Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Колесные и гусеничные машины

Диссертационная работа:

Орлов Лев Николаевич. Комплексная оценка безопасности и несущей способности кабин, кузовов автомобилей, автобусов : ил РГБ ОД 71:2-5/339

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Основные термины и сокращения 7

Перечень условных обозначений 9

ВВЕДЕНИЕ И

1. БЕЗОПАСНОСТЬ И НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ КУЗОВОВ, КА БИН АВТОМОБИЛЕЙ, АВТОБУСОВ: ПРОЕКТИРОВАНИЕ, РАСЧЕТ, ИСПЫТАНИЯ. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОЦЕНКИ И ЗАДАЧИ РА БОТЫ 20

1.1. Состояние расчетных методов оценки прочности конструкций 21

1.2. Состояние расчетных методов оценки безопасности кузовов и кабин 26

1.3. Состояние работ в области экспериментальной оценки безопасности и несущей способности кузовных конструкций 31

1.4. Анализ требований, норм прочности и безопасности, предъявлявмых к кузовным конструкциям автотранспортных средств

1.5. Результаты анализа состояния проблемы и задачи диссертационной работы 46

2. МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КУЗО ВОВ, КАБИН ПО УСЛОВИЯМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ И НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ 51

2.1. Методы оценки безопасности и несущей способности кузовных конструкций 52

2.2. Синтез конструкторского решения на основе системного подхода к проектированию безопасных и прочных конструкций 57

2.3. Критерии и условия оценки безопасности, прочности кузовных конструкций 63

2.4. Методы расчетной оценки безопасности и несущей способности кузовных конструкций 66

2.4.1. Оценка безопасности конструкций 69

2.4.2. Оценка прочности и жесткости конструкций 80

2.5. Метод оценки безопасности кузовов автобусов при доводке и сертификации на соответствие требованиям Правил ЕЭК ООН № 66 по результатам расчетов и испытаний их отдельных секций 86

2.6. Методы специальной экспериментальной оценки несущей способности кузовов и кабин в условиях действия аварийных и эксплуатационных нагрузок 93

2.6.1. Оценка работоспособности конструкций в упругой фазе деформирования 94

2.6.2. Методика проведения специальных разрушающих испытаний конструкций, их секций и участков в условиях действия аварийных нагрузок. 96

2.6.3. Оценка несущей способности кузовов и кабин в условиях, имитирующих действие эксплуатационных нагрузок 97

2.7. Результаты и выводы по главе 98

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОЦЕНКИ БЕЗОПАСНОСТИ И НЕ СУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ КУЗОВОВ И КАБИН 99

3.1. Основы расчета кузовных конструкций на безопасность 100

3.1.1. Алгоритм расчета кузовов и кабин методом последовательных приближений 100

3.1.2. Инженерный (кинематический) метод расчета кузовов и кабин на безопасность 104

3.1.3. Алгоритм инженерного расчета кабин грузовых автомобилей на безопасность 115

3.1.4. Инженерный расчет кузовов легковых автомобилей на безопасность 125

3.1.5. Расчет кузовов автобусов на безопасность 136

3.1.6. Особенности нелинейного расчета кузовных конструкций на ос нове метода конечных элементов 147

3.2. Основы расчета несущей способности кузовов и кабин 148

3.3. Особенности расчета и оценки влияния температурного фактора (климатических условий) на несущую способность кузовов и кабин 161

3.4. Результаты и выводы по главе 163

4. РАСЧЕТНАЯ ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ, НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ КУЗОВОВ И КАБИН ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ, ДОВОДКЕ, СЕРТИФИКАЦИИ АВТОМОБИЛЕЙ, АВТОБУСОВ 165

4.1. Комплексная оценка безопасности, несущей способности кабин грузовых автомобилей 165

4.1.1. Анализ работоспособности кабин автомобилей ГАЗ-53А, ГАЗ-53-12, ГАЗ-4301 в условиях действия эксплуатационных и аварий ных нагрузок 165

