Влияние нагрузочных режимов на силовые схемы несущих элементов карьерных самосвалов, полученные с использованием метода топологической оптимизации

Введение (постановка задачи и актуальность). Увеличение грузоподъёмности карьерных самосвалов, за счёт снижения массы их силовых элементов, при этом без потери показателей прочности является важной задачей. При создании современных образцов карьерных самосвалов большой грузоподъёмности особое внимание следует уделить проектированию силовых элементов, в том числе несущих систем и структур пассивной безопасности с учётом их совместной работы. Использование на ранних стадиях проектирования методов топологической оптимизации получило широкое распространение при создании высоконагруженных элементов колёсных машин.

Цель исследования - изучение влияния нагрузочных режимов на силовые схемы несущих систем и защитных конструкций, а также формулировка рекомендаций для создания их конструкций на начальном этапе проектирования с целью повышения прочности и безопасности карьерных самосвалов с использованием метода топологической оптимизации, основанного на методе конечных элементов, для жесткостного алгоритма.

Методология и методы. В статье представлена динамическая математическая модель колёсной машины для определения нагрузок, созданная в программе моделирования динамики твёрдых тел. Силовые схемы несущей системы и защитного козырька получены с использованием метода топологической оптимизации, основанного на методе конечных элементов. Объектом исследования является карьерный самосвал полной массой 220 т. Предметом исследования являются методы оптимального проектирования силовых конструкций транспортных средств и их использование с учётом условий эксплуатации.

Результаты и научная новизна. Выявлено влияние нагрузочных режимов на силовые схемы несущей системы и защитного козырька. Даны рекомендации к выбору нагрузочных режимов на ранних стадиях проектирования карьерных самосвалов для проведения топологической оптимизации. Представлены силовые схемы несущей системы и защитного козырька. Сделаны выводы по влиянию нагрузочных режимов на силовые структуры несущих элементов.

Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при создании высоконагруженных элементов карьерных самосвалов.

1. Зырянов И.В., Решетников С.В., Попов В.В. О рациональном критерии срока службы карьерных самосвалов // Горный журнал. - 2014. - № 1. - С. 15-18.

2. Анистратов К.Ю., Градусов М.С., Стреми-лов В.Я., Тетерин М.В. Исследование закономерностей изменения показателей работы карьерных самосвалов в течение срока их эксплуатации // Горная промышленность. - 2006. - № 6 (70). - С. 30-34.

3. Хазин М.Л. Направления развития карьерного автотранспорта // Недропользование. - 2021. - Т. 21. -№ 3. - С. 144-150. DOI: 10.15593/2712-8008/2021.3.7.

4. Шевченко С.О., Тырсин А.Н. Определение остаточного ресурса автотранспорта на основе оценки экономической целесообразности его эксплуатации на примере угольных карьеров // Южно-Уральская молодёжная школа по математическому моделированию: сборник трудов всероссийской научно-практической конференции, Челябинск, 29-30 мая 2014 года / Ответственный редактор Ю.М. Ковалёв. - Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2014. - С. 122-127.

5. Яковлев В.Л., Могилат В.Л., Тарасов П.И. Причины аварийности на технологическом автотранспорте карьеров и пути её снижения // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2009. -№ 1. - С. 211-217.

6. Сыромятников Д.Б., Гридина Е.Б., Ястребова К.Н. Основные причины аварийности и травматизма на объектах открытых горных работ в России и пути их устранения // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). - 2012. - № 5. - С. 214-218.

7. Changizi N., 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.

8. Gebisa1 A.W., Lemu1 H.G. A case study on topology optimized design for additive manufacturing / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Volume 276, First Conference of Computational Methods in Offshore Technology (COTech2017) 30 November to 1 December 2017, Stavanger, Norway Citation. 2017 IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 276 012026.

9. Wang Y. et al. Topology Optimization in the Conceptual Design: Take the Frame of a Bender as Example / Advanced Materials Research, vol. 267, Trans Tech Publications, Ltd. - June 2011. - P. 297-301. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amr.267.297.

10. 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, Trans Tech Publications. - P. 5558. DOI: 10.4028/www.scientific.net/kem.679.55.

11. Song M.M. et al. Topology Optimization and Analysis of Impact Test Platform Mechanism // Applied Mechanics and Materials. - 2019. - V. 893, Trans Tech Publications. - P. 78-83. DOI: 10.4028/www.scientific.net/amm.893.78.

12. 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. - Iss. 1. - Art. no. 012026.

13. СП 78.13330.2012. Автомобильные дороги. Актуализированная редакция СНиП 3.06.03-85. - М.: Минрегион России, 2013.

14. СП 37.1333.2012. Промышленный транспорт. Актуализированная редакция СНиП 2.05.07-91*. - Минрегион России. - М.: ООО «Аналитик», 2012. - 196 с.

15. ГОСТ Р ИСО 3471-2009. Машины землеройные. Устройства защиты при опрокидывании. Технические требования и лабораторные испытания.

16. Dempsey M., Fish G., Beltran J.G.D. 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. - P. 273-280.

17. Farid M.L. Fundamentals of multibody dynamics: theory and applications. - Birkhauser. - 2006.

18. Ryan R.R. ADAMS // In Supplement to Vehicle System Dynamics. - 1993. - V. 22. - P. 144-152.

19. Bremer H. Elastic Multibody Dynamics. - Springer Science+Business Media, B.V., 2008. 13. Kong Y.S., Abdullah S., Omar M.Z., Haris S.M. Side force analysis of suspension strut under various load cases // Jurnal Teknologi (Sciences and Engineering). - 2016. - V. 78. -No. 6. - P. 85-90.

20. Craig M.B. Coupling of substructures for dynamic analysis // Amer. Inst. Aero. Astro. J. - 1968. - No. 6 (7). -P. 1313-1319.

21. Cundall P.A., Strack O.D. A discrete element model for granular assemblies // Geotehnique. - 1979. -No. 29. - P. 47-65.

22. Дубинкин Д.М., Чичекин И.В., Левенков Я.Ю., Арутюнян Г.А. Разработка имитационной модели динамики карьерного автосамосвала для определения нагрузок, действующих на несущую систему и грузовую платформу при загрузке и разгрузке дисперсного груза // Горная промышленность. - 2021. - № 6. -С. 117-126. DOI: 10.30686/1609-9192-2021-6-117-126.

23. 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.