Разработка методики создания рам грузовых автомобилей минимальной массы, отвечающих требованиям по ресурсу, на стадии проектирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.03, кандидат технических наук Альдайуб Зияд

• Альдайуб Зияд
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Альдайуб Зияд

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБРЗОР ЛИТЕРАТУРЫ, ПОСВЕЩЕННОЙ МЕТОДАМ ИССЛЕДОВАНИЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ НЕСУЩИХ СИСТЕМ ТИПА РАМ.

1.1. Конструктивные особенности рам колесных машин (КМ).

1.2. Эксплуатационные и нагрузочные режимы для несущих систем

1.3. Аналитические методы исследований напряженно - деформированных состояний (НДС) рам.

1.4. Экспериментальные методы исследования НДС рам.

1.5. Методы прогнозирования ресурса несущих систем.

1.6. Методы оптимального проектирования несущих систем автомобилей.

1.7. Выводы по главе и постановка задач исследований.

Глава 2. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ, СВЯЗАННЫХ С ПОИСКОМ ОПТИМАЛЬНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ РАМЫ ГРУЗОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ НА БАЗЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (МКЭ).

2.1. Особенности создания рациональных конечно-элементных моделей (КЭМ) рам применительно к оптимальному проектированию.

2.2. Поиск оптимальных решений для рам грузовых автомобилей на базе упрощенных (балочных) КЭМ.

2.3. Поиск оптимальных решений для рам грузовых автомобилей на базе уточненных (оболочных) КЭМ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики создания рам грузовых автомобилей минимальной массы, отвечающих требованиям по ресурсу, на стадии проектирования»

При современных масштабах производства в автомобилестроении ежегодно расходуются десятки тонн металла. Поэтому создание конструкций имеющих заданный ресурс и требуемую материалоемкость приведет к экономии металла, уменьшению затрат на его покупку, транспортировку и производство машин. Кроме того, снижение материалоемкости положительно сказывается на экономии топлива и снижении стоимости транспортных операций, а для сельскохозяйственных машин на решении острой экологической проблемы - обеспечения минимального давления на грунт.

Для повышения качества продукции, ее конкурентоспособности важно еще на стадии проектирования из множества вариантов обоснованно и в сжатые сроки выбрать наилучший, который бы отвечал всем требованиям. Поиск оптимальных решений для таких сложных конструкций, как колесные машины (КМ) и их несущие системы немыслим без использования ЭВМ. Однако даже при использовании супер мощных ЭВМ приходится сталкиваться с целой группой проблем, не позволяющих в полном объеме решить поставленную задачу.

Например, с помощью МКЭ теоретически можно на ЭВМ рассчитать любой объект с высокой точностью. Однако для достижения высокой точности требуется грамотная и относительно мелкая разбивка объекта на конечные элементы, а время счета даже на современных быстродействующих ЭВМ одного варианта может длиться часы. Отсюда для проведения многовариантных высокоточных расчетов требуется особый подход. Другим примером является проблема поиска оптимальных решений при большом числе варьируемых параметров.

Цель работы: разработка методики поиска оптимальных параметров рам грузовых автомобилей минимальной массы, отвечающих основным требованиям (в том числе по ресурсу) на стадии проектирования.

Задачи работы:

1. разработка рациональных КЭМ рамы оболочного типа применительно к оптимальному проектированию;

2. разработка имитационных КЭМ автомобилей применительно к оптимальному проектированию;

3. разработка принципов определения экстремальных динамических нагрузок;

4. разработка общих принципов поиска оптимальных решений для рам на базе уточненных (оболочных) КЭМ с учетом ограничений по ресурсу;

5. применение разработанной методики к раме автомобиля KAMA3-5320 с целью иллюстрации основных положений методики, разработка рекомендаций по совершенствованию конструкции.

Актуальность. Актуальным является создание рам с оптимальными параметрами, в том числе по массе. Такие рамы должны отвечать ряду требований: по жесткости и прочности (включая усталостную) при удовлетворении и других ограничений (например, геометрических).

Эти вопросы напрямую связаны с конструктивным исполнением рам (размеры лонжеронов, поперечин, число поперечин, их расположение и др.)

