ТЕРНОПІЛЬСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ІВАНА ПУЛЮЯ

Титаренко Володимир Євгенійович

УДК 629. 332 : 539. 3

НАПРУЖЕНО-ДЕФОРМОВАНИЙ СТАН І ДОВГОВІЧНІСТЬ РАМ НАПІВПРИЧЕПІВ

Спеціальність 01.02.04 – Механіка деформівного твердого тіла

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тернопіль – 2006 р.

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Житомирському державному технологічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Грабар Іван Григорович,

Житомирський державний технологічний університет, проректор з наукової роботи, завідувач кафедри автомобілів та механіки технічних систем

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Чаусов Микола Георгійович,

Національний аграрний університет, завідувач кафедри опору матеріалів

кандидат фізико-математичних наук, старший

науковий співробітник

Галатенко Григорій Васильович,

Інститут механіки ім. С.П. Тимошенка НАН України, відділ механіки руйнування матеріалів

Провідна установа: Національний технічний університет України

„Київський політехнічний інститут”, кафедра динаміки, міцності машин та опору матеріалів, м. Київ

Захист відбудеться 09.02.2007 р. о 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 58.052.01 у Тернопільському державному технічному університеті імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль,

вул. Руська, 56.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль,

вул. Руська, 56.

Автореферат розісланий 07.01. 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради, к. ф.-м. н., доцент Шелестовський Б.Г.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Значний ріст автомобільних перевезень у світовій економіці суттєво збільшив кількість вантажного парку автотранспортних засобів (АТЗ). Створення конкурентноспроможних конструктивних зразків загострює проблему удосконалення методів конструювання і розрахунків автомобільної техніки для організації виробництва в максимально короткі терміни. При конструюванні нових АТЗ показник конкурентноздатності вимагає: підвищення надійності, технологічності, вантажопідйомності при одночасному зменшенні металоємності та забезпечення роботоздатності. Розв’язання цих задач пов’язане з раціональним проектуванням та визначається необхідністю конструктивної оптимізації рам напівпричепів для підвищення їх надійності на основі критеріїв міцності та тріщиностійкості удосконаленням розрахункових методів проектування. Значний вклад в розробку методик визначення НДС та ресурсу конструкцій рам внесений такими науковцями, як В.Г. Проскуряков, Л.М. Лельчук, А.В. Александров, В.В. Панасюк та іншими. Складність проблеми визначається суттєвою відмінністю конструкцій транспортного машинобудування, яка полягає у змінності зовнішніх навантажень, що діють в процесі їх експлуатації. Вони змінні в часі та прикладаються з визначеною частотою, яка залежить від швидкості руху АТЗ, схеми завантаження, стану дороги та інших факторів. Змінні навантаження викликають в елементах конструкцій періодичні змінні напруження, що сприяє утворенню втомних тріщин, їх розвитку та втомному руйнуванню. Необхідність розробки розрахункових методів проектування, які враховують дію змінних циклічних навантажень на раму, є умовою забезпечення її високих якісних показників. Врахування особливостей конструкцій лонжеронних драбинних рам сідельних напівпричепів, впливу геометрії лонжеронів на жорсткість зневоленого кручення поперечин, а також критеріїв циклічної тріщиностійкості матеріалу є доповнюючими складовими до раніше розроблених методик розрахунку рам, що забезпечує їх достовірність і є актуальним.

Зв’язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась на кафедрі автомобілів і механіки технічних систем Житомирського державного технологічного університету (ЖДТУ) у відповідності до завдань господарсько-договірної теми № „Оптимізація конструкції автопричепів і розробка методики їх розрахунку” з ВАТ “Трансмаш” (м. Бердичів), що є виробником рам сідельних напівпричепів, і пріоритетного напрямку № 6 „Новітні технології та ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості та агропромисловому комплексі” Закону України „Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки” і Постанови КМУ від 24 грудня 2001 р. № 1717.

Метою досліджень є визначення напружено-деформованого стану (НДС) і ресурсу лонжеронних драбинних рам напівпричепів.

Поставлена мета визначила основні завдання досліджень:

1. Експериментальні дослідження НДС при згині рами на натурних зразках.

2. Експериментальні дослідження НДС рами при згині з крученням.

3. Розрахунок параметрів зневоленого кручення поперечин рами за алгоритмом В.З. Власова.

4. Розробка алгоритмів і модифікація програмного забезпечення для визначення впливу параметрів лонжеронів на жорсткість зневоленого кручення поперечних тонкостінних елементів рами в пружній і пружно-пластичній постановці.

5. Вдосконалення методики інженерних розрахунків НДС рам напівпричепів на етапі проектування.

6. Дослідження кінетики втомних тріщин в елементах рам напівпричепів.

7. Розробка методики визначення ресурсу конструкцій з урахуванням експлуатаційних навантажень.

