Проектирование направляющего аппарата подвески из алюминиевых сплавов для многоцелевого беспилотного транспортно-технологического средства с использованием метода топологической оптимизации

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

1. Асанкожоев Е.Ж., Коркишко А.Н. Грузовые беспилотные транспортные средства // Инженерный вестник Дона. – 2022. – № 11 (95). – С. 755–761.

2. 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.

3. Макарова Ю.А., Дубинина М.Г. Анализ технико-экономических показателей беспилотных транспортных средств // Концепции. – 2018. – № 1 (37). – С. 28–44.

4. Martínez-Díaz M., Soriguera F. Autonomous vehicles: theoretical and practical challenges / XIII Conference on Transport Engineering, CIT2018. – 2018. – V. 33. – P. 275–282.

5. Singh S., Singh Saini B. Autonomous cars: Recent developments, challenges, and possible solutions / IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – V. 1022, 012028.

6. 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.

7. Абрамов А.А. Высокопрочные литейные алюминиевые сплавы. Достижения и перспективы. Часть II. Технологические процессы // Литейное производство. – 2021. – № 3. – С. 2–8.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Неткачев А.Г., Галинов П.И., Кирадиев В.К. Аддитивные технологии в литейном производстве // Литейщик России. – 2021. – № 3. – С. 18–23.

12. 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.

13. 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.

14. Farid M.L. Fundamentals of multibody dynamics: theory and applications. – Birkhauser, 2006. – 684 p.

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

16. Bremer H. Elastic Multibody Dynamics. – Springer Science+Business Media B.V., 2008. – 452 p.

17. 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.

18. 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.

19. Teng X., Wang C., Jiang X., Chen X. Structural topology optimization with local finite-life fatigue constraints // Mathematics. – 2023. – V. 11. – 1220.

20. 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.

21. Hailu G. A comparative study on stress and compliance based structural topology optimization / IOP Conf. Ser.: Materials Engineering (ACMME 2017). – 2017. – V. 241, 012003.

22. 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.

23. 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.

24. РМ 800 DUO EPS мотовездеход / снегоболотоход. URL: https://go-rm.ru/rm800duo_overview.html (дата обращения: 24.03.2023).

25. Pacejka H.B. Tyre and vehicle dynamics / Second edition. – Butterworth-Heinemann, Oxford, 2006. – 642 p.

26. TNO Automotive: “MF-Tool 6.1 User Manual”, TNO Automotive. – The Netherlands, 2008.

27. 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.

28. 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.