В современных условиях создать раму, отвечающую всем требованиям, возможно, решив задачу многопараметрической оптимизации при ограничениях (геометрия, жесткость, ресурс и др.).

Научная новизна:

1. методика нелинейного многовариантного синтеза, позволяющая получить на стадии проектирования оптимальные параметры и топологию рам грузовых автомобилей на базе уточненных (оболочных) конечно-элементных моделей (КЭМ), включающая в себя:

• разработку рациональных КЭМ рамы и колесной машины (КМ) в целом;

• методику преобразования уточненной КЭМ рамы для осуществления параметрической и топологической оптимизации;

• методику учета ограничений по ресурсу и экстремальных динамических нагрузок применительно к нелинейной оптимизации;

2. полученные научные результаты и выводы. Практическая ценность:

1. разработан алгоритм поиска оптимальных параметров для рам грузовых автомобилей, отвечающих основным требованиям (в том числе по ресурсу), с помошью которого на стадии проектирования можно создавать рамы минимальной массы;

2. результаты теоретических исследований и рекомендации по улучшению конструкции, позволившие получить снижение массы рамы грузового автомобиля KAMA3-5320 на 20%;

3. теоретические и методологические разработки и полученные результаты используются в НИР и в учебном процессе НУК СМ МГТУ им.Н.Э. Баумана.

Достоверность работы подтверждалась известными теоретическими решениями, а также сравнениями теоретические результатов с экспериментальными данными.

Апробация; по результатам данной работы делались регулярные доклады на кафедре «Колесные машины» МГТУ им Н.Э. Баумана; сделан доклад на 53-й международной научно-технической конференции ассоциации автомобильных инженеров «Проблемы и перспективы автомобилестроения в России» 22-23 марта 2006 г., г. Ижевск, а также доклад на конференции, посвященной юбилею (70 лет) кафедры «Колесные машины» МГТУ им Н.Э. Баумана, октябрь 2006 г.

Реализация работы: материалы диссертационной работы используются в НИР и при обучении студентов кафедры «Колесные машины» НУК СМ МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Публикации: по материалам диссертации опубликовано три работы.

Структура и объем диссертации: диссертация состоит из введения, четыре глав, общих выводов, списка литературы. Работа содержит 158 страницы печатного текста, 16 таблиц, 136 рисунков и приложения, список литературы содержит 86 наименований.

Заключение диссертации по теме «Колесные и гусеничные машины», Альдайуб Зияд

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В результате проведенных теоретических исследований получены следующие результаты и выводы.

1. В работе разработана методика поиска оптимальных параметров рам грузовых автомобилей минимальной массы, отвечающих требованиям (в том числе по ресурсу) на стадии проектирования, которая включает в себя следующее:

- принципы создания рациональных КЭМ рамы оболочечного типа применительно к оптимальному проектированию;

- разработку имитационной КЭМ автомобиля в целом;

- определение динамических параметров рам грузовых автомобилей для экстремальных режимов нагружения;

-алгоритм оптимального проектирования рам грузовых автомобилей с учетом ограничений по ресурсу.

2. Разработаны принципы определения экстремальных динамических нагрузок.

3. Разработан алгоритм изменения КЭМ рамы оболочечного типа для параметрической и топологической оптимизации.

4.Применение разработанной методики к раме автомобиля КАМАЗ с целью иллюстрации основных положений методики позволило разработать рекомендаций по совершенствованию конструкции.

5. Предлагаемый вариант рамы удовлетворяет по прочности, жесткости и ресурсу и имеет массу рамы меньше на 20% чем у прототипа KAMA3-5320.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Альдайуб Зияд, 2006 год

1. Альдайуб Зияд, Зузов В.Н. К вопросу о поиске оптимальных решений для рамы грузового автомобиля на базе уточненных конечно-элементных моделей // Известия ВУЗов. Машиностроение. 2005. -№12.- С. 46-66.

2. Аоки М. Введение в методы оптимизации. М.: Наука, 1977. - 344 с.

3. Басов К. A. ANSYS: справочник пользователя . М.: ДМК Пресс, 2005. - 640 с.