4.1.2. Оценка и повышение несущей способности кабин грузовых авто мобилей ГАЗ-3307, ГАЗ-4301, опытного образца ГАЗ-3301, КамАЗ-

4320 по условиям безопасности, прочности и снижения металлоемкости 185

4.1.3. Повышение безопасности и несущей способности кабины грузо вого автомобиля ГАЗ-3302 при проектировании 193

4.2. Выбор рациональной модификации конструкции кузове с надрам-ником автомобиля-самосвала КамАЗ-55111 повышенной грузоподъемности при обеспечении прочности и долговечности 196

4.3. Снижение металлоемкости конструкции кузова (грузовой платформы) прицепа к легковому автомобилю 201

4.4. Оценка несущей способности и безопасности конструкции кузова специального фургона 204

4.5. Комплексная оценка безопасности и несущей способности кузовов легковых автомобилей 206

4.5.1. Анализ несущей способности кузова автомобиля ГАЗ-2410 и его элементов с точки зрения оценки безопасности 206

4.5.2. Сравнительная оценка несущей способности передней части кузовов автомобилей ГАЗ-31029 и ГАЗ-3102 210

4.5.3. Повышение безопасности и несущей способности опытных образцов кузова легкового автомобиля среднего класса 212

4.6. Комплексная оценка безопасности и несущей способности кузовов автобусов «СЕМАР» при проектировании и создании конструкций 221

4.6.1. Проектирование и создание безопасных, равнопрочных конструк ций кузовов опытных образцов автобусов полукапотной компоновки на шасси грузовых автомобилей ГАЗ-3307 и ГАЗ-3309 «Садко» 222

4.6.2. Проектирование, создание безопасного, равнопрочного кузова ав тобуса СЕМАР-3224 и его модификаций для серийного производства 224

4.7. Повышение безопасности и несущей способности кузовов вахтовых автобусов НЗАС-420801, 42111, 42112, 42113 при обеспечении задан ной металлоемкости и долговечности 228

4.7.1. Расчетно-экспериментальная оценка несущей способности и безопасности кузова модели 420801 229

4.7.2. Расчетная оценка безопасности и несущей способности кузовов вахтовых автобусов моделей 42111,42112, 42113 237

4.8. Оценка несущей способности опытного образца кузова городского автобуса КамАЗ-5262 239

4.9. Комплексная оценка безопасности и несущей способности кузовов автобусов ПАЗ 244

4.9.1. Оценка несущей способности кузовов автобусов ПАЗ-3205, ПАЗ-3206 244

4.9.2. Повышение безопасности и несущей способности модификации кузова для автобуса малого класса 260

4.9.3. Доводка конструкций кузовов автобусов ПАЗ-5271, ПАЗ-4228 при проектировании по требованиям равнопрочности и безопасности 265

4.10. Результаты и выводы по главе 270

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ И НЕСУ ЩЕЙ СПОСОБНОСТИ КАБИН, КУЗОВОВ. ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ И ПЮЧНОСТИ КУЗОВНЫХ КОНСТРУКЦИЙ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ. 273

5.1. Анализ несущей способности и оценка безопасности кабины грузового автомобиля ГАЗ-53А 275

5.2. Исследование характеристик безопасности кузова легкового автомобиля на примере ГАЗ-2410 282

5.3. Комплексная оценка несущей способности и безопасности кузова вахтового автобуса НЗАС-420801, каркасов крыши и основания 287

5.4. Оценка несущей способности кузова (грузовой платформы) прицепа к легковому автомобилю 301

5.5. Оценка безопасности, несущей способности кузова автобуса ПАЗ-3205, его секций, участков и элементов 302

5.6. Результаты и выводы по экспериментальной оценке безопасности, несущей способности кузовов, кабин 320

5.7. Пути повышения безопасности, несущей способности кузовов, ка бин автомобилей, автобусов при проектировании и доводке 321

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 326

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 332

ПРИЛОЖЕНИЕ 370 

Введение к работе:

