namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»nami-119Research ArticleАВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЕAUTOMOBILE DEVELOPMENTСовершенствование конструкций кабин грузовых автомобилей на стадии проектирования для обеспечения требований пассивной безопасности при ударе и минимизации массыTruck cabs improvement at the design stage with the purpose to ensure passive safety requirements in case of impact and minimum weightГончаровР. Б.GoncharovR. B.

аспирант

г. Москва 105005

postgraduate

Moscow 105005

goncharov.roman@bmstu.ruЗузовВ. Н.ZuzovV. N.

д-р техн. наук, профессор

г. Москва 105005

D.Sc. (Eng), professor

Moscow 105005

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»РоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation201913072020042837Copyright © Гончаров Р.Б., Зузов В.Н., 20202020Гончаров Р.Б., Зузов В.Н.Goncharov R.B., Zuzov V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nami.elpub.ru/jour/article/view/119Введение

Введение. Проблемы и вопросы, связанные с обеспечением требований пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей, до сих пор остаются не до конца решёнными. Современные методики не дают представление о рациональных подходах к совершенствованию конструкций кабин грузовых автомобилей и минимизации массы, поэтому тема работы является актуальной.

Цель исследования заключается в улучшении параметров конструкций кабин грузовых автомобилей и их элементов на стадии проектирования на базе топологической и параметрической оптимизаций для обеспечения требований международных и национальных правил пассивной безопасности и минимизации массы.

Методология и методы

Методология и методы. Расчёты на прочность проводились с применением метода конечных элементов. Для оптимизационных расчётов использовались программные комплексы LS-TaSC и LS-OPT с решателем LS-DYNA, которые лучше подходят для решения быстропротекающих, нелинейных, ударных задач. В работе сравнивались два типа моделей: модель базового уровня и высокоточная модель.

Результаты и научная новизна. Анализ результатов оптимизации показал, что наилучшим является комбинированное использование накладок и наполнителя для совершенствования кабины КАМАЗ. Дана сравнительная оценка поведения элементов конструкции исходного и предлагаемого вариантов кабины на базе высокоточных моделей. Сравнительный анализ результатов расчёта высокоточных моделей и моделей среднего уровня показал, что влияние дверей и стёкол на жёсткость кабины не превышает 5%.

Практическая значимость работы заключается в результатах теоретических исследований и рекомендациях, которые позволили дать предложения по изменению конструкции кабины грузового автомобиля КАМАЗ для повышения пассивной безопасности.

Introduction

Introduction. Problems and issues related to ensuring passive safety requirements for truck cabs are still to be solved. The problem is actual as no ideas of rational approaches to improving truck cabs design and minimizing their weight have been given by modern technologies so far.

The purpose of the study was to improve the truck cabs and their elements parameters at their design stage basing on their topological and parametric optimizations to meet the requirements of international and national rules of passive safety and minimum weight.

Methodology and research methods. Strength calculations were carried out by means of the finite element method. For optimization calculations, LS-TaSC and LS-OPT software packages were used with the LS-DYNA solver, which was best suited for solving fast-flowing, non-linear, percussion problems. Two types of models were compared: basic and high-precision ones.

Scientific novelty and results. The optimization results analyzed have shown that the combined use of linings and filler was the best to improve the KAMAZ cab. A comparative assessment of the structural elements behavior of the cabin initial and proposed variants basing on high-precision models was made. The calculation results of high-precision models and mid-level models were compared and analyzed which showed that the effect of doors and glass on the stiffness of the cabin did not exceed 5%.

Practical significance

Practical significance. The study is theoretically significant as makes it possible to work out recommendations on changing the design of a KAMAZ truck cab to increase its passive safety.