4. Басов К. А. Графический интерфейс комплекса ANSYS. М.: ДМК Пресс, 2006. - 248 с.

5. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования: Учебное пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1984. - 248 с.

6. Биргер И.А., Шорр Б.Ф., Иосилевич Г.Б. Расчет на прочность деталей машин: Справочник. М.: Машиностроение, 1979. - 702 с.

7. Боровских В.Е. Оценка долговечности и совершенствование несущих систем мобильных машин на стадии проектирования: Автореф. дисс. . док. техн. наук. Саратов., - 1994.-39с.

8. Бочаров Н.Ф., Курбатский М.И. расчет автомобильных рам на прочность: Учебное пособие. М.: МВТУ, 1977. - 27 с

9. Бочаров Н.Ф., Зузов В.Н., Курбатский М.И. Применение ЭВМ в проектировании рам грузовых автомобилей: Учебное пособие. М.: МВТУ, 1982. - 36 с.

10. Бочаров Н.Ф. Расчет на прочность рам грузовых автомобилей. Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1954. - 21 с.

11. Вафин Р.К. Основы расчетов на прочность при переменных напряжениях вовремени: Учебное пособие.- М.:МВТУ, 1978.-58 с.

12. Вербило С.К., Мажей А.А. Создание автомобильных испытательных дорог для MSC.ADAMS //Материалы конференции MSC.-M., 2005. С. 45-52.

13. Вибрации в технике: Справочник. В 6-ти томах/ Под ред. В.В. Болотина. -М.: Машиностроение, 1978. -Т.1.- 352 с.

14. Власов В.З. Тонкостенные упругие стержни. М.: Физматгиз, 1959.-568с.

15. Гельфгат Д.Б., Ошноков В.А. Рамы грузовых автомобилей. М.: Маш-гиз, 1959.-231 С.

16. Гельфгат Д.Б., Ошноков В.А. Расчет рам грузовых автомобилей на кручение //Автомобильная промышленность.-1955. № 10. -С.8-14.

17. Гельфгат Д.Б., Ошноков В.А. Расчет лонжеронов рам на изгиб статическойнагрузкой //Автомобильная промышленность.-1958. № 2. -С.13-17.

18. Дмитриченко С.С. Методы оценки и повышения долговечности тракторов и других машин: Автореф. дисс. докт. техн. наук.- М., 1971.- 36 с.

19. Дмитриченко С.С, Шевченко Н.М. Оценка долговечности автомобильных рам // Труды НАМИ (М.). 1965. - Вып. 80. - Прочность и долговечность автомобильных несущих систем. - С. 3-12.

20. Дмитриченко С.С, Завьялов Ю.А., Артемов В.А. Оценка нагруженности ходовой системы колесного трактора // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1985. - № 12. - С. 9-13.

21. Димитриченко С.С. Исследование прочности рам гусеничных тракторов с упругой подвеской: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М.,1959. -16 с.

22. Дмитриченко C.C, Колокольцев B.A., Боровских В.Е. Оценка ресурса несущих систем мобильных машин на стадии проектирования (на примере рамы троллейбуса) // Вестнк. Машиностроение. 1986. - № 2. - С.10-14.

23. Емельянов Н. Я, Эйдельман A. JI. К вопросу расчета рам автомобилей на изгиб в горизонтальной плоскости// Труды НАМИ . -1978. -Вып. 167. С. 610.

24. Емельянов Н. Я, Эйдельман A. JI. К вопросу расчета рам автомобилей на изгиб в горизонтальной плоскости // Автомобильная промышленность. -1980. -№5.- С. 20-23.

25. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике: Пер. с англ. М.: Мир,1975. 541 с.

26. Зузов В.Н., Бочаров Н.Ф., Постников Д.В. Расчет рам грузовых автомобилей: Учебное пособие. М.: МГТУ, 1997. - 42 с.

27. Зузов В.Н. Разработка методов создания несущих системы КМ с оптимальных параметрами: Дисс. док. техн. наук.-М., 2002. -347 С.

28. Зузов В.Н. Рациональное моделирование несущих систем колесных тракторов// Вестник МГТУ имени Н.Э. Баумана. Машиностроение. 2004. -№4.-С. 90-105.