Повышение безопасности кузовных конструкций автотранспортных средств при обеспечении заданной долговечности и металлоемкости является одной из важных народно-хозяйственных и социальных проблем. Решение проблемы во многом определяется дальнейшим совершенствованием процессов проектирования, доводки, сертификации кабин и кузовов автомобилей, автобусов. Большое значение при этом имеет развитие методов оценки несущих свойств конструкций. Наиболее широкое применение из них нашел экспериментальный метод, основанный на результатах натурных стендовых или полигонных испытаний полномасштабных конструкций в отдельности или в составе всего автомобиля (автобуса). Этот метод имеет неоспоримое преимущество по достоверности получаемых результатов. Однако сравнительно высокая трудоемкость и стоимость экспериментальных работ ограничивает его возможности на этапе доводки при поиске рациональной конструкции, когда требуется рассмотрение большого количества вариантов разрабатываемой конструкции, а также при оценке безопасности конструкции в различных аварийных ситуациях. Это связано с проведением испытаний большого количества дорогостоящих опытных образцов. Из-за отсутствия такой возможности, особенно в настоящее время, зачастую необходимая для этого программа испытаний сводится к минимальному объему работ, связанному со стендовыми испытаниями одного или двух образцов конструкции и с сертификацией автомобиля. В последнем случае испытаниям подвергается, как правило, один автомобиль. Но и это в настоящее время под силу не каждому заводу, особенно если речь идет о сертификации городского или туристического автобуса, имеющего высокую потребительскую стоимость. Все это указывает на необходимость дальнейшего совершенствования расчетных методов оценки безопасности и несущей способности кузовов, кабин, применения системного подхода, базирующегося на комплексной оценке несущей способности конструкций на всех этапах проектирования, доводки, сертификации с использованием расчетных и экспериментальных методов оценки.

Несмотря на достигнутые успехи в этой области, в отечественном автомобиле-и автобусостроении остаются нерешенными вопросы, связанные с разработкой норм прочности, критериев оценки безопасности кузовных конструкций при проектировании; отсутствуют общепринятые методики расчета и оценки работоспособности конструкций в условиях действия эксплуатационных и аварийных нагрузок. Не применяется системный подход в решении практических задач при создании безопасных и равнопрочных конструкций. Отсутствует метод инженерного расчета кузовов и кабин на безопасность, позволяющий конструктору оперативно выбирать рациональную силовую схему конструкции на первоначальном этапе проектирования. Это затрудняет проведение целенаправленного поиска безопасной и прочной конструкции при разработке автотранспортного средства.

Важное значение в настоящее время придается развитию разработок в области совершенствования расчетно-экспериментальных методов оценки безопасности и прочности кузовных конструкций при доводке, сертификации автомобилей и автобусов. Ограниченное применение расчетных методов оценки при сертификации существенно затрудняет и сдерживает процесс ее проведения в современных экономических условиях из-за высокой стоимости проведения натурных испытаний.

Поэтому разработка концепции комплексной оценки безопасности и несущей способности кузовных конструкций при проектировании, доводке, сертификации автотранспортных средств является одной из актуальных проблем автомобиле- и ав-тобусостроения. На основании этого сформулирована цель работы.

Цель работы

Решение научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, связанной с повышением безопасности, несущей способности кабин, кузовов автомобилей, автобусов на основе развития методов оценки и расчета кузовных конструкций на безопасность и прочность; практической реализации результатов.

Методы исследований

В теоретических исследованиях использованы методы математического моделирования, механики сложных пространственных статически неопределимых кон струкций, теорий упругости и пластичности, механики разрушения конструкций, численные методы решения систем дифференциальных уравнений и нелинейных алгебраических уравнений. В исследованиях использовались пакеты программ «Спринт», ANSYS, GIFTS, NASTRAN упругого расчета методом конечных элементов и пакет нелинейного расчета LS DYNA-3D. Экспериментальные исследования проводились лабораторными методами на натурных образцах кабин, кузовов, их секциях, участках и элементах, с применением специально спроектированного и изготовленного оборудования для статических и ударных испытаний конструкций. Прочность отдельных конструкций оценивалась также по результатам дорожных испытаний.