Об’єктом досліджень є лонжеронні драбинні рами сідельних напівпричепів.

Предметом досліджень є НДС, ресурс і міцність єлементів натурних конструкцій рам з урахуванням геометрії лонжеронів та стадії поширення тріщин.

Наукова новизна отриманих результатів:

1. Розроблено безстендову методику експериментальних досліджень НДС драбинних рам напівпричепів на основі спареного навантаження двох натурних зразків.

2. Розвинуто елементи в теорії В.З. Власова на умови зневоленого кручення поперечин при неповному жорсткому закріпленні їх кінцевих перетинів вертикальними стінками лонжеронів.

3. Розроблено методику розрахунку ресурсу рам напівпричепів, яка ґрунтується на аналізі НДС та характеристиках циклічної тріщиностійкості матеріалу конструкції. Виявлено основні закономірності поширення тріщин в критичних ділянках драбинних рам (з’єднання поперечин з лонжеронами).

4. Виявлено залежність кінетики поширення втомних тріщин у вузловому з’єднанні від жорсткості (піддатливості) поперечини рами при зневоленому крученні.

Практичне значення отриманих результатів:

1. Розроблені методики спрощених інженерних розрахунків драбинних рам і визначення їх ресурсу, що дає можливість оптимізувати конструктивні рішення на основі вибору раціональних профілів і геометричних розмірів конструктивних елементів.

2. В результаті проведених досліджень НДС рами знайдені шляхи зменшення напружень від дії навантажень на 10 – 15, що забезпечило збільшення ресурсу конструкції в 1,5 раза , з одночасним зменшенням металоємності на 8 – 10 %.

3. Проведення експериментальних досліджень НДС рам за безстендовою методикою та натурними випробуваннями живучості критичних ділянок.

Достовірність результатів визначена коректним застосуванням підходів до оцінки НДС конструкцій рам і основних положень механіки деформівного твердого тіла та механіки руйнування.

Особистий внесок здобувача є основним на всіх етапах досліджень. Запропонована та впроваджена безстендова методика експериментальних

досліджень НДС драбинних рамних конструкцій напівпричепів. Розроблена комп’ютерна методика дослідження впливу параметрів лонжеронів на характеристики жорсткості зневоленого кручення поперечних конструктивних елементів для розширення області застосування теорії В.З. Власова з деформування тонкостінних стрижнів і використання в методиці розрахунків проектування рам. Розроблена та впроваджена методика наближених інженерних розрахунків проектування рамних конструкцій в навчально-методичну базу для підготовки інженерів-механіків зі спеціальності „Автомобілі та автомобільне господарство”. Розроблена експериментальна установка та проведені малоциклові випробування живучості вузлових з’єднань рами з дослідженням кінетики та послідовності накопичення тріщин. Запропонована методика визначення ресурсу конструкцій рам з урахуванням наявних дефектів.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення та результати досліджень доповідались і обговорювались на: Міжнародній науково-практичній конференції „Сучасні технології в аерокосмічному комплексі”, 4 – 6 вересня 2001 р., ЖДТУ; Міжнародній науковій конференції „Mechanics – 2004” Scientific Bulletins of Rzeszтw University of Technology No 209 Mechanics 62 Rzeszтw , June, 2004; ХХХ науковій конференції ЖДТУ, 10 – 17 березня 2005 р., ЖДТУ; XXXI науково – практичній міжвузівській конференції ЖДТУ, 14 – 16 березня 2006 р., ЖДТУ; ХІІІ-му Міжнародному колоквіумі „Механічна втома металів 2006”, 25 – 28 вересня 2006 р., ТДТУ імені Івана Пулюя.

Публікації. Основний зміст дисертації викладено у 10 публікаціях, із них 6 – у фахових виданнях.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, 7 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 201 стор., додатків 19 стор. Дисертація містить 70 рисунків, 12 таблиць і посилання до 88 літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, яка підкреслює її актуальність, сформульовано мету та задачі досліджень, розглянуто зв’язок з господарсько- договірною тематикою, показано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі проаналізовано методи розрахунків рам АТЗ і особливості їх НДС. Встановлено велику різноманітність лонжеронних рам драбинного типу, представниками яких є рами автомобілів загального призначення та рами сідельних напівпричепів – конструктивні системи із тонкостінних стрижнів. Більшість існуючих розрахункових методів при розрахунках міцності та ресурсу не враховують наявних дефектів конструкцій, а також впливу геометрії лонжеронів на жорсткість

кручення поперечин рамного контуру. Вони є складними, затратними і малодоступними для конструктора, що займається проектуванням і ремонтом статично невизначних конструкцій рам напівпричепів. Розробка достовірних, простих і доступних методів інженерних розрахунків є актуальною задачею, особливо для стадії проектування. Такими методами можуть бути наближені розрахунки, побудовані на основі прийняття умов спрощення, які враховують особливості НДС конструкцій. Один з них наведено в роботах Д.Б. Гельфгата та В.А. Ошнокова, де використана умова спрощення про нехтування деформаціями згину із-за значно переважаючої згинної жорсткості лонжеронів рам над жорсткістю їх кручення. Це дало можливість всі внутрішні силові фактори виразити через один параметр – кут закручування рами або зовнішній момент і тим самим звести розрахунок до статично визначної задачі. Недоліком даної методики є те, що моменти інерції зневоленого кручення поперечин визначались експериментально.

