namiТруды НАМИTrudy NAMI0135-3152ФГУП «НАМИ»IQLYYAnami-398Research ArticleАВТОМОБИЛЕСТРОЕНИЕAUTOMOBILE DEVELOPMENTАнализ эффективности применения методики моделирования нагруженности транспортных средств в квазистатической постановкеAnalysis of efficiency of application of vehicle loading simulation procedure with quasistatic approachДиановВ. А.DianovV. A.

Дианов Вадим Андреевич – аспирант; конструктор отдела «Численное моделирование и виртуальные испытания»  НОЦ «КАМАЗ – БАУМАН»

г. Набережные Челны 423812

г. Москва 105005

 Dianov V.A. – postgraduate; designer engineer of the department “Numerical modeling and virtual testing” R&D “KAMAZ-BAUMAN”

Naberezhnye Chelny 423812

Moscow 105005

vadianov@bmstu.ruБокаревА. И.BokarevA. I.

 Бокарев Александр Игоревич – канд. техн. наук, старший научный сотрудник

г. Москва 105005

 Bokarev A.I. – PhD (Eng), senior researcher

Moscow 105005

bokarev@bmstu.ruКарташовА. Б.KartashovA. B.

 Карташов Александр Борисович – канд. техн. наук, доцент кафедры СМ-10 «Колёсные машины»

Москва 105005

 Kartashov A.B. – PhD (Eng), associate professor of the department “Wheeled vehicles”

Moscow 105005

 

kartashov@bmstu.ruНабережночелнинский институт (филиал) Казанского (Приволжского) федерального университета; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»РоссияNaberezhnye Chelny Institute (branch) of Kazan (Volga Region) Federal University; Bauman Moscow State Technical UniversityRussian FederationФедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет)»РоссияBauman Moscow State Technical UniversityRussian Federation202503102025033753Copyright © Дианов В.А., Бокарев А.И., Карташов А.Б., 20252025Дианов В.А., Бокарев А.И., Карташов А.Б.Dianov V.A., Bokarev A.I., Kartashov A.B.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/398

Введение (постановка задачи и актуальность). Проведено сравнительное исследование двух наиболее распространённых подходов к моделированию нагруженности транспортных средств (ТС): динамического и квазистатического.

Цель исследования – сравнительный анализ методик моделирования нагруженности ТС, включая многоосные и шарнирно-сочленённые, для определения границ их применимости, трудозатрат и сравнительного анализа результатов, а также обоснование целесообразности использования квазистатической методики моделирования для различных типов ТС на начальных этапах проектирования через оценку показателей эффективности.

 Методология и методы

 Методология и методы. Применены следующие методы: имитационное математическое моделирование; статистическая обработка информации; формализация и конкретизация расчётных режимов нагружения на базе формул теории автомобиля.

Результаты и научная новизна. Результаты сформированы в виде описательной части сравнения методик моделирования нагруженности квазистатическим и динамическим способом. Также представлены некоторые результаты апробации, указывающие на пригодность использования на начальных этапах проектирования и относительную эффективность квазистатической методики моделирования. Научная новизна заключается в применении способа моделирования нагруженности многоосного ТС по принципу «нагрузка–разгрузка–статика» с учётом одновременного действия инерционных нагрузок и нагрузок в пятне контакта шин с дорожным покрытием, которые рассчитываются с помощью разработанного алгоритма с обратной связью на основе данных о тягово-сцепных и тормозных свойствах автомобиля, а также необходимых величин ускорений. Многозвенная модель при этом сохраняет квазиустойчивое состояние равновесия. Использование квазистатического метода моделирования позволяет сократить время решения более чем в десятки раз, а при охвате полного цикла подготовки модели и расчётов производительность повышается  от 4 до 40% в зависимости от количества необходимых режимов нагружения. Причём при увеличении количества режимов нагружения наблюдается увеличение производительности с использованием методики квазистатического моделирования.

 Практическая значимость

 Практическая значимость. В представленной работе демонстрируются границы применимости квазистатической методики моделирования нагруженности ТС для режимов движения с ускорением. Также проведён сравнительный анализ эффективности в части моделирования нагрузок на элементы ходовой части многоосного ТС.