Научную новизну работы составляют:

- метод комплексной оценки безопасности и несущей способности кузовных конструкций автотранспортных средств с применением системного подхода при проектировании, обоснованных критериев оценки, методов расчета и математических моделей;

- метод расчета кузовов и кабин на безопасность; алгоритмы, программы расчета разрушающих нагрузок и пластических характеристик сечений; аналитические зависимости, устанавливающие взаимосвязь между ними с учетом упруго-пластических свойств конструкций;

- метод оценки пассивной безопасности автобусов при доводке и сертификации на соответствие требованиям Правил ЕЭК ООН № 66 на основе результатов расчетов и испытаний отдельных секций кузовов;

- расчетные модели кузовных конструкций, принципы их выбора и обоснования для решения практических задач повышения безопасности, несущей способности кузовов и кабин.

Квалификационная формула работы

В данной диссертационной работе на основе выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований осуществлено решение научной проблемы, имеющей важное народно-хозяйственное значение, связанной с вопросами оценки и повышения безопасности, несущей способности кузовов, кабин автомобилей, автобусов, основные теоретические положения которой могут быть распространены на все кузовные конструкции автотранспортных средств, а полученные результаты и рекомендации могут быть использованы при проектировании, доводке, сертификации новых и модернизированных конструкций.

Основные положения, выносимые на защиту Из теоретических разработок - метод расчета кузовов и кабин на безопасность; аналитические зависимости, определяющие взаимосвязь несущей способности конструкций по разрушающим нагрузкам и геометрических параметров их силовых элементов; математические модели рассматриваемого семейства кузовных конструкций.

Из научно-методических - методологические основы проектирования кабин, кузовов с применением комплексной оценки их безопасности и несущей способности, системного подхода в использовании расчетных и экспериментальных методов оценки, соответствующих моделей и образцов на всех этапах создания конструкций; разработанных критериев и методов расчетно-экспериментальной оценки безопасности и прочности кузовных конструкций.

Из научно-технических - результаты исследований безопасности, несущей способности семейства кузовных конструкций автомобилей, новых проектных разработок и конструктивных решений автобусов, практические рекомендации, направленные на повышение безопасности, обеспечение равнопрочности и снижение металлоемкости конструкций; комплекс оборудования и аппаратуры для проведения специальных испытаний кузовных конструкций по оценке безопасности, несущей способности.

Достоверность результатов

Проведенные испытания натурных образцов кабин и кузовов, их секций и силовых элементов в лабораторных условиях на специально разработанных и созданных стендах подтвердили основные теоретические положения, принятые гипотезы и допущения, обоснованность практического применения разработанных методов оценки и расчета безопасности, несущей способности кузовных конструкций.

Объекты исследования

В качестве объектов исследования выбрано семейство кузовных конструкций:

- кузова автобусов ПАЗ-3205, ПАЗ-5271, ПАЗ-4228; Семар-3234, Семар-3280, опытного образца полукапотной компоновки Семар-3228; вахтовых автобусов НЗАС-420801, НЗАС-42111, НЗАС-42112, НЗАС-42113; опытного образца городского автобуса КамАЗ-5262.

- кабины грузовых автомобилей ГАЗ-3302, ГАЗ-3307, ГАЗ-53-12; КамАЗ-4320;

- кузова легковых автомобилей ГАЗ-3102, 2410, 31029, опытных образцов перспективного легкового автомобиля (ГАЗ-3105);

- кузова автомобиля-самосвала КамАЗ-55111 и его модификаций; кузов прицепа НЕФ A3 к легковому автомобилю; кузов специального фургона.

