузова к разрушениям. Увеличение РрПерет. должно осуществляться подбором сечений ее силовых элементов, выбором схемы ее присоединения к кузову, подбором материала силовых элементов.

Поручни салона для пассажиров способствуют повышению безопасности кузова при рациональном выборе количества стоек, их размещения, способа крепления к основанию и крыше. Более жесткое крепление увеличивает сопротивляемость кузова разрушению. Важным фактором является обеспечение надежности их соединения с полом и крышей.

Практическое решение проблемы повышения пассивной безопасности автобуса должно осуществляться при комплексной реализации всех конструктивных мероприятий, включая и безопасные ремни (пневмоподушки или другие средства защиты), внутренние элементы интерьера салона, стекла и т. д.

Конкретные рекомендации по результатам расчетных и экспериментальных исследований рассматриваемых кузовов даны в соответствующих разделах глав 3 и 4.

Внедрение результатов работы.

Результаты выполненной работы внедрены в производстве и в учебном процессе:

На АО «Павловский автобус» внедрены:

— методика расчета кузовов автобусов на безопасность при опрокидывании;

— расчетные модели кузовов ПАЗ-5269 (71), 4223, 3205 в качестве базы данных для использования при доводке кузовов;

— результаты расчетов указанных кузовов на прочность и безопасность;

— рекомендации и конструктивные предложения по повышению прочности и безопасности кузовов.

Акты внедрения прилагаются.

В учебном процессе кафедры «Автомобили и тракторы» в курсе «Строительная механика автомобиля». В лекционном курсе используются разработки автора, касающиеся алгоритма и программы расчета кузовов автобусов на безопасность при опрокидывании, расчетные модели кузовов автобусов городского типа (большой вместимости) и результаты их расчетов.

Акт прилагается.

На автополигон «НИЦИАМТ» переданы для практического использования:

— методика расчетно-экспериментальной оценки безопасности автобусов при проведении их сертификации;

— расчетные модели секций и силовых сечений кузова автобуса ПАЭ-3205;

— разработки и предложения по проведению разрушающих испытаний секций кузовов автобусов в соответствии с дополнением Правил № 66 ЕЭК ООН;

— совместные с АО «Павловский автобус» разработанные и изготовленные опытные образцы секций автобуса ПАЗ-3205 для проведения стендовых статических и ударных испытаний;

— результаты расчетов и стендовых испытаний для совместной разработки РД на оценку безопасности кузовов автобусов по результатам расчетов и испытаний их секций и силовых сечений.