Совершенствование конструкций кабин грузовых автомобилей на стадии проектирования для обеспечения требований пассивной безопасности при ударе и минимизации массы

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. 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.

1. Гончаров 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.

2. 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).

3. 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.

4. 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.

5. VVFS 2003:29 Vägverkets föreskrifter om nationella typgodkännande av system komponent och separat teknisk enhet // Vägverkets författningssamling. Swedish, 2003. – 25 p.

6. 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.

7. 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).

8. 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).

9. 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.

10. Tovar A. et al. Crashworthiness design using topology optimization // Journal of mechanical design. 2009. – № 131. – P. 1–12.

11. Raeisi S., Tovar A., Tapkir P., Mozumder C. Multimaterial topology optimization for crashworthiness using hybrid cellular automata // SAE Technical Paper 2019-010826. – 2019.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. Бутарович Д.О., Смирнов А.А. Моделирование механических свойств пеноалюминия // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. 2009. – № 3. – С. 120–123.

18. 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.

19. 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).