Библиотечный каталог авторефератов Украины

ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ

АВТОМОБІЛЬНО-ДОРОЖНІЙ УНІВЕРСИТЕТ

Дячук Максим Вікторович

УДК 629.35 + УДК 621.8.034

ВДОСКОНАЛЕННЯ РОЗРАХУНКОВИХ МЕТОДІВ ОЦІНКИ ПАРАМЕТРІВ ВІБРОНАВАНТАЖЕНОСТІ несучих систем АВТОМОБІЛЯ

Спеціальність 05.22.02 - автомобілі та трактори

Автореферат

дисертації на здобуття

наукового ступеня кандидата технічних наук

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автомобілів Харківського національного автомобільно-дорожнього університету Міністерства освіти і науки України.

Захист відбудеться „02” листопада 2005 р. о „1200” годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.02 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою:

Україна, 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: Україна, 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

Автореферат розісланий                                                          „19” жовтня 2005 р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Достовірна оцінка і прогнозування динамічних властивостей автомобіля на стадії проектування у вітчизняній автомобільній промисловості не завжди адекватні, тому що проводяться, в основному, за допомогою застарілих алгоритмів і методів, спрощених моделей, без урахування взаємодії елементів конструкції в цілому. Наслідком цього є істотне збільшення часу доведення конструкції, зокрема, вантажних автомобілів; при цьому іноді використовується чисто евристичний підхід.

Зміст дисертаційної теми передбачає комплексний погляд на перспективи розвитку розрахункових методів моделювання і прогнозування коливальної динаміки автомобіля. При цьому розробляються та удосконалюються методи, алгоритми, динамічні моделі автомобіля як для окремих елементів динамічної системи (дорога, шина, несуча система та ін.), так і для комплексного представлення стохастичного руху автомобіля з реальними фізичними параметрами кузова і ходової частини.

Актуальність теми. На даний момент перед інженером-конструктором автомобільної промисловості постають протиріччя: з одного боку - необхідність врахування усе більшої кількості зовнішніх факторів і особливостей конструкції, з іншого боку - істотне ускладнення аналітичних розрахункових моделей, які потребують вихідних даних з конструкторських бюро суміжних систем автомобіля. Фактично, елементи конструкції автомобіля, що створюються окремо, не перевіряються на своєрідну „динамічну сумісність”, і, як результат цього, - незадовільні показники іспитів з наступною доробкою конструкції.

Світовий досвід автомобілебудування показує об'єктивні якісні зміни як у принципах моделювання динаміки АТЗ, так і в методах аналізу. Це, насамперед, аналіз з використанням МКЕ і чисельного інтегрування, орієнтація на повноцінні State-of-the-Art Automotive Multi-body і Real-Time моделі. Останнє реалізовано в таких потужних пакетах, як: ANSYS, MATLAB SIMULINK, ADAMS-AUTO, SIMPACK - створених спеціально у тому числі і для автомобільної промисловості.

Актуальність теми виражається, насамперед, необхідністю зміни співвідношення витрат на проектування (аналіз) та доведення конструкції в напрямку оптимізації виробничого циклу. Для цього необхідно збільшувати вагу розрахунково-прогнозуючої частини шляхом удосконалення використовуваних і впровадження нових методів оцінки динамічних властивостей конструкції вітчизняного автомобіля. Комплексність проблеми вимагає розробки узагальнених принципів моделювання складових елементів стохастичної динаміки АТЗ.

Зв'язок з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася з метою підвищення розрахункової точності коливальної динаміки автомобілів КрАЗ (м. Кременчук), запроектованих в умовах ринкової економіки, а також перспективного автобуса А-186 розробки ГКБ „Південне” (м. Дніпропетровськ) відповідно до Постанови Кабінету Міністрів України № 39 від 26 січня 1994 року „Про організацію виробництва міських автобусів великої місткості”.