Практическая ценность заключается в создании теоретических и методологических основ оценки безопасности и несущей способности, предназначенных для использования при проектировании, доводке, сертификации автомобилей, автобусов. Разработанные аналитические зависимости разрушающих нагрузок от параметров конструкций являются необходимым инструментом для конструктора, позволяющим оперативно решать практические задачи выбора рациональных по условиям безопасности кузовов и кабин. Практическую значимость составляют результаты проведенных исследований и разработанные рекомендации по повышению безопасности, несущей способности кабин и кузовов при обеспечении заданной долговечности, снижении металлоемкости.

Реализация результатов работы

Результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде методов расчета и испытаний, конкретных практических рекомендаций по повышению безопасности, несущей способности кузовов и кабин, снижению их металлоемкости, внедрены на заводах ОАО «Павловский автобус», ОАО «ГАЗ», ОАО «СЕМАР», ОАО «НЕФA3» и реализованы:

- при разработке, создании и производстве автобусов Семар-3234; при разработке и изготовлении опытных образцов автобусов полукапотной компоновки Семар-3228 на шасси автомобиле ГАЗ-3307, ГАЗ-3309 «Садко»;

- при доводке кузовов автобусов ПАЗ, НЗАС, кабин грузовых автомобилей ГАЗ, кузова автомобиля-самосвала КамАЗ-55111 и его модификаций, грузовой платформы прицепа НЕФ A3, специального фургона, кузовов легковых автомобилей среднего класса.

Апробация работы

Основные положения работы и результаты исследований докладывались я обсуждались на региональных и международных научно-технических конференциях, проводимых ежегодно в НГТУ и НТОМашпром (г. Нижний Новгород, 1983 - 2000 гг.), на совещаниях и международных научно-технических конференциях «Динамика и прочность автомобиля» (Москва, Институт машиноведения РАН им. А.А. Бла-гонравова, 1984 - 2000 гг.), на всесоюзной научно-технической конференции в г. Челябинске (1984 г.), на XXX международной научно-технической конференции «Безопасность конструкции автотранспортных средств» (г. Дмитров, ГУП «НИЦИ-АМТ», 2000 г.), на республиканских научно-технических конференциях (г. Николаев, 1985 г.; г. Ташкент, 1986 г., г. Кутаиси, 1989 г.), на научно-технических конференциях (г. Москва, МАДИ, 1989, 1990 гг.; г. Таллинн, ТТУ, 1990 г.), на международной и всероссийской научных конференциях (г. Волгоград, ВГТУ, 1999 г.; г. Тольятти, ТПИ, 2000 г.) и международных научных симпозиумах (г. Москва, МГТУ «МАМИ», 1999, 2000 гг.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 62 научные работы, 9 методических разработок, написано 60 научно-технических отчетов по госбюджетным и хоздоговорным НИР с участием автора в качестве руководителя или ответственного исполнителя темы. В число научных работ входят 3 авторских свидетельства на изобретения. Автор работы является научным редактором учебных пособий «Законодательные и потребительские требования к автомобилям» объемом 400 страниц [75],

«Курсовое и дипломное проектирование колесных и гусеничных машин» объемом 124 страницы [30] и соавтором учебного пособия «Шасси автомобиля. Атлас конструкций» объемом 23 п.л. [292].

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих результатов и выводов, списка использованной литературы из 368 наименований, приложения. Диссертация содержит 292 страницы машинописного текста, 160 рисунков, 26 таблиц и 25 страниц приложения с распечатками программ и актами внедрения результатов работы.

Структурное содержание и порядок изложения материала подчинены поставленной цели и решаемым задачам. Последовательное изложение материала в работе и главах построено таким образом, что каждая глава, раздел и подраздел являются частью комплексного и системного подхода к оценке безопасности и прочности кузовных конструкций, основой для последующей главы. Каждая глава имеет свои выводы, а в разделах дается краткое резюме.

В первой главе дан анализ состояния проблемы и работ по исследованию, оценке безопасности, несущей способности кузовных конструкций при проектировании, доводке и сертификации автотранспортных средств; поставлены основные задачи.