Проведено узагальнення досліджень особливостей НДС рамних конструкцій АТЗ та пошук комплексу технічних заходів для: оптимізації НДС критичних ділянок та розподілу навантаження; зменшення металоємності; підвищення надійності та довговічності металоконструкцій тримальних систем АТЗ з подальшим використанням їх як методологічних рекомендацій.

В роботі враховано перехід на більш прогресивну стратегію експлуатації машин, що допускає виникнення тріщин в елементах конструкцій. Основа цієї стратегії визначається постулатом: пошкодження (тріщини) повинні бути виявлені раніше, ніж вони призведуть до непоправних наслідків. Для уточнення методик розрахунків ресурсу деталей машин це вимагає, поряд з традиційними методами визначення міцності, обґрунтування їх живучості експериментальними дослідженнями на спеціальному стендовому обладнанні для механічних руйнувань. Тому актуальним є напрямок створення конструкцій „безпечного терміну служби” або конструкцій підвищеної живучості.

У другому розділі розроблена методологія дослідження НДС рам; приводяться загальні характеристики вибраних методів; наведені особливості безстендової методики експериментальних досліджень та комп’ютерного моделювання НДС рамних конструкцій; розроблені методики експериментальних та комп’ютерних досліджень критичних ділянок при статичних і циклічних навантаженнях частин рам.

Методологія дослідження НДС обґрунтована для проведення широкомасштабних випробувань натурних рам сідельних напівпричепів згином, згином з крученням і поелементними дослідженнями частин для встановлення особливостей їх НДС і поєднує експериментальні, аналітичні та методи досліджень сучасними комп’ютерними технологіями.

Нами вперше запропонована, розроблена та апробована безстендова методика випробувань рам на згин і згин з крученням на основі спареного навантаження двох натуральних зразків. Вона забезпечує отримання достовірних результатів без застосування спеціальних стендів і в десятки разів зменшення витрат на проведення експерименту.

Вибраний метод розрахунку рам Д.Б. Гельфгата і В.А. Ошнокова запропоновано доповнити розробленою нами методикою визначення впливу геометрії лонжеронів на жорсткість зневоленого кручення поперечин. Дана методика дозволяє розширити застосування теорії В.З. Власова на умови неповного жорсткого закріплення кінцевих перетинів поперечних елементів рам. Для спрощення визначення характеристик жорсткості зневоленого кручення елементів конструкцій експериментальні методи їх дослідження замінюються методами комп’ютерного моделювання з подальшим використанням результатів у відомому лінійному наближенні:

(1)

де Мк, l – момент кручення та довжина поперечини; G – модуль пружності зсуву матеріалу.

Для побудови методики визначення впливу геометрії лонжеронів на жорсткість зневоленого кручення поперечин комп’ютерними методами:

1. Розроблений алгоритм створення відповідних натурним зразкам комп’ютерних моделей елементів рам.

2. Наведений приклад побудови за даним алгоритмом комп’ютерної моделі поперечини, що показана на рис. 1, і необхідна для оцінки НДС критичних ділянок рами. |

Характеристики комп’ютерної моделі

Кількість елементів

(шт.)

Густина розбивки

(елементів /м.кв.)

Розмір елемента

(мм)

1147

625

40х40

Рис. 1. Комп’ютерна модель локальних зон з’єднань поперечини з лонжеронами

Для оптимізації рамного контуру методика передбачає можливість моделювання змінного НДС в локальних ділянках конструктивними параметрами складових елементів (наприклад, зміною товщин вертикальних стінок лонжеронів або інших геометричних розмірів), конструктивними варіантами вузлових з’єднань, схемами навантажень поперечного зв’язку.

Для врахування впливу товщин д вертикальних стінок лонжеронів на жорсткість кручення поперечин при різних схемах С з’єднання їх з лонжеронами введений поправлювальний коефіцієнт .

Безрозмірна величина коефіцієнта є функцією від даних аргументів, тобто

або = f (д, С) (2)

де – питомий кут закручування поперечини, розрахований за теорією

В.З. Власова кручення тонкостінних стрижнів, для визначених схем з’єднання С;

– питомий кут закручування поперечини, отриманий на комп’ютерній моделі, при визначених товщинах вертикальних стінок лонжеронів і схемах з’єднання С.