Introduction (problem statement and relevance). A comparative study was performed regarding two most common approaches to vehicle loading simulation: dynamic approach and quasistatic approach. The purpose of the study is a comparative analysis of procedures to simulate vehicle loading, including multi-axial vehicles and articulated vehicles, in order to determine their applicability limits, labor costs and conduct a comparative analysis of the results, as well as substantiate feasibility of using the quasistatic simulation procedure for different vehicle types at the initial design stages through performance assessment.

 Methodology and research methods. The following methods were applied: simulation mathematical modeling; statistical data processing; formalization and specification of design or calculation loading modes based on the vehicle theory formulas.

 Scientific novelty and results. The results are shaped in the form of a descriptive part of comparison of quasistatic and dynamic loading simulation procedures. Some results of approbation indicating suitability of use at the initial stages of design and relative efficiency of the quasistatic simulation procedure are also presented. The scientific novelty consists in application of the procedure to simulate multi-axial vehicle loading according to the “loading-unloading-statics” principle considering simultaneous influence of inertia loads and loads in the tyre-to-road contact patch which are calculated by means of the developed algorithm with feedback based on the data on the grip and brake properties of the vehicle, and also on the necessary acceleration values. Upon that, the multi-link model preserves a quasistable balance state. Using the quasistatic simulation method allows to reduce the solution time by more than tens of times, and in case of covering the full cycle of model preparation and calculations, efficiency increases from 4 to 40% depending on the quantity of the necessary loading modes. At the same time, increase of the loading modes quantity leads to increase of efficiency with the use of the quasistatic simulation procedure.

 Practical significance. This paper demonstrates the limits of applicability of the procedure of quasistatic simulation of vehicle loading for driving modes with acceleration. A comparative analysis of efficiency in terms of simulating loads on the running gear elements of a multi-axle vehicle has also been carried out.