метод конечных элементовпассивная безопасностькабина грузового автомобиляоптимизацияfinite element methodpassive safetytruck caboptimizationReferencesГончаров Р.Б., Зузов В.Н. Топологическая оптимизация конструкции бампера автомобиля при ударном воздействии с позиций пассивной безопасности // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. – 2018. – № 2 (36). – С. 2–9.Goncharov R.B., Zuzov V.N. [Topological optimization of the automobile bumper design under impact from the passive safety standpoint]. Izvestiya Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta MAMI, 2018, no. 2 (36), pp. 2–9. (In Russian)Шабан Б.А., Зузов В.Н. Анализ влияния конструктивных факторов кабины на пассивную безопасность грузовых автомобилей при ударе по передним стойкам // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. – 2013. – № 11. URL: http://engineering-science.ru/doc/636798.html (дата обращения: 13.05.2019).Shaban B.A., Zuzov V.N. [Analysis of the influence of cab design factors on the passive safety of trucks when hitting front struts]. Nauka i obrazovanie: nauchnoe izdanie BMSTU, 2013, no. 11. Available at: http://engineering-science.ru/doc/636798.html (accessed 13 May 2019). (In Russian)Гончаров Р.Б., Зузов В.Н. Определение критериев выбора параметров материала-наполнителя в несущих тонкостенных конструкциях каркасного типа применительно к задачам пассивной безопасности автомобилей // Инженерный журнал: наука и инновации. – 2019. – № 8 (88). – C. 1–11.Goncharov R.B., Zuzov V.N. [Determination of criteria for selecting the parameters of the filler material in the supporting thin-walled structures of the frame type as applied to the tasks of passive safety]. Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii, 2019, no. 8 (88), pp. 1–11. (In Russian)Шмелёв А.В., Лисовский Э.В., Короткий В.С. Основы методики виртуального моделирования испытаний кабин грузовых автомобилей по требованиям пассивной безопасности // Механика машин, механизмов и материалов. – 2015. – № 3 (32). – С. 64–72.Shmelev A.V., Lisovskiy E.V., Korotkiy V.S. [Basics of the computer simulation procedure for commercial vehicle cab passive safety testing]. Mekhanika mashin, mekhanizmov i materialov, 2015, no. 3 (32), pp. 64–72. (In Russian)VVFS 2003:29 Vägverkets föreskrifter om nationella typgodkännande av system komponent och separat teknisk enhet // Vägverkets författningssamling. Swedish, 2003. – 25 p.VVFS 2003:29 Vägverkets föreskrifter om nationella typgodkännande av system komponent och separat teknisk enhet. Vägverkets författningssamling. Swedish. 2003. 25 p.Гончаров Р.Б., Зузов В.Н. Проблемы поиска оптимальных решений для обеспечения пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей при минимальной массе // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. 2018. – № 4 (38). – C. 92–102.Goncharov R.B., Zuzov V.N. [Problems of finding the best solutions to ensure the passive safety of the cabins of trucks at a minimum weight]. Izvestiya Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta MAMI, 2018, no. 4 (38), pp. 92–102. (In Russian)Шабан Б.А., Зузов В.Н. Особенности моделирования каркасных элементов кузовов и кабин автомобилей при исследовании пассивной безопасности // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. – 2012. – № 11. URL: http://engineering-science.ru/doc/486675.html (дата обращения: 13.05.2019).Shaban B.A., Zuzov V.N. [Features of modeling frame elements of vehicle bodies and cabs in the study of passive safety]. Nauka i obrazovanie: nauchnoe izdanie BMSTU, 2012, no. 11. Available at: http://engineeringscience.ru/doc/486675.html (accessed 13 May 2019). (In Russian)Шабан Б.А., Зузов В.Н. Особенности построения конечно-элементных моделей кабин для исследования пассивной безопасности при ударе в соответствии с правилами ЕЭК ООН № 29 // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. – 2013. – № 3. URL: http://engineering-science.ru/doc/542301.html (дата обращения: 13.05.2019).Shaban B.A., Zuzov V.N. [Features of the construction of finite-element cabin models for the study of passive safety during impact in accordance with UNECE Regulation No. 29]. Nauka i obrazovanie: nauchnoe izdanie BMSTU, 2013, no. 3. Available at: http://engineering-science.ru/doc/542301.html (accessed 13 May 2019). (In Russian)Черников С.К., Ахмадышин А.Н. Численные исследования процессов деформирования конструкций грузовых автомобилей в течение дорожно-транспортных происшествий / Казанский физико-технический институт имени Е.