Задачі запропонованої методики полягають у дослідженні вищезазначеної функції для визначення реальних моментів інерції зневоленого кручення поперечин найбільш ходових профілів з подальшим використанням у методиці інженерних розрахунків проектування рам напівпричепів. Для знаходження реальних значень моментів інерції зневоленого кручення (Ік реальний) поперечних конструктивних елементів рами використовується залежність, що випливає з попередніх визначень:

Ік реальний = · Ік розрахунковий, (3)

де Ік розрахунковий – момент інерції кручення поперечини, розрахований за теорією В.З. Власова кручення тонкостінних стрижнів.

У третьому розділі виконані дослідження особливостей НДС рамних конструкцій, наведені результати натурного експерименту деформування згином та згином з крученням лонжеронних драбинних рам напівпричепів за безстендовою методикою та методами комп’ютерного моделювання їх критичних ділянок.

Експериментальні дослідження НДС згину та згину з крученням проводились нами на натурних зразках основ рам (рис. 2), що сприймають основні навантаження і є основою експериментальної установки, як показано на рис. 3. Вона побудована з використанням ідеї безстендової методики спареного навантаження гідравлічними силонавантажувачами за відповідними схемами двох натурних зразків рам після з’єднання їх спеціальними пристроями в двох або трьох перерізах. Її оригінальність полягає в простоті і незначних витратах на проведення експерименту.

Результати експерименту згину з крученням рам показали, що критичні перерізи при крученні рамного контуру знаходяться в місцях з`єднання поперечин з лонжеронами та визначаються напруженнями зневоленого кручення ущ , які виникають від сил стримання вільної депланації кінцевих перетинів поперечин вертикальними стінками лонжеронів.

Встановлена також переважаюча роль в рамі згинної жорсткості лонжеронів та крутної – поперечин (90 % згинних навантажень сприймаються лонжеронами, що є аналогічним для жорсткості кручення поперечин).

Розбіжність результатів проведених експериментальних і аналітичних досліджень НДС реальних рам складає не більше 5

Проведені на основі експерименту оптимізації конструкції рами та схем завантажень напівпричепів дозволили розробити практичні рекомендації виробнику напівпричепів ВАТ „Трансмаш” (м. Бердичів) для внесення в конструкторську документацію виробу.

Співставлення результатів експериментальних і аналітичних розрахунків з результатами, отриманими на ПЕОМ методом скінчених елементів за програмою “Win Structure 3D”, показало можливість використання даної програми для розрахунку таких конструкцій на згин.

Рис. 2. Конструкція основи рами напівпричепа:

А,Б – поперечини двотаврових профілів висотою 405 і 280 мм відповідно;

В – поперечини швелерного профілю висотою 140 мм;

Д,Е – лонжерони двотаврового профілю постійного (висотою 440 мм) і змінного перетинів відповідно

Рис. 3.Схема експериментальної установки:

1 , 2 – основи рам;

3 – паралельні підкладки;

4 – з’єднувальний стрижень;

5 – гідравлічні силонавантажувачі;

6 – з’єднувальні пристрої

Задача експериментальних досліджень та комп’ютерного моделювання НДС рами через випробування її частин (рис. 4), з накладанням додаткових зв’язків для максимального наближення до реальних умов експлуатації, виконувалась для:

- визначення параметрів жорсткості кручення поперечини заданого профілю в рамі від зневолення вертикальними стінками визначеної товщини;

- визначення впливу товщин вертикальних стінок лонжеронів на кут закручування поперечини двотаврових та швелерних профілів при скручуванні рами;

- визначення НДС рамних конструкцій без застосування складних випробувальних стендів.

Рис. 4. Натурний зразок поперечного зв’язку рами та схема його закріплення

Отримана комп’ютерним моделюванням залежність кута закручування перечини двотаврового профілю висотою 405 мм реальної рами від товщин вертикальних стінок лонжеронів для різних схем С зневолення показана на рис. . |

Рис. 5. Зміна кута закручування поперечини від товщин вертикальних стінок лонжеронів для різних схем зневолення її кінцевих перетинів:

– при жорсткому закріпленні поперечини з двох країв; – при жорсткому закріпленні поперечини з одного краю; – для поперечини з вільними краями

(комп’ютерне моделювання)

Проведеними дослідженнями, на конкретному прикладі комп’ютерної моделі локальної ділянки рами, показана можливість визначення параметрів жорсткості зневоленого кручення поперечини з урахуванням піддатливості вертикальних стінок лонжеронів (теорія В.З. Власова накладає умову абсолютної жорсткості стінок лонжеронів), що ~ в 1,2…1,4 раза збільшує точність розрахунків НДС.