Задача автора - удосконалювання існуючих розрахункових методів оцінки параметрів вібронавантаженості конструкції і робочого місця водія, оцінка потенціалу перспективних методів, синтез розрахункових алгоритмів, створення програмного забезпечення, що сприятиме підвищенню розрахункової точності.

Мета дисертаційної роботи полягає в підвищенні точності розрахункових методів стохастичної динаміки транспортних засобів (ТЗ) шляхом удосконалення існуючих методів, розробки нових моделей і алгоритмів на базі чисельних засобів аналізу, що дозволить прогнозувати вібраційну навантаженість на стадії компонування і конструювання ТЗ, і, таким чином, зменшити час доведення конструкції вантажного автомобіля.

Задачі досліджень.

• Підвищення точності оцінки показників плавності ходу на попередніх етапах проектування несучої системи і системи підресорювання шляхом синтезу математичного апарату аналітичного методу аналізу підресорювання ТЗ на основі спектральної теорії з урахуванням кінцевої жорсткості несучої системи.
• Розробка алгоритму і методики чисельного моделювання випадкових дорожніх збурювань (мікропрофілю) для можливості аналізу стохастичного руху моделей підвісок з „нелінійним” підресорюванням, а також для використання в матричних методах дослідження динаміки автомобіля.
• Підвищення розрахункової точності задачі „мікропрофіль - шина” шляхом удосконалювання динамічної моделі шини, що вимагає розробки математичного апарату динамічної моделі шини на основі її реальної гістерезисної характеристики.
• Визначення перспектив використання кінцевоелементних моделей у коливальній динаміці автомобіля. Дослідження ролі несучої системи вантажного автомобіля з довгою базою в просторових коливаннях конструкції. Розв'язання питання використання плоских і просторових моделей у задачах коливальної стохастичної динаміки автомобіля. Аналіз елементів конструкції автомобіля на динамічну сумісність за їхніми спектрами власних частот коливань.

Об'єкт дослідження. Вібраційний процес взаємодії несучих елементів конструкції, робочого місця водія в оцінці плавності ходу вантажного довгобазного автомобіля.

Предмет дослідження. Розрахункові методи оцінки показників вібронавантаженості та плавності ходу вантажного автомобіля.

Методи дослідження. Оцінка силових та кінематичних середньоквадратичних показників вібронавантаженості несучої системи для моделі автомобіля УРАЛ-4320 виконувалася методами будівельної механіки та спектральної теорії випадкових функцій; чисельне моделювання випадкових дорожніх збурювань здійснювалося з використанням методів швидкого перетворення Фур'є (ШПФ) за алгоритмом Кулі-Тьюкі; рішення рівнянь динаміки для ланцюгових моделей підвіски з нелінійною гістерезисною характеристикою шини виконувалася чисельним інтегруванням за методом Рунге-Кутта 4-го порядку; створення просторових стрижневої та оболонкової моделей конструкції автомобіля КрАЗ-6510 і водія здійснювалось з використанням класичного МКЕ, реалізованого автором самостійно у середовищі MATLAB; визначення власних резонансних частот і форм коливань кінцевоелементних моделей автомобіля КрАЗ-6510 виконувалося методом ітерацій підпростору; рішення рівнянь динаміки для кінцевоелементних моделей автомобіля КрАЗ-6510 виконувалось методом прямого інтегрування Хаболта.

Наукова новизна отриманих результатів.

• Доведено вплив кінцевої жорсткості рами вантажного автомобіля з довгою базою на розрахункові показники плавності ходу в діапазоні, що перевищує інженерну точність; доведене підвищення розрахункової точності показників вібронавантаження елементів конструкції вантажного автомобіля з довгою базою при використанні моделей із пружною несучою системою; по спектрах власних частот показаний взаємний вплив динамічних властивостей основних елементів конструкції (рама, кабіна, кузов) на інтенсивність вібрації з частотним вікном, що входить у діапазон частот вібрації, пронормованої для людини.
• Доведено, що використання лінійних моделей шин при розрахунках коливальної динаміки автомобіля є некоректним.

