namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»10.51187/0135-3152-2023-2-42-59nami-273Research ArticleАВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЕAUTOMOBILE DEVELOPMENTПроектирование направляющего аппарата подвески из алюминиевых сплавов для многоцелевого беспилотного транспортно-технологического средства с использованием метода топологической оптимизацииDesigning guiding device of suspension made of aluminum alloys for multi-purpose driverless vehicle using topological optimization methodЛевенковЯ. Ю.LevenkovYa. Yu.

Левенков Ярослав Юрьевич – канд. техн. наук, доцент, кафедра СМ-10 «Колёсные машины»

г. Москва 105005

PhD (Eng), associate professor, Department of Wheeled Vehicles

Moscow 105005

lique87@mail.ruЧичекинИ. В.ChichekinI. V.

Чичекин Илья Викторович – канд. техн. наук, доцент, кафедра СМ-10 «Колёсные машины»

г. Москва 105005

PhD (Eng), associate professor, Department of Wheeled Vehicles

Moscow 105005

hiv2@mail.ruВдовинД. С.VdovinD. S.

Вдовин Денис Сергеевич – канд. техн. наук, доцент, кафедра СМ-10 «Колёсные машины»

г. Москва 105005

PhD (Eng), associate professor, Department of Wheeled Vehicles

Moscow 105005

vdovinsky@gmail.comНырковФ. А.NyrkovF. A.

Нырков Филипп Алексеевич – кафедра СМ-10 «Колёсные машины»

г. Москва 105005

Department of Wheeled Vehicles

Moscow 105005

nfa18m127@student.bmstu.ruДушкинМ. А.DushkinM. A.

Душкин Максим Александрович – кафедра СМ-10 «Колёсные машины»

г. Москва 105005

Department of Wheeled Vehicles

Moscow 105005

dushkinma@bmstu.ruПоповаК. В.PopovaK. V.

Попова Ксения Владимировна – кафедра СМ-10 «Колёсные машины»

г. Москва 105005

Department of Wheeled Vehicles

Moscow 105005

popovakv@bmstu.ruФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»РоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation202312072023024259Copyright © Левенков Я.Ю., Чичекин И.В., Вдовин Д.С., Нырков Ф.А., Душкин М.А., Попова К.В., 20232023Левенков Я.Ю., Чичекин И.В., Вдовин Д.С., Нырков Ф.А., Душкин М.А., Попова К.В.Levenkov Y.Y., Chichekin I.V., Vdovin D.S., Nyrkov F.A., Dushkin M.A., Popova K.V.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/273

Введение (постановка задачи и актуальность). В настоящее время широко распространено применение мобильных беспилотных транспортно-технологических средств для автоматизации рабочих процессов и удалённого управления транспортным средством (ТС), исключая непосредственное присутствие человека в опасных зонах. В основном, такие ТС имеют электрическую силовую установку, а в качестве устройств хранения энергии выступают аккумуляторные батареи. Для снижения количества операций при движении таких ТС удобно использовать симметричную конструкцию ходовой части относительно его продольной и поперечной плоскостей. Снижение энергопотребления позволит повысить энергоэффективность при выполнении транспортных и иных технологических операций. Одним из направлений повышения энергоэффективности является снижение массы элементов таких ТС. Это можно достичь за счёт применения материалов с высокой удельной прочностью, таких как алюминиевые сплавы, и разработкой оптимальных силовых схем для конструкций таких элементов. Объект исследования – беспилотное транспортно-технологическое средство с колёсной формулой 4х4 полной массой 830 кг. Предметом исследования являются методы оптимального проектирования силовых конструкций ТС и их использование в зависимости от условий эксплуатации.

Цель исследования – разработать методику проектирования элементов подвески ТС, имеющего симметричную конструкцию ходовой части из алюминиевого сплава с учётом режимов нагружения.

Методология и методы

Методология и методы. В статье представлена динамическая математическая модель колёсной машины для определения нагрузок, созданная в программе моделирования динамики твёрдых тел, методика приведения нагрузок к одному узлу подвески (левому переднему колесу), силовые схемы элементов подвески, полученные с использованием топологической оптимизации, и проверочные прочностные расчёты, выполненные с применением метода конечных элементов, подтверждающие работоспособность конструкции.

Результаты и научная новизна. В работе представлен способ приведения нагрузок, полученных для всех элементов подвески, к одной – левой передней, так как беспилотное транспортно-технологическое средство имеет симметричную конструкцию ходовой части. С учётом этого разработаны твердотельная динамическая модель и алгоритм обработки полученных нагрузок для конечно-элементной модели. Также выбраны типовые режимы нагружения транспортно-технологического средства. Проведено распределение нагрузок на следующие типы: эксплуатационные, экстремальные и аварийные. Даны рекомендации для выбора ограничений при проведении топологической оптимизации в зависимости от типа режима. В результате получены силовые схемы элементов направляющего аппарата подвески. Проведены проверочные расчёты, подтверждающие работоспособность конструкции.