Розрахунками параметрів зневоленого кручення поперечин різних профілів в рамі за алгоритмом В.З. Власова показано, що в умовах стримання депланації кінцевих перетинів поперечин жорсткість кручення відкритих профілів значно зростає і це необхідно враховувати в методиках проектування (в порівнянні з вільним крученням жорсткість двотаврової поперечини висотою 405 мм при зневоленні лонжеронами з товщиною вертикальних стінок = 6 мм збільшилась в 60 раз), що видно з рис. 6. |

Рис. 6. Зміна кута закручування вздовж двотаврової поперечини (М =1 кНм)

При складанні номограм поправлювальних коефіцієнтів параметрів жорсткості зневоленого кручення поперечин для розрахункової методики нами було побудовано 10 комп’ютерних Н-подібних моделей локальних ділянок з найбільш ходових профілів, а також проведені дослідження функцій =, с) та =, с).

На основі отриманих результатів були скоректовані основні параметри теорії В.З. Власова кручення тонкостінних профілів для умов неповного жорсткого закріплення кінцевих перетинів поперечин з використанням гіпотези про незмінність характеру розподілу напружень зневоленого кручення. Цим самим розширена область застосування теорії В.З. Власова кручення тонкостінних профілів на умови неповного жорсткого закріплення кінцевих перетинів поперечин рам.

У четвертому розділі викладена послідовність побудови спрощеної методики інженерних розрахунків стадії проектування рам сідельних напівпричепів. Для спрощення розрахунків використана властивість лонжеронних рам драбинного типу по забезпеченню значної згинальної жорсткості лонжеронів, яка в сотні разів перевищує їх жорсткість на кручення. На цій основі прийнята умова про нехтування деформацією згину при крученні рами, що забезпечило заміну 18 разів статично невизначної системи еквівалентною їй статично визначною з наступними розрахунками НДС. Іншими словами, складні розрахунки за методом сил, що передбачають розв’язування системи канонічних рівнянь 18 -го порядку:

(4)

спрощуються до лінійних наближень для визначення в елементах конструкції внутрішніх зусиль, що виражені залежностями для моментів кручення та перерізуючих сил:

; ; , (5)

де , – моменти кручення та інерції кручення першої поперечини; – момент інерції кручення J-тої поперечини; – момент інерції кручення ділянки лонжерона, що визначається і- тим та і+1 перерізами; , – моменти кручення в і- тому та і 1 перерізах; b – довжина поперечини.

Достовірність методики перевірена складними розрахунками за методом сил та експериментально. Похибка розрахунків НДС для реальної рами за даною методикою складає до 9 %. Зі збільшенням жорсткості лонжеронів похибка зменшується і навпаки. Для абсолютно жорстких лонжеронів похибка дорівнює нулю. Це пов’язано, перш за все, із зміною прогинів лонжеронів. Достовірність результатів розрахунків досягнута правильністю визначення моментів інерції кручення поперечин рами методами комп’ютерного моделювання.

У п’ятому розділі експериментально досліджувались змінні напруження ущ зневоленого кручення, що виникають в полицях поперечин основи рами при її циклічному крученні. Проведені дослідження дії даних напружень на вертикальну стінку лонжерона з визначенням кінетики та послідовності розвитку втомних тріщин. Виконана експериментальна перевірка живучості реальної конструкції вузлового з’єднання рами та визначені піддатливості конструкції з тріщинами. Встановлена функція НДС критичних ділянок від картини тріщиноутворень та побудована методика розрахунку ресурсу конструкцій рам з врахуванням наявних дефектів. Дані задачі вирішені на вперше сконструйованому та виготовленому з використанням Н-подібного натурного зразка частини рами стенді з широким спектром циклічних навантажень для проведення малоциклових випробувань (рис. ).

Циклічне кручення поперечини на стенді створюється ексцентриковим та важільним навантажувальними механізмами .

Кінетика ексцентрикового механізму стенду описується залежностями:

; > . (6)

В результаті проведених малоциклових випробувань живучості вузлового з’єднання рами при крученні поперечини нами вперше отримані кінетичні залежності розвитку втомних тріщин в критичних ділянках для Н-подібних натурних зразків частини рами, що показано на рис. 8.

Рис. 8. Кінетичні залежності розвитку втомних тріщин

в конструкції вузлового з’єднання рами

Важливим результатом експерименту є встановлена закономірність, що наведена на рис. 9 і дає можливість визначити піддатливості конструкції з тріщинами.

Рис. 9. Залежність жорсткості поперечини рами

від числа циклів навантажень (дані експерименту)

Натурним експериментом і комп’ютерним моделюванням було відтворено динаміку деформування вертикальної стінки закріпленого лонжерона від дії напружень зневоленого кручення поперечини в непошкодженій і конструкції з тріщинами, що показано на рис. 10 і є основою для визначення НДС критичних ділянок рами за методом піддатливості.