29. Зузов В.Н. Принципы проектного расчета картерных элементов несущих систем колесных тракторов // Вестник МГТУ имени Н.Э. Баумана. Машиностроение. -2002. -№1.- С. 3-21.

30. Зузов В.Н. Проблемы использования метода конечных элементов для исследования несущей способности кузова автобуса// Известия ВУЗов. Машиностроение. 1979. -№11.- С.87-91.

31. Зузов В.Н. Исследование напряжено-деформированного состояния кузова автобуса применительно к автоматизированному проектированию несущих систем автомобилей: Дисс. канд. техн. наук: 05.05.03. М., 1980. - 183 с

32. Иванов А.А. Расчет автомобильных рам методом конечных элементов, //Автомобильная промышленность.-1973. № 4. -С.26-28

33. Иванова З.В. исследование долговечности несущих систем грузовых автомобилей: Автореф. диссканд. техн. наук. М., - 1974. -23 с.

34. Исследование усталостной долговечности несущих систем тракторов МТЗ-50 и МТЗ-54/ С.С. Дмитриченко, В.А. Трушина, Н.М. Панкратов и др.// Тракторы и сельхозмашины. 1973. - № 5. - С. 6-8.

35. Каплун А.Б, Морозов Е.М, Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. — М.: Едиториал УРСС, 2003. 272 с.

36. Кириллов А.П. Методика оценки напряженно- деформированного состоянияи оптимизации детали кузова легкого автомобиля с целью снижения их массы: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., - 1987. -16 с.

37. Когаев В.П, и др. Расчёты деталей машин и конструкций на прочность и долговечность.- М.: Машиностроение, 1985.- 224 с.

38. Когаев В.П, Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени.- М.: Машиностроение, 1993. 364 с.

39. Когаев В.П, Расчеты на прочность при напряжениях переменных во времени.- М.: Машиностроение, 1977. 332 с.

40. Колокольцев В.А. Разработка метода оценки нагруженности и долговечности рам троллейбусов: Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Саратов., -1986.-17 с.

41. Краткий автомобильный справочник.- М.: Транспорт, 1983. — 220с.

42. Краткий автомобильный справочник / А.Н. Понизовкин, Ю.М. Власко, М.Б. Ляликов и др. — М: АО "ТРАНСКОСАЛ-ТИНГ", НИИАТ, 1994, — 779 с.

43. Кугель Р.В. Долговечность автомобилей. М.: Машиз, - 1960.-432с.

44. Курбатский М.И. Машинное проектирование рам грузовых автомобилей: Дисс. канд. техн. наук. М., - 1977. -170 с.

45. Лавров Е.Н. Использование пакетов MSC.Nastran, MSC.Patran при проектировании и оценке несущей способности конструкции перспективного многоцелевого автомобиля. //Материалы конференции MSC.- Миасс, 2005. С. 15-21.

46. Машиностроение Энциклопедия/ Ред совет: К.В. Фролов (пред) и др. М.: Машиностроение,!997-TIV-15. Колесные и гусеничные машины. / В.Ф. Платонов, B.C. Азаев, Е.Б. Александров и др.; Под общ. ред. В.Ф. Платонова.- 688 с.

47. Медведков В.И., Билык С.Т., Гришин Г.А. Автомобили KAMA3-5320, КА-MA3-4310, Урал-4320: Учебное пособие.-М.:ДОСААФ, 1987.-372 с.

48. Метод фотоупругости: в 3-х томах/ Под ред. Г.Л. Хесина. М.: Стройиз-дат,1975. Т. 1. - Решение задач статики сооружений. Метод оптически чувствительных покрытий. Оптически чувствительные материалы. - 460 с.

49. Норенков И.П. Основы автоматизированного проектирования. М.:МГТУ,2002.-336 с.

50. Пархиловский И. Г. Автомобильные листовые рессоры. 2-е изд.- М.: Машиностроение, 1978.-232 с.

51. Постнов В.А. Численные методы расчета судовых конструкций. Д.: Судостроение, 1977. 279 с.

52. Постнов В.А., Хархурим И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. JL: Судостроение, 1974. - 342 с.