Во второй главе рассмотрены методологические основы проектирования кузовов и кабин по условиям обеспечения безопасности и прочности, включающие поэтапное применение отдельных методов оценки работоспособности конструкций. Дается обоснование критериев и методов оценки безопасности, несущей способности конструкций. Приведены основные этапы разработанных методов расчетной оценки безопасности кузовных конструкций при проектировании и расчетно-экспериментальной оценки при доводке и сертификации.

Третья глава посвящена теоретическим основам расчета и оценки безопасности, несущей способности кузовных конструкций. В ней приведены основные уравнения и зависимости, положенные в основу метода конечных элементов и исполь зуемые в данной работе при оценке прочности. Отмечены особенности применения МКЭ в суперэлементной постановке, используемой в данных исследованиях. Приведена разработанная автором теория оценки безопасности кузовных конструкций, основанная на инженерном методе и методе последовательных приближений. Рассматриваются алгоритмы расчета на безопасность кузовов автобусов и легковых автомобилей, кабин грузовых автомобилей. Выведены аналитические зависимости несущей способности конструкций по разрушающим нагрузкам от геометрических и физических параметров конструкций, необходимые конструктору для проектирования безопасных кузовов и кабин.

В четвертой главе приводятся материалы по практической реализации разработанной теории, методов расчета и оценки безопасности, несущей способности на примерах семейства кузовных конструкций, охватывающего все типы кузовов и кабин. В ней рассмотрены результаты комплексной оценки работоспособности кузовов автобусов и легковых автомобилей, кабин грузовых автомобилей, направленной на повышение их безопасности, прочности, при обеспечении заданной металлоемкости и долговечности.

В пятой главе рассмотрены способы экспериментальной оценки безопасности, прочности кабин и кузовов; несущей способности их секций и силовых элементов на основе разработанного метода; применяемое оборудование. Проведенные специальные исследования направлены на обоснование правомерности применения разработанных методов оценки и теоретических положений, на подтверждение обоснованности принятых гипотез и допущений, на доказательство достоверности полученных результатов и практических разработок. В последнем разделе пятой главы даны направления повышения безопасности, несущей способности кузовов, кабин при проектировании и доводке на основе выполненных исследований, полученных результатов и разработанных практических рекомендаций.

В заключение приведены основные результаты и выводы.

В приложении помещены распечатки разработанных программ и копии актов внедрения результатов работы.

Автор выражает глубокую признательность своему учителю профессору В.Б. Цимбалину.

Автор благодарит сотрудников кафедры «Автомобили и тракторы» и соавторов трудов за оказанную помощь в выполнении и оформлении работы.

Подобные работы
Тумасов Антон Владимирович
Разработка методики расчетной оценки пассивной безопасности кузовов и кабин автомобилей при опрокидывании
Чабунин Игорь Сергеевич
Напряженно-деформированное состояние и разработка инженерного метода расчета обода колеса для бескамерных шин грузовых автомобилей и автобусов
Карпов Валерий Владимирович
Разработка методов оценки безопасности маневра автомобиля
Дыгало Владислав Геннадьевич
Разработка средств и методов лабораторной оценки активной безопасности автомобиля с АБС с учетом действий водителя
Зубриський Сергей Григорьевич
Оценка влияния конструктивных изменений автотранспортных средств на безопасность их использования
Голубев Юрий Анатольевич
Метод оценки эффективности применения автоматического регулировочного рычага с целью повышения безопасности автомобилей
Узбеков Фуад Минирович
Оптимизация геометрических параметров кузова автомобиля по аэродинамическим характеристикам
Крутолапов Виталий Евгеньевич
Метод улучшения виброакустических характеристик кузова легкового автомобиля применением вибродемпфирующих материалов
Переверзев Сурен Борисович
Улучшение обтекаемости легкового автомобиля путем совершенствования параметров кузова
Омран Кахтан
Прогнозирование вибрационной безопасности автомобиля с вторичной системой подрессоривания кузова из полимерных композиционных материалов

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net