Практическая значимость

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при создании высоконагруженных элементов колёсных машин.

Introduction (problem statement and relevance). Currently, mobile driverless transport and technological means are widely used for automation of work processes and remote control over a vehicle, excluding immediate human attendance in dangerous areas. Generally, such vehicles feature an electric powerplant while using batteries as energy storage devices. In order to reduce the number of operations during such vehicle driving, it is convenient to use a running gear design that is symmetric relative to its longitudinal and transverse planes. Reducing energy consumption will allow increasing in energy efficiency when performing transport and other technological operations. One of the ways to improve energy efficiency is to reduce the weight of elements of such vehicles. This can be achieved by using materials with high specific strength, such as aluminum alloys, and by developing optimum loading patterns for such element structures. The object of the study is a driverless 4x4 vehicle with the fully loaded weight of 830 kg. The research subject is the methods of optimum designing of vehicle load-bearing structures and their use taking into account the operating conditions. The purpose of the study is to develop the methodology for designing suspension elements for a vehicle with a symmetric design of the running gear made of aluminum alloy taking into account the loading modes.

Methodology and research methods. The paper presents a dynamic mathematical model of the wheeled vehicle for determination of loads created in a program for rigid bodies dynamics modeling, the methodology for bringing the loads to one suspension unit (front left wheel), loading patterns for suspension elements obtained with the use of topological optimization and strength calculations performed with application of the finite element method confirming the design functionality.

Scientific novelty and results. The paper presents the method for bringing the loads obtained for all suspension elements to the front left point, since the driverless vehicle has a symmetrical running gear design. Taking this into account, a rigid-body dynamic model and an algorithm for processing the obtained loads for a finite element model were developed. Also, typical modes of vehicle loading were selected. The loads were distributed among the following types: operational, extreme and emergency ones. Recommendations were given for the choice of restrictions when conducting topological optimization depending on the mode type. As a result, loading patterns for suspension guiding device elements were obtained. Check calculations were carried out to confirm the design functionality.

Practical significance. The obtained results can be used in development of highly loaded elements of wheeled vehicles.