нагруженностьмоделированиемногозвенная модельдинамикаквазистатикапрочностьрежим нагружениянесущая системамногоосное транспортное средствоloadsimulationmulti-link modeldynamicsquasistaticsstrengthloading modeload bearing systemmulti-axial vehicleReferencesГельфгат Д.Б., Ошноков B.A. Рамы грузовых автомобилей. – М.: Машгиз, 1959. – 231 c.Gel’fgat D.B., Oshnokov B.A. [Truck frames]. Moscow, Mashgiz Publ., 1959. 231 p. (In Russian)Яценко Н.Н., Бурдасов Е.И., Розов Р.А., Безверхий С.Ф., Петровский Д.В., Шалдыкин В.П. Ресурсные испытания грузовых автомобилей на автополигоне. Часть 1: Развитие, условия и статистическая интерпретация результатов. Часть 2: Основы форсирования и оптимального планирования испытаний / Научно-исследовательский институт информации автомобильной промышленности. – М.: НИИНавтопром, 1974. – 86 с.: черт.Yatsenko N.N., Burdasov E.I., Rozov R.A., Bezverkhiy S.F., Petrovskiy D.V., Shaldykin V.P. [Resource testing of trucks on the proving ground. Part 1: Development, conditions and statistical interpretation of results. Part 2: Fundamentals of forcing and optimal testing planning. Research Institute for Automotive Industry Information]. Moscow, NIINavtoprom Publ., 1974. 86 p. (In Russian)Барышников Ю.Н. Проблемы создания математических моделей для расчёта несущих систем карьерных самосвалов // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. – 2011. – № 4, ч. 2. – С. 54–56. EDN: QLILIF.Baryshnikov Yu.N. [The issues of developing mathematical models for calculation of bearing systems of large dump-body trucks]. Vestnik Nizhegorodskogo universiteta im. N.I. Lobachevskogo, 2011, no. 4, part. 2, pp. 54–56. EDN: QLILIF. (In Russian)Вдовин Д.С., Левенков Я.Ю., Чичекин И.В. Нагружение конечно-элементных моделей несущих систем колёсных машин с применением метода INERTIA RELIEF и твердотельной динамической модели автомобиля / Технологии и компоненты интеллектуальных транспортных систем, Москва, 18–19 октября 2018 г. – М.: ФГУП «НАМИ», 2018. – С. 620–640. EDN: YTKVBB.Vdovin D.S., Levenkov Ya.Yu., Chichekin I.V. [Loading of finite element models of load-bearing systems of wheeled vehicles using the INERTIA RELIEF method and a solid-state dynamic model of the vehicle]. [Technologies and components of intelligent transport systems, Moscow, October 18–19, 2018]. Moscow, FSUE “NAMI” Publ., 2018, pp. 620–640. EDN: YTKVBB. (In Russian)Чичекин И.В., Карташов А.Б., Газизуллин Р.Л., Киселев П.И., Вдовин Д.С. Разработка имитационной модели динамики беспилотного карьерного автосамосвала для определения нагрузок, действующих на несущую систему при движении в заданных условиях / Инновации в информационных технологиях, машиностроении и автотранспорте (ИИТМА-2020): сборник материалов IV Международной научно-практической конференции с онлайн-участием, Кемерово, 7–10 декабря 2020 г. – Кемерово: Кузбасский государственный технический университет имени Т.Ф. Горбачёва, 2020. – С. 291–301. EDN: AXIRNU.Chichekin I.V., Kartashov A.B., Gazizullin R.L., Kiselev P.I., Vdovin D.S. [Development of a simulation model for the dynamics of an unmanned mining dump truck for determining loads affecting load-bearing system when driving under given conditions]. [Innovations in Information Technologies, Mechanical Engineering and Motor Transport (IITMA-2020): Proceedings of the IV International Scientific and Practical Conference with Online Participation, Kemerovo, December 7–10, 2020]. Kemerovo, Kuzbasskiy gosudarstvennyy tekhnicheskiy universitet imeni T.F. Gorbacheva Publ., 2020, pp. 291-301. EDN: AXIRNU. (In Russian)Лата В.Н., Марков С.В., Ерёменко А.А., Елховикова А.П. Анализ прочности и долговечности деталей ходовой части на ранней стадии проектирования автомобиля // Известия МГТУ МАМИ. – 2008. – № 2 (6). – С. 59–64. EDN: LHTALB.Lata V.N., Markov S.V., Eremenko A.A., Elkhovikova A.P. [The automobile suspension static strength and durability analysis at the design stage]. Izvestiya MGTU MAMI, 2008, no. 2 (6), pp. 59–64. EDN: LHTALB. (In Russian)Pahwa G.S. Static and dynamic load synthesis for vehicle durability simulation using Adams. – Adams Durability Symposium, 2021.Pahwa G.S. Static and dynamic load synthesis for vehicle durability simulation using Adams. Adams Durability Symposium, 2021.Johannesson P., Speckert M. Guide to load analysis for durability in vehicle engineering. – Ch.: Wiley, 2014. – 458 p.Johannesson P., Speckert M. Guide to load analysis for durability in vehicle engineering. Ch.: Wiley, 2014. 