К. Завойского. – 2010. – Ежегодник. Казань: Физтех Пресс. – 2011. – С. 168–172.Chernikov S.K., Akhmadyshin A.N. [Numerical studies of the processes of deformation of truck structures during road traffic accidents]. [Kazan Institute of Physics and Technology named after E.K. Zavoysky. Yearbook]. Kazan, Fiztekh Press Publ., 2011, pp. 168–172. (In Russian)Tovar A. et al. Crashworthiness design using topology optimization // Journal of mechanical design. 2009. – № 131. – P. 1–12.Tovar A. et al. Crashworthiness design using topology optimization. Journal of mechanical design, 2009, no. 131, pp. 1–12.Raeisi S., Tovar A., Tapkir P., Mozumder C. Multimaterial topology optimization for crashworthiness using hybrid cellular automata // SAE Technical Paper 2019-010826. – 2019.Raeisi S., Tovar A., Tapkir P., Mozumder C. Multimaterial topology optimization for crashworthiness using hybrid cellular automata. SAE Technical Paper 2019-010826. 2019.Raeisi S., Tovar A., Tapkir P., Mozumder C. Design for crashworthiness of vehicle structures using an extended hybrid cellular automaton method // SAE Technical Paper 2019-01-0842. – 2019.Raeisi S., Tovar A., Tapkir P., Mozumder C. Design for crashworthiness of vehicle structures using an extended hybrid cellular automaton method. SAE Technical Paper 2019-01-0842. 2019.Гончаров Р.Б. Исследование эффективности алгоритмов параметрической оптимизации применительно к процессам ударного воздействия на примере бампера и кабины автомобиля // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2019. – № 4. С. 28–40.Goncharov R.B. [A study of the effectiveness of parametric optimization algorithms: collision impact processes in bumper beams and truck cabins]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroenie, 2019, no. 4, pp. 28–40. (In Russian)Гончаров Р.Б., Зузов В.Н. Проблемы поиска оптимальных конструктивных параметров бампера автомобиля при ударном воздействии с позиций пассивной безопасности // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2018. – № 3 (122). – С. 130–136.Goncharov R.B., Zuzov V.N. [The problems of finding the optimal design parameters of the vehicle bumper under impact from the standpoint of passive safety]. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva, 2018, no. 3 (122), pp. 130–136. (In Russian)Гончаров Р.Б., Зузов В.Н., Чайко Д.Н. Моделирование поведения тонкостенных труб с разными наполнителями при предельном нагружении применительно к решению проблем пассивной безопасности автомобилей // Инженерный журнал: наука и инновации. – 2019. – № 3 (87). – C. 1–14.Goncharov R.B., Zuzov V.N., Chayko D.N. [Modeling the behavior of thin-walled tubes with different fillers at the maximum load in solving the problems of crashworthiness]. Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii, 2019, no. 3 (87), p. 3. (In Russian)Бутарович Д.О., Смирнов А.А., Рябов Д.М. Пеноалюминий как энергопоглощающий материал и его механические свойства // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. – 2011. – № 7. – С. 53–57.Butarovich D.O., Smirnov A.A., Ryabov D.M. [Aluminum foam as energy absorbing material and its mechanical properties]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Mashinostroenie, 2011, no. 7, pp. 53–58. (In Russian)Бутарович Д.О., Смирнов А.А. Моделирование механических свойств пеноалюминия // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. 2009. – № 3. – С. 120–123.Butarovich D.O., Smirnov A.A. [Simulation of mechanical properties of aluminum foam]. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Seriya: Mashinostroenie, 2009, no. 3, pp. 120–123. (In Russian)Yong Peng, Jikuang Yang, Caroline Deck, Remy Williger. Finite element modeling of crash behavior for windshield laminated glass // International Journal of Impact Engineering. – 2013. – № 57. – P. 27–35.Yong Peng, Jikuang Yang, Caroline Deck, Remy Williger Finite element modeling of crash behavior for windshield laminated glass. International Journal of Impact Engineering, 2013, no. 57, pp. 27–35.Зузов В.Н., Шабан Б. Совершенствование кабин грузовых автомобилей на стадии проектирования для удовлетворения требованиям пассивной безопасности // Инженерный журнал: наука и инновации. – 2013. № 12. URL: http://engjournal.ru/articles/1130/1130.pdf (дата обращения: 13.05.2019).Zuzov V.N., Shaban B. [Improving of construction cabs truck at the designing stage to satisfy passive safety requirements at frontal impact]. Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii, 2013, no. 12. Available at: http://engjournal.ru/articles/1130/1130.pdf (accessed 13 May 2019). (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.