расчёт на прочностьтопологическая оптимизациямногоцелевое роботизированное транспортное средствонагрузочные режимыметод конечных элементовнагрузкинесущая системадинамика твёрдых телвиртуальный прототипалюминиевый сплавлитьёstrength calculationtopological optimizationmulti-purpose robotic vehicleloading modesfinite element methodloadsload-carrying systemrigid body dynamicsvirtual prototypealuminum alloycastingНИР выполнена в рамках соглашения с Министерством науки и высшего образования Российской Федерации о предоставлении из федерального бюджета грантов в форме субсидий в соответствии с пунктом 4 статьи 78.1 Бюджетного кодекса Российской Федерации № 075-15-2021-1191 Приказ № 02.01-03/659 от 01.06.2022 «О выполнении НИР в рамках реализации программы «Приоритет-2030»». НИР выполняется в рамках стратегического проекта «Bauman DeepTech».ReferencesАсанкожоев Е.Ж., Коркишко А.Н. Грузовые беспилотные транспортные средства // Инженерный вестник Дона. – 2022. – № 11 (95). – С. 755–761.Asankozhoev E.Zh., Korkishko A.N. [Cargo unmanned vehicles]. Inzhenernyy vestnik Dona, 2022, no. 11 (95), pp. 755–761. (In Russian)Li H., Chen J., Wang F., Bai M. Ground-vehicle and unmanned-aerial-vehicle routing problems from twoechelon scheme perspective: A review // European Journal of Operational Research. – 2021. – DOI: 10.1016/j.ejor.2021.02.022.Li H., Chen J., Wang F., Bai M. Ground-vehicle and unmanned-aerial-vehicle routing problems from two-echelon scheme perspective: A review. European Journal of Operational Research, 2021. DOI: 10.1016/j.ejor.2021.02.022.Макарова Ю.А., Дубинина М.Г. Анализ технико-экономических показателей беспилотных транспортных средств // Концепции. – 2018. – № 1 (37). – С. 28–44.Makarova Yu.A., Dubinina M.G. [Analysis of technical and economic indicators of unmanned vehicles]. Kontseptsii, 2018, no. 1 (37), pp. 28–44. (In Russian)Martínez-Díaz M., Soriguera F. Autonomous vehicles: theoretical and practical challenges / XIII Conference on Transport Engineering, CIT2018. – 2018. – V. 33. – P. 275–282.Martínez-Díaz M., Soriguera F. Autonomous vehicles: theoretical and practical challenges. XIII Conference on Transport Engineering, CIT2018, 2018, vol. 33, pp. 275–282.Singh S., Singh Saini B. Autonomous cars: Recent developments, challenges, and possible solutions / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – V. 1022, 012028.Singh S., Singh Saini B. Autonomous cars: Recent developments, challenges, and possible solutions. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 1022, 012028.Огородов Д.В., Трапезников А.В., Попов Д.А., Пентюхин С.И. Развитие литейных алюминиевых сплавов в ВИАМ (к 120-летию со дня рождения И.Ф. Колобнева) // Труды ВИАМ. – 2017. – № 2 (50). – С. 107–114.Ogorodov D.V., Trapeznikov A.V., Popov D.A., Pentyukhin S.I. [Development of cast aluminum alloys at VIAM (to the 120th anniversary of the birth of I.F. Kolobnev)]. Trudy VIAM, 2017, no. 2 (50), pp. 107–114. (In Russian)Абрамов А.А. Высокопрочные литейные алюминиевые сплавы. Достижения и перспективы. Часть II. Технологические процессы // Литейное производство. – 2021. – № 3. – С. 2–8.Abramov A.A. [High-strength cast aluminum alloys. Achievements and prospects. Part II. Technological processes]. Liteynoe proizvodstvo, 2021, no. 3, pp. 2–8. (In Russian)Саранин Л.Г. Исследование получения изделий из наноструктурированных алюминиевых сплавов с улучшенными механическими свойствами // Новые материалы и технологии в машиностроении. – 2022. – № 35. – С. 49–53.Saranin L.G. [Study of obtaining products from nanostructured aluminum alloys with improved mechanical properties]. Novye materialy i tekhnologii v mashinostroenii, 2022, no. 35, pp. 49–53. (In Russian)Kulikov A.A., Nebyshinets Yu.V., Sidorova A.V., Balanovskii A.E. 3D printing technology for metal products: from an automatic design system to a real part // Proceedings of Irkutsk State Technical University. – 2020. – V. 24. – No. 4 (153). – P. 728–739. DOI 10.21285/1814-3520-2020-4-728-739.Kulikov A.A., Nebyshinets Yu.V., Sidorova A.V., Balanovskii A.E. 3D printing technology for metal products: from an automatic design system to a real part. Proceedings of Irkutsk State Technical University, 2020, vol. 24, no. 4 (153), pp. 728–739. DOI 10.21285/1814-3520-2020-4-728-739.Shreyber A.K. Research into Technologies of 3D Printing of Concrete Structures in Construction // Components of Scientific and Technological Progress. – 2021. – No. 1 (55). – P. 20–25.Shreyber A.K. Research into Technologies of 3D Printing of Concrete Structures in Construction. Components of Scientific and Technological Progress, 2021, no. 1 (55), pp. 20–25.Неткачев А.Г., Галинов П.И., Кирадиев В.К. Аддитивные технологии в литейном производстве // Литейщик России. – 2021. – № 3. – С. 18–23.Netkachev A.G., Galinov P.I., Kiradiev V.K. [Additive technologies in foundry production]. Liteyshchik Rossii, 2021, no. 3, pp. 18–23. (In Russian)Грачёв А.Н., Харчев Р.