Практичне значення отриманих результатів

• Розроблено методику, математичне і програмне забезпечення  аналітичного визначення кінематичних і силових показників вібронавантаження рами автомобіля при дискретному моделюванні з „пружною” рамою. Застосування матеріалів на ХК „КрАЗ” підтверджується актом про використання.
• Розроблено методику, програмне забезпечення чисельного моделювання стохастичних дорожніх збурювань (дорожнього мікропрофілю) на основі ШПФ із необхідним ступенем точності по спектральній оцінці для чисельного вирішення задач коливальної динаміки автомобіля. Застосування матеріалів на ГКБ „Південне” підтверджується актом про використання.
• Запропоновано математичну модель пружно-дисипативних радіальних властивостей шини на основі її гістерезисної характеристики. Застосування матеріалів на ГКБ „Південне” підтверджується актом про використання.
• Розраховано частоти і форми власних коливань кабіни автомобілів КрАЗ з метою з'ясування ділянок з потенційно високим ступенем вібрації, що дає можливість ужити конструктивних заходів по зниженню вібрації робочого місця водія.  Застосування матеріалів на ХК „КрАЗ” підтверджується актом про використання.
• Визначено орієнтовні розрахункові помилки при оцінці плавності ходу вантажних автомобілів з довгою базою при використанні плоских і просторових моделей з „твердою” і „пружною” несучою системою. Застосування матеріалів на ХК „КрАЗ” підтверджується актом про використання.

Особистий внесок здобувача

Авторові належать:

• математична модель, методика і MATHCAD-програма аналітичного визначення показників вібронавантаженості елементів конструкції автомобіля з пружною несучою системою за плоскою дискретною моделлю;
• алгоритм і програмний модуль генерації чисельної реалізації випадкового дорожнього мікропрофілю;
• математична модель радіальної гістерезисної характеристики шини;
• програмні MATLAB-модулі для реалізації базового МКЕ за методом переміщень (свідчення про реєстрацію авторського права № 11703);
• віртуальні оболонкова і стрижнева моделі автомобіля КрАЗ-6510 для дослідження динамічних показників руху та результати їх обчислювання.

Апробація результатів дисертації. Ключові моменти дисертаційної роботи доповідалися й одержали позитивну оцінку на міжнародній науково-технічній конференції „Автобудування-2001” (м. Харків, 2001 р.); міжнародної науково-технічної конференції „Автомобільний транспорт у XXI столітті” (м. Харків, 2003 р.), 12-му міжнародному конгресі з динаміки автомобіля (3-4 червня 2003 р., м. Ліон, Франція), та на 65-ій (2001 р.), 66-ій (2002 р), 67-ій (2003 р.) щорічних науково-технічних та науково-методичних сесіях ХНАДУ.

Публікації. Основний матеріал дисертації опублікований у 5 наукових працях у спеціалізованих журналах ВАК України. Програмне забезпечення розрахункової частини методом кінцевих елементів засвідчено авторським правом №11703.

Обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Загальний обсяг роботи складає 259 сторінок, у тому числі, 79 рисунка на 57 сторінках, 18 таблиць на 19 сторінках і 8 додатків на 109 сторінках. Список використаних літературних джерел нараховує 79 найменувань на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтована тема дисертаційної роботи, що спрямована на  розвиток розрахункових методів моделювання і прогнозування коливальної динаміки автомобіля, що забезпечують зниження витрат на доведення конструкції.

Перший  розділ оцінює можливі шляхи досягнення мети роботи, а також висвітлює основні положення етапів розвитку питання „автомобіль як коливальна система” відповідно до складових дослідження як: прийняття розрахункової схеми моделювання, моделювання кінематичних збурювань, моделювання шини як пружно-дисипативного елемента, відтворення фізичних характеристик підвіски, моделювання несучої системи та грузової платформи довгобазного автомобіля. Визначено недоліки аспектів моделювання і розрахункових методів, запропоновані шляхи підвищення об'єктивності динамічних моделей АТЗ і удосконалення розрахункових алгоритмів і методів.