Рис. 10. Картини деформацій вертикальної стінки лонжерона

при дії циклічних навантажень (дані експерименту:

1,2,3,4 – горизонтальні ряди точок, де вимірювались переміщення)

Експериментально вперше відслідкована послідовність накопичення тріщин на внутрішньому та зовнішньому боках вертикальної стінки лонжерона.

Руйнування зовнішнього боку вертикальної стінки лонжерона наведено на

рис. 11 та 12.

Рис. 11. Тріщини на зовнішньому боці вертикальної стінки лонжерона

Рис. 12. Схема послідовності розвитку тріщин на зовнішньому боці вертикальної стінки лонжерона від числа навантажувальних циклів (дані експерименту)

Картини втомних тріщин на внутрішньому боці вертикальної стінки лонжерона показані на рис. 13 та 14.

Зменшення жорсткості кручення (рис. ) поперечного зв’язку рамного контуру при циклюванні напруженнями зневоленого кручення пов’язано з кінетикою накопичення тріщин і призводить до збільшення абсолютних деформацій вертикальних стінок лонжеронів. Результати проведених досліджень були використані для визначення піддатливості, НДС та ресурсу конструкції з тріщинами.

Для розрахунку та обґрунтування ресурсу конструкцій рам при проектуванні та експлуатації запропоновано методику, що базується на теорії термоактиваційного аналізу та підходах лінійної механіки руйнування. Швидкість росту втомних тріщин V описуємо в залежності від коефіцієнта інтенсивності напружень K , що визначений через КДВР зразка матеріалу конструкції:

(7)

де Y – функція, яка враховує геометрію зразка і тріщини.

Для розрахунку ресурсу використано рівняння С.М. Журкова:

(8)

де фр – час до руйнування, (с); ф0 = 10 -13 с – період теплових коливань атомів; U0 – енергія активації, (кДж/моль) ; г – активаційний об’єм, (кДж/моль МПа); у – максимальні експлуатаційні напруження, (МПа); R = 8,31·10-3 кДж/моль•К – універсальна газова постійна; Т – температура експлуатації конструкції в кельвінах.

Енергія активації визначається залежностями І.Г. Грабара:

(9)

(для стаціонарних навантажень) (для циклічних навантажень при Т? 0,6Тs)

де Ts – температура плавлення матеріалу конструкції в кельвінах.

Активаційний об’єм визначається в наближенні:

(10)

(для стаціонарних навантажень) (для циклічних навантажень)

За результатами експерименту визначено значення n = 1,6 з розрахунком . НДС натурного зразка рами з тріщинами описується коефіцієнтом інтенсивності напружень. Поправлювальну функцію Y в залежності від довжин тріщин визначено з експерименту методом піддатливості.

Виконані дослідження напружень в критичних ділянках рам в залежності від середньостатистичних нерівностей шляхів України з перерахунками на європейські автомагістралі. В результаті чого були побудовані енергетичні спектри навантажень з визначенням коефіцієнтів динамічності, встановлено основні закономірності їх розподілу від швидкості і розраховані наближені цикли експлуатаційних напружень. Проведено розрахунки та обгрунтовано ресурс реальної конструкції рами з врахуванням експлуатаційних спектрів навантаження від нерівностей шляху та НДС. Визначена залежність ресурсу (пробігу в км) рами від швидкості (Va), що враховує кількость середніх за висотою нерівностей (n) на 1000 м шляхового покриття (рис. 15).

Рис. 15. Вплив швидкості АТЗ на ресурс рами за пробігом

Отримано експериментальне підтвердження достовірності методики з точністю до 5 %.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ ТА ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі розв’язано актуальну науково-технічну задачу розроблення методик визначення НДС і розрахунку ресурсу лонжеронних драбинних рам. Теоретичними і експериментальними дослідженнями отримані такі наукові та практичні результати:

1. Розроблено безстендову методику експериментальних досліджень НДС натурних конструкцій драбинних рам напівпричепів, яка полягає у спареному навантаженні двох зразків і дає можливість істотно зменшити вартість і трудоємність випробувань.

2. Виявлено співвідношення між жорсткостями згину та кручення конструктивних елементів драбинної рами: наближено на 90 % згинальні навантаження сприймаються лонжеронами, а крутні – поперечинами. Критичними ділянками конструкції при кососиметричному навантаженні є місця приєднання поперечин до лонжеронів, в яких напруження зневоленого кручення в 1,2 ...1,4 раза перевищують максимальні напруження згину.

3. Запропонована методика розрахунку НДС рам напівпричепів на основі використання теорії В.З. Власова для неповного жорсткого з’єднання поперечин з лонжеронами, яка полягає у визначенні внутрішніх зусиль у елементах конструкцій спрощеними розрахунками та враховує вплив геометрії лонжеронів на жорсткість зневоленого кручення поперечин.