М. Опыт получения тонкостенных отливок гравитационной заливкой алюминиевых сплавов в формы, полученные по технологии 3D-печати // Литейщик России. – 2020. – № 9. – С. 26–28.Grachev A.N., Kharchev R.M. [Experience in obtaining thin-walled castings by gravity casting of aluminum alloys into molds obtained using 3D printing technology]. Liteyshchik Rossii, 2020, no. 9, pp. 26–28. (In Russian)Dempsey M., Fish G., Delgado Beltran J.G. High fidelity multibody vehicle dynamics models for driver-in-the-loop simulators / Proceedings of the 11th International Modelica Conference September 21–23, 2015. – Versailles, France, 2015. – P. 273–280.Dempsey M., Fish G., Delgado Beltran J.G. High fidelity multibody vehicle dynamics models for driver-in-the-loop simulators. Proceedings of the 11th International Modelica Conference September 21–23, 2015. Versailles, France, 2015, pp. 273–280.Farid M.L. Fundamentals of multibody dynamics: theory and applications. – Birkhauser, 2006. – 684 p.Farid M.L. Fundamentals of multibody dynamics: theory and applications. Birkhauser, 2006. 684 p.Ryan R.R. ADAMS // In Supplement to Vehicle System Dynamics. – 1993. – V. 22. – P. 144–152.Ryan R.R. ADAMS. In Supplement to Vehicle System Dynamics, 1993, vol. 22, pp. 144–152.Bremer H. Elastic Multibody Dynamics. – Springer Science+Business Media B.V., 2008. – 452 p.Bremer H. Elastic Multibody Dynamics. Springer Science+Business Media B.V., 2008. 452 p.Jalalpour M. Topology optimization of steel frame structures with constraints on overall and individual member instabilities // Finite Elements in Analysis and Design. – 2018. – V. 141. – P. 119–134.Jalalpour M. Topology optimization of steel frame structures with constraints on overall and individual member instabilities. Finite Elements in Analysis and Design, 2018, vol. 141, pp. 119–134.Deng X., Chen H., Xu Q. et al. Topology optimization design of three-dimensional multi-material and multi-body structure based on irregular cellular hybrid cellular automata method // Scientific Reports. – 2002. – V. 12. – 5602.Deng X., Chen H., Xu Q. et al. Topology optimization design of three-dimensional multi-material and multi-body structure based on irregular cellular hybrid cellular automata method. Scientific Reports, 2002, vol. 12, 5602.Teng X., Wang C., Jiang X., Chen X. Structural topology optimization with local finite-life fatigue constraints // Mathematics. – 2023. – V. 11. – 1220.Teng X., Wang C., Jiang X., Chen X. Structural topology optimization with local finite-life fatigue constraints. Mathematics, 2023, vol. 11, 1220.Bai Y.D. et al. Optimal structural design of micromotion stage with stiffness constraints using topology and sizing optimization method // Key Engineering Materials. – 2016. – V. 679. – P. 55–58. DOI: 10.4028/www.scientific.net/kem.679.55.Bai Y.D. et al. Optimal structural design of micromotion stage with stiffness constraints using topology and sizing optimization method. Key Engineering Materials, 2016, vol. 679, pp. 55–58. DOI: 10.4028/www.scientific.net/kem.679.55.Hailu G. A comparative study on stress and compliance based structural topology optimization / IOP Conf. Ser.: Materials Engineering (ACMME 2017). – 2017. – V. 241, 012003.Hailu G. A comparative study on stress and compliance based structural topology optimization. IOP Conf. Ser.: Materials Engineering (ACMME 2017), 2017, vol. 241, 012003.Song M.M. et al. Topology optimization and analysis of impact test platform mechanism // Applied Mechanics and Materials. – 2019. – V. 893. – P. 78–83. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amm.893.78.Song M.M. et al. Topology optimization and analysis of impact test platform mechanism. Applied Mechanics and Materials, 2019, vol. 893, pp. 78–83. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amm.893.78.Vdovin D.S., Levenkov Y.Y., Chichekin I.V. Light frame design for quad bike using topology optimization / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2019. – V. 589, issue 1, 012026.Vdovin D.S., Levenkov Y.Y., Chichekin I.V. Light frame design for quad bike using topology optimization. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, vol. 589, issue 1, 012026.РМ 800 DUO EPS мотовездеход / снегоболотоход. URL: https://go-rm.ru/rm800duo_overview.html (дата обращения: 24.03.2023).[РМ 800 DUO EPS all-terrain vehicle / snow and swamp vehicle]. Available at: https://go-rm.ru/rm800duo_overview.html (accessed 24 March 2023). (In Russian)Pacejka H.B. Tyre and vehicle dynamics / Second edition. – Butterworth-Heinemann, Oxford, 2006. – 642 p.Pacejka H.B. Tyre and vehicle dynamics. Second edition. Butterworth-Heinemann, Oxford, 2006. 642 p.TNO Automotive: “MF-Tool 6.1 User Manual”, TNO Automotive. – The Netherlands, 2008.TNO Automotive: “MF-Tool 6.1 User Manual”, TNO Automotive. The Netherlands, 2008.Левенков Я.Ю., Устинова А.М., Чичекин И.В., Вдовин Д.С. Влияние нагрузочных режимов на силовые схемы несущих элементов карьерных самосвалов, полученные с использованием метода топологической оптимизации // Труды НАМИ. – 2022. – № 2 (289). – С. 73–88. DOI: 10.51187/0135-3152-2022-2-73-88.Levenkov Ya.Yu., Ustinova A.M., Chichekin I.V., Vdovin D.S. [The influence of load modes obtained by the topological optimization method on power circuits of mining dump truck load-bearing units]. Trudy NAMI, 2022, no. 2 (289), pp. 73–88. DOI: 10.51187/0135-3152-2022-2-73-88. (In Russian)Glinka G. Relations between the strain energy density distribution and elastic-plastic stress-strain fields near cracks and notches and fatigue life calculation // ASTM, STP 942. – 1988. – P. 1022–1047.Glinka G. Relations between the strain energy density distribution and elastic-plastic stress-strain fields near cracks and notches and fatigue life calculation. ASTM, STP 942, 1988, pp. 1022–1047.

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