В другому розділі синтезується аналітична розрахункова методика оцінки підресорювання довгобазного ТЗ (на прикладі УРАЛ-4320) з урахуванням кінцевої жорсткості несучої системи - з метою підвищення точності розрахунків на попередніх етапах проектування систем (несучої і підресорювання). Визначене досягається інтеграцією елементів будівельної механіки, стохастики, динаміки і спектральної теорії підресорювання ТЗ на основі дискретного представлення моделі (рис. 1), що дозволяє в підсумку оцінювати як кінематичні вібраційні характеристики (переміщення, швидкості, прискорення) у перетинах лонжеронів, так і силові (моменти, напруги).

Рис. 1. Дискретизація мас для вантажного автомобіля

і складання його динамічної моделі.

Система канонічних рівнянь за методом сил для моделі на рис. 1 у векторному виді:

,                                           (1)

де: - вектор вертикальних переміщень дискретних мас; - матриця деформативності системи; - вектор кінетичних реакцій у центрах мас; - вектор переміщень мас, що генеруються зовнішнім кінематичним збурюванням від випадкового профілю на безінерційну систему.

Компоненти системи (1) за допомогою інтегральних перетворень Лапласа

,  , 

приводять (1) до виду:                                                    (2)

Розділивши (2) на X1(s) перетворення мікропрофілю по колесах переднього моста автомобіля, одержуємо еквівалентну (2) систему в АЧХ-функціях при s = i·щ:

                             (3)

Кінетичні реакції діють на безмасовий кістяк конструкції (рис. 2); тому можливо через інтегральні перетворення виразити силові частотні функції HP(i·щ) через частотні функції переміщень HY(i·щ).

Рис. 2. Дія кінетичних реакцій на „безмасовий кістяк” системи.

Загальний підхід для кожної маси m відбитий у виразах (4):

,                  ,

,           .      (4)

Введемо позначення: - перетворена матриця деформативності з масами m і частотою щ; - вектор відносних комплексних ординат точок безмасового кістяка від мікропрофілю з урахуванням запізнювання впливу; - вектор, що обумовлює частину відносних переміщень, що повідомляються масам силами непружного опору в шинах з урахуванням запізнювання впливу. Тоді, для отримання невідомих частотних функцій одержуємо:

,                            (5)

де: Е - одинична діагональна матриця; .

Очевидно, що породжує проблему про власні частоти і власні форми, що вирішується чисельно ітераційним методом.

Рис. 3. Основна форма гнучких коливань лонжеронів

на резонансних частотах 47, 49.1, 52.16, 67 рад/с.

Форми більш високих власних частот характеризуються зменшенням величини коефіцієнтів власних форм задньої і середньої частин лонжеронів і істотним їх збільшенням у передній частині. Остання обставина визначає передню точку як найбільш навантажену в рамі і, отже, недоцільну для розташування опори з позиції передачі вібрації на кабіну.

Викладений підхід складання моделі і визначені раніше частотні функції точок мас дозволяють безпосередньо визначати дисперсію випадкових динамічних напруг у точках лонжеронів в залежності від швидкості руху і типу мікропрофілю.

,                (6)

де: - частотні функції згинаючих моментів (виражаються через частотні функції переміщень мас); - функція зміни моменту опору вигинові перетину лонжеронів; - спектральна щільність дисперсій (СЩД) мікропрофілю при визначеній швидкості ТЗ; - частота згортання (Найквиста). Використовуючи правило „трьох сигм” для нормального розподілу напруг, можна визначити „максимальні” динамічні гнучкі напруги в перетинах лонжеронів, а підсумовуючи їх зі статичними - „максимальні” повні напруги. Щоб оцінити вплив кінцевої гнучкої жорсткості несучої системи для типових умов руху розраховуються вертикальні прискорення точок лонжеронів для дійсної жорсткості лонжеронів і при двадцятиразовому її збільшенні. Результати відносних різниць оцінок СКЗ прискорень по довжині рами відбиті на рис. 4.