4. Запропонований розрахунок НДС оптимізованої конструкції рами напівпричепа і визначено напруження зневоленого кручення в критичних ділянках, що дало можливість зменшити на 20 % розміри ІІ, ІІІ, ІV поперечин і на 8...10 % – металоємність.

5. Розроблено методику та досліджено кінетику зародження і поширення втомних тріщин в Н-подібних натурних зразках елементів рам напівпричепа в умовах зневоленого кручення.

6. Запропонована методика оцінки ресурсу конструкцій рам з тріщинами, яка ґрунтується на розрахунках НДС, характеристиках циклічної тріщиностійкості матеріалу і термоактиваційному аналізі.

7. Розробки впроваджені на підприємствах: ВАТ “Трансмаш” (м. Бердичів), ВАТ “Вібросепаратор” (м. Житомир), ВАТ “Житомирське АТП-11854” та в навчальних програмах ЖДТУ. Сумарний економічний ефект складає 95 тис. грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гонтаровський В.П., Грабар І.Г., Титаренко В.Є. Ресурсозбереження і проблеми надійності причепних трансортних засобів //Вісник ЖІТІ / Технічні науки.– 2002. – № 3 (22).– С. 3 – 10.

2. Гонтаровський В.П., Грабар І.Г., Титаренко В.Є. Дослідження напружено – деформованого стану рами автопричепа при згині з крученням //Вісник ЖДТУ/ Технічні науки.– 2003. – № 3 (27).– С. 8 – 15.

3. Гонтаровський В.П., Грабар І.Г., Гриценко А.С., Титаренко В.Є., Чайковський С.С. Комп’ютерне моделювання напружено-деформованого стану рами напівпричепа //Вісник ЖДТУ/ Технічні науки.– 2004. – № 2 (29).– С. 12 – 18.

4. Гонтаровський В.П., Грабар І.Г., Титаренко В.Є., Чайковський С.С. Моделювання впливу заневолення елементів конструкцій рам напівпричепів на їх жорсткість //Вісник ЖДТУ/ Технічні науки.– 2004. – № 4 (31).– С. 29 – 36.

5. Титаренко В.Є. Стенд для динамічних випробувань натурних елементів рами напівпричепа //Вісник ЖДТУ/ Технічні науки.– 2005. – № 3 (34).– С. 15 – 18.

6. Титаренко В.Є., Гонтаровський В.П., Грабар І.Г., Чайковський С.С. Комп’ютерна модель дволонжеронної рами. The Fourth International Scientific Conference MECHANICS 2004. – Scientific Bulletins of Rzeszow University of Technology № 209, 2004. – С. 377 – 384.

7. Грабар І.Г., Титаренко В.Є., Опанасюк Є.Г. Ресурсозбереження і проблеми надійності причіпних транспортних засобів //Тези 5 Міжнародної науково-практичної конференції, присвяченої 40-річчю польоту людини в космос. – ЖІТІ, 4 – 6 вересня 2001. – С. 58.

8. Грабар І.Г., Титаренко В.Є. Моделювання динамічного НДС та прискорені циклічні випробування рам напівпричепів //Тези ХХХ наукової конференції, присвяченої 45-ій річниці Житомирського державного технологічного університету,10 – 17 березня 2005. – С. 47 – 48.

9. Грабар І.Г., Титаренко В.Є. До розрахунку ресурсу рамних конструкцій за критерієм тріщиностійкості //Тези ХХХІ науково-практичної міжвузівської конференції ЖДТУ, присвяченої Дню університету, 14 – 16 березня 2006. – С. 19.

10. Грабар І.Г., Титаренко В.Є. Моделювання та експериментальні дослідження кінетики втомних тріщин драбинних рам напівпричепів. Матеріали ХІІІ Міжнародного колоквіуму „Механічна втома металів 2006” – ТДТУ імені Івана Пулюя, 25 – 28 вересня 2006. – С. 416 – 419.

АНОТАЦІЯ

Титаренко В.Є. Напружено-деформований стан і довговічність рам напівпричепів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.02.04 – Механіка деформівного твердого тіла. – Тернопільський державний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2006.

У дисертації запропоновано вирішення науково-технічної проблеми підвищення надійності та зменшення матеріалоємності причіпних транспортних засобів шляхом раціоналізації НДС несучих систем для критичних схем навантажень. Для цього: виконаний аналіз існуючих розрахункових методів рам АТЗ та особливостей їх НДС; експериментально досліджені згин і згин з крученням рам сідельних напівпричепів; проведено натурний експеримент для визначення живучості вузлового з’єднання та комп’ютерне моделювання небезпечних локальних ділянок рами з розробкою методики визначення впливу параметрів лонжеронів на жорсткість кручення поперечин; розроблено методологічний комплекс технічних заходів, а також методики інженерних розрахунків проектування рам напівпричепів та визначення їх ресурсу.