458 p.Zhang B. Component tests based on vehicle modeling and virtual testing // SAE Technical Paper. – No. 2017-01-0384. – 5 p.Zhang B. Component tests based on vehicle modeling and virtual testing. SAE Technical Paper, no. 2017-01-0384. 5 p.Дианов В.А., Бокарев А.И., Карташов А.Б. Разработка методики моделирования нагруженности карьерного автосамосвала путём каскадирования внешних силовых факторов // Труды НАМИ. – 2024. – № 3 (298). – С. 57–70. DOI: 10.51187/0135-3152-2024-3-57-70. EDN: CGXMAI.Dianov V.A., Bokarev A.I., Kartashov A.B. [Developing the procedure of simulation of loading of the open-pit dump truck by means of cascading the external force factors]. Trudy NAMI, 2024, no. 3 (298), pp. 57–70. DOI: 10.51187/0135-3152-2024-3-57-70. EDN: CGXMAI. (In Russian)Dattakumar S.S., Ganeshan V. Converting dynamic impact events to equivalent static loads in vehicle chassis / Department of Applied Mechanics Chalmers University of Technology Gothenburg, Sweden, 2017.Dattakumar S.S., Ganeshan V. Converting dynamic impact events to equivalent static loads in vehicle chassis. Department of Applied Mechanics Chalmers University of Technology Gothenburg, Sweden, 2017.Yongming Li., Shou Ma., Kunting Yu., Xinglin Guo. Vehicle kinematic and dynamic modeling for threeaxles heavy duty vehicle // Mathematical modelling and control. – 2022. – No. 2 (4). – P. 176–184. DOI: 10.3934/mmc.2022018.Yongming Li., Shou Ma., Kunting Yu., Xinglin Guo. Vehicle kinematic and dynamic modeling for three-axles heavy duty vehicle. Mathematical modelling and control, 2022, no. 2 (4), pp. 176–184. DOI: 10.3934/mmc.2022018.Heißing B., Ersoy M. (Eds.) Chassis Handbook. Fundamentals, Driving Dynamics, Components, Mechatronics, Perspectives. – Vieweg+Teubner Verlag. Springer Fachmedien Wies-baden GmbH, 2011. – 591 p.Heißing B., Ersoy M. (Eds.) Chassis Handbook. Fundamentals, Driving Dynamics, Components, Mechatronics, Perspectives. Vieweg+Teubner Verlag. Springer Fachmedien Wies-baden GmbH, 2011. 591 p.Дубинкин Д.М., Бокарев А.И. Разработка методики определения нагрузок на силовую структуру карьерных самосвалов // Горное оборудование и электромеханика. – 2023. – № 5 (169). – С. 31–44. DOI: 10.26730/1816-4528-2023-5-31-44. EDN: ARXNIJ.Dubinkin D.M., Bokarev A.I. [Development of a procedure for determining the loads on the power structure of quarry dump trucks]. Gornoe oborudovanie i elektromekhanika, 2023, no. 5 (169), pp. 31–44. DOI: 10.26730/1816-4528-2023-5-31-44. EDN: ARXNIJ. (In Russian)Рубанов П.С., Гончаров Р.Б., Скотников Г.И., Горелов В.А., Григорьев В.С. Оценка влияния учёта податливости рамы фронтального погрузчика на возникающие нагрузки в системе динамики твёрдых тел // Известия МГТУ МАМИ. – 2023. – Т. 17. – № 4. – С. 401–409. DOI: 10.17816/2074-0530-472077. EDN: ZYYKEM.Rubanov P.S., Goncharov R.B., Skotnikov G.I., Gorelov V.A., Grigor’ev V.S. [Assessment of influence of considering the flexibility of the front loader frame on the emerging loads in the multibody system]. Izvestiya MGTU MAMI, 2023, vol. 17, no. 4, pp. 401–409. DOI: 10.17816/2074-0530-472077. EDN: ZYYKEM. (In Russian)Чичекин И.В., Левенков Я.Ю., Арутюнян Г.А., Нырков Ф.А., Чудаков О.И. Разработка математической динамической модели карьерного автосамосвала для определения нагрузок, действующих на раму в заданных режимах эксплуатации // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – 2022. – № 2 (137). – С. 127–137. DOI: 10.46960/1816-210X_2022_2_127. EDN: TZSIEX.Chichekin I.V., Levenkov Ya.Yu., Arutyunyan G.A., Nyrkov F.A., Chudakov O.I. [Development of mathematical dynamic model of an open-pit dump truck for determination of loads acting on frame in specified operating modes]. Trudy NGTU im. R.E. Alekseeva, 2022, no. 2 (137), pp. 127–137. DOI: 10.46960/1816-210X_2022_2_127. EDN: TZSIEX. (In Russian)Максимов Р.О., Чичекин И.В. Виртуальный стенд для определения нагрузок в пневматической подвеске задней тележки грузового автомобиля на ранних стадиях проектирования // Известия МГТУ МАМИ. – 2021. – № 3 (49). – С. 76–86. DOI: 10.31992/2074-0530-2021-49-3-76-86. EDN: AJEPQV.Maksimov R.O., Chichekin I.V. [A virtual test bench for determining the loads in the air suspension of the rear trolley of a truck at the early stages of design]. Izvestiya MGTU MAMI, 2021, no. 3 (49), pp. 76–86. DOI: 10.31992/2074-0530-2021-49-3-76-86. EDN: AJEPQV. (In Russian)Ларин В.В. Теория движения полноприводных колёсных машин: учебник. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. – 391, [1] с.: ил. ReferencesLarin V.V. [Theory of motion of all-wheel drive wheeled vehicles: textbook]. Moscow, BSTU Publ., 2010. 391 p. (In Russian)

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