53. Проектирование полноприводных колесных машин: Учебник для вузов в 2-х т./ Б.А. Афанасьев, Н.Ф.Бочаров, В.Н. Зузов и др.; Под общ. ред. А.А. Полунина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. -1999, Т. 1. - 488 с; 2000. -Т.2.-640 с.

54. Проскуряков В.Б. Динамика и прочность рам и корпусов транспортных машин. -Д.: Машиностроение, 1972. 232 с.

55. Прочность и долговечность автомобиля/ Б.В. Гольд, К.Н. Оболенский, Ю.Г.

56. Стефанович и др. М.: Машиностроение, 1974. - 327 с.

57. Решетов Д.Н. Детали машин. М.: Машиностроение, 1974. - 598 с.

58. Ротенберг Р. В. Подвеска автомобиля. 3-е изд.- М.: Машиностроение, 1972.392 с.

59. Рынков С.П. MSC.visualNASTRAN для Windows. М.: НТ Пресс, 2004. -552с.

60. Светлицкий В.А. Случайные колебания механических систем. М.: Машиностроение, 1990. - 320 с.

61. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов: Пер. с англ. М.: Мир, 1979.-392 с.

62. Сервисен B.C., Когаев В.П., Шнейдерович P.M. Несущая способность и расчет деталей машин на прочность. М.: Машиностроение, 1975. - 488 с.

63. Смирнов Г. А. Теория движения колесных машин: Учеб. для студентов ма-шиностроит. спец. вузов. — 2-е изд.,доп. и перераб. — М.: Машиностроение, 1990.—352 с.

64. Тензометрирование деталей автомобиля/ Н.И. Воронцова, Д.Б. Гельфгат, И.С. Лунев и др. М: Машгиз, 1962. - 231 с.

65. Тензометрия в машиностроении: Справ, пособие/ Под ред. Р.А. Макарова.

66. М.: Машиностроение, 1975. 284 с.

67. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер И. Колебания в инженерном деле. -М.: Машиностроение, 1985. 472 с.

68. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: МГТУ, 2000. -592 с.

69. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975.-534 с.

70. Черный А.Н. Исследование прочности автомобильных рам методом конечных элементов: Дисс. канд. техн. Наук. -М., 1979. -214 С.

71. Черный А.Н. Численная реализация метода конечных элементов в исследованиях автомобильных рам// Деп. рук. ВИНИТИ. 1979. - № 365. - 10 с.

72. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: Справ, пособие.- М.: Машиностроение-1,2004.- 512 с.

73. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC.visualNastran for Windows. М.:1. ДМК Пресс, 2004. 704 с.

74. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/Nastran for Windows. М.: ДМК1. Пресс, 2001.-448 с.

75. Яценко Н.Н. Колебания, прочность и форсированные испытания грузовых автомобилей. -М.: Машиностроение, 1972. 372 с.

76. Яценко Н.Н., Форсированные полигонные испытания грузовых автомобилей." М.: Машиностроение, 1984.- 328 с.

77. Яценко Н.Н., Прутчиков O.K. Плавность хода грузовых автомобилей. -М.:Машгиз, 1969.-202с.

78. ANSYS программа конечно-элементного анализа/ Перевод и редактирование

79. Б.Г. Рубцова, оформление Л.П. Остапенко. М.: CAD-FEM GmbH, 1998.-66 с.

80. ANSYS Theory Referense Release 5.5/ Edited by Peter Kohnke. SAS IP Inc,1998.-1126 p.

81. Ashley H. Aeronautical uses of optimization// Journal of aircraft. 1982. - Vol.19, № 1. P. 2-23.

82. Hay J.K, , Blew J.M. Dynamic Testing and Computer Analysis of Automotive Frames. SAE, Paper 720046, 1972.

83. McClelland W.A., Klosterman A.L. NASTRAN for Dynamic Analysis of Vehicle

84. Systems. Int. Conf. Veh. Struct. Mech., Paper 740326,1974.

85. MSC.Adams user's guide Release 2005. http://www.mscsoftware.ru.

86. MSC.Fatigue user's guide Release 2005. http://www.mscsoftware.ru.