Запропоновано та апробовано безстендову методику експериментальних досліджень НДС великорозмірних рам на основі спареного навантаження двох натурних зразків.

В роботі отримали розвиток методи досліджень НДС на основі натурного експерименту та комп’ютерного моделювання локальних ділянок рам для статичних і циклічних навантажень.

Здійснена перевірка достовірності методик інженерних розрахунків НДС та ресурсу рам за результатами стендових випробувань і аналітичними методами.

Ключові слова: напівпричіп, рама, напружено-деформований стан, локальна ділянка, комп’ютерна модель, безстендовий метод.

АННОТАЦИЯ

Титаренко В.Е. Напряженно-деформированное состояние и долговечность рам полуприцепов. – Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 01.02.04 – Механика деформированного твёрдого тела. – Тернопольский государственный технический университет имени Ивана Пулюя, Тернополь, 2006.

В диссертации предложено решение научно-технической проблемы увеличения надёжности и уменьшения материалоёмкости прицепных транспортных средств путём рационализации НДС несущих систем для критических схем нагружений. Для этого: выполнен анализ существующих расчётных методов рам АТС и особенностей их НДС; экспериментально исследовано изгиб и изгиб с кручением рам седельных полуприцепов; проведено натурный эксперимент для определения живучести узлового соединения и компьютерное моделирование опасных локальных участков рамы с разработкой методики определения влияния параметров лонжеронов на жесткость кручения поперечных элементов конструкции; разработан методологический комплекс технических мероприятий, а также методик инженерных расчётов проектирования рам полуприцепов и определение их ресурса.

Использование разработанных методик расчетов рам позволит на стадии проектирования проводить оптимизацию конструктивных вариантов с незначительными расходами.

Предложена, апробирована и внедрена безстендовая методика экспериментальных исследований НДС рам больших размеров на основании спаренного нагружения двух натурных образцов.

На основании натурного эксперимента исследовано НДС изгиба и изгиба с кручением рамы, проведено ее оптимизацию с разработкой методики оптимизации нагрузочного режима работы конструкции, что позволило уменьшить на 30 – 35 % моменты изгиба в критических сечениях лонжеронов.

Для решения проблемы использован комплексный системный подход на основании разработанных технических мероприятий для управления ресурсной функцией рам на стадиях проектирования, изготовления и эксплуатации.

В работе нашли развитие методы исследования НДС на основании натурного эксперимента и компьютерного моделирования локальных участков рам для статических и циклических нагружений.

Разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию стендовая установка для малоцикловых испытаний на усталость натурных элементов рамы.

Проведен натурный эксперимент для исследования критических участков рамы на малоцикловую усталостную прочность при циклическом кручении поперечины с результатами: получены кинетические зависимости развития усталостных трещин на элементах конструкции в критических участках; определены закономерности изменения жесткости кручения поперечины рамы, а соответственно и НДС, с накоплением трещин; определена функция НДС вертикальной стенки лонжерона по изменению деформационных перемещений ее точек от депланации конечного сечения поперечины.

Результаты малоцикловых испытаний узла рамы использованы для разработки методики рассчета ресурса конструкций рам.

Произведена проверка достоверности разработаных методик инженерных расчетов НДС и ресурса рам по результатам стендовых испытаний, а также аналитическими методами.

Ключевые слова: полуприцеп, рама, напряженно-деформированное состояние, локальный участок, компьютерная модель, безстендовый метод.

ANOTATION

Titarenko V.E. The strained-deformed condition and durability of semitrailers' frames. – Manuscript.

Dissertation for a Candidate Degree in Technical Science in speciality 01.02.04 – Mechanics of deformed solid body – Ternopol Technical Univercity of Ivan Pyluyi”, Ternopol, 2006.

Solving of scientific and technological problems of increasing of trailer vehicles effectiveness and riliability by rationalization of strained-deformed condition (SDC) of supporting systems for critical schemes of load. Analisis of existing calculating methods of automobile vehicles’ frames and peculiarities of their SDC is

accomplished. Bended approaching and torsion bend of semitrailer’s frames are experimental investigate. The natural experiment and computer modelling of dangerous local zones of frome with the development of method of

determining longeron parameters influence on cross-beam rigidity is carried out. Methodological complex of technical means and methods of engineering calculations of semi-trailers’ frames design is developed. A new principle of studying SDC of large-sized frames by non-development test on the basis of dual load of two samples is offered and attended.

SDC investigation methods based on natural experiment and computer modelling of local frame zones for static and cycled tests are developed in this thesis assessment compliance methods of cycle loading.

Approbation of adequacy of the engineering calculation techniques of SDC and resources of frames according to the results of experimental tests and by analytic methods. Key words: semi-trailer, strained-deformed condition, local zone, computer model, non-development test, non test bed method.