Прогнозирование долговечности элементов шасси беспилотных транспортно-технологических средств с учётом влияния жесткостных параметров несущей системы

Введение (постановка задачи и актуальность). В настоящее время широкое распространение получило использование автономных мобильных беспилотных транспортно-технологических средств (БТТС) при выполнении работ в зонах с вредными и опасными факторами. Также данные машины могут быть использованы для выполнения поисково-спасательных работ, доставки грузов в труднодоступные районы и иных подобных задач. Поэтому к таким БТТС предъявляются повышенные требования к их надёжности, в том числе и к усталостной прочности несущих элементов, так как в процессе эксплуатации могут возникнуть условия, которые не позволят провести своевременные мероприятия, связанные с ремонтом, для достижения работоспособного состояния транспортного средства. В данной статье рассмотрены вопросы влияния податливости несущей системы на нагрузки, возникающие в процессе эксплуатации, и их влияние на показатели долговечности.
Цель исследования состоит в выявлении влияния жёсткости несущей системы транспортно-технологического средства на усталостную прочность направляющего аппарата подвески.
Методология и методы. В статье представлены: динамическая математическая модель колёсной машины для определения нагрузок, созданная в программе моделирования динамики твёрдых тел; методика обработки результатов моделирования; расчёты усталостной прочности элементов направляющего аппарата подвески, выполненные с применением метода конечных элементов, позволяющие оценить влияние податливости несущей системы на накопленные повреждаемости.
Результаты и научная новизна. В работе представлены результаты моделирования движения БТТС и анализ полученных результатов для абсолютно жёсткой и податливой несущих систем. Даны рекомендации для создания расчётных моделей для последующих вычислений усталостной прочности. В результате получены повреждаемости в элементах направляющего аппарата подвески, проведён анализ результатов. Также проведены проверочные расчёты несущей системы для анализа изменения её прочности.
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы при создании высоконагруженных элементов колёсных машин.

1. Макарова Ю.А., Дубинина М.Г. Анализ техникоэкономических показателей беспилотных транспортных средств // Концепции. – 2018. – № 1 (37). – С. 28–44. EDN: YLHUBF.

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. – V. 294 (3). – P. 1078– 1094. DOI: 10.1016/j.ejor.2021.02.022.

3. MartínezDíaz M., Soriguera F. Autonomous vehicles: theoretical and practical challenges / XIII Con ference on Transport Engineering, CIT2018. – 2018. – V. 33. – P. 275–282.

4. Singh S., Singh S.B. Autonomous cars: recent developments, challenges, and possible solutions // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2021. – V. 1022. – No. 012028.

5. Dempsey M., Fish G., Beltran J.G.D. High fidelity multibody vehicle dynamics models for driver-in-theloop simulators / Proceedings of the 11th International Modelica Conference September 21–23, 2015, Versailles, France. – P. 273–280.

6. Lee Y.L., Barkey M.E., Kang H.T. Metal fatigue analysis handbook. Practical problem-solving techniques for computer-aided engineering. – Elsevier, 2011. – 581 p.

7. РМ 800Т. URL: https://go-rm.ru/rm_800_t_overview.html (дата обращения: 11.04.2024).

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

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

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

11. Левенков Я.Ю., Чичекин И.В., Вдовин Д.С., Нырков Ф.А., Душкин М.А., Попова К.В. Проектирование направляющего аппарата подвески из алюминиевых сплавов для многоцелевого беспилотного транспортно-технологического средства с использованием метода топологической оптимизации // Труды НАМИ. – 2023. – № 2 (293). – С. 42–59. DOI: 10.51187/0135-3152-2023-2-42-59. EDN: EGSVCS.

12. 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. EDN: SAGQZX.

13. 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.

14. Deng X., Chen H., Xu Q., Feng F., Chen X., Lv X., Lin X., Fu T. Topology optimization design of threedimensional multi-material and multi-body structure based on irregular cellular hybrid cellular automata method // Scientific Reports. – 2022. – V. 12. – No. 5602.

15. Teng X., Wang C., Jiang X., Chen X. Structural topology optimization with local finite-life fatigue constraints // Mathematics. – 2023. – V. 11. – No. 1220.

16. Bai Y.D., Yang Z.J., Chen X., Wang M. Optimal structural design of micro-motion 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.

17. Hailu G. A comparative study on stress and compliance based structural topology optimization // IOP Conf. Ser.: Materials Engineering (ACMME 2017). – 2017. – V. 241. – No. 012003.

18. Song M.M., Lin Y., Xiao S.G., Huang L.X., Chen H.Q., Zhu X.L. 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.

19. Жилейкин М.М., Котиев Г.О. Моделирование систем транспортных средств: учебник. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. – 239 с.

20. Ротенберг Р.В. Подвеска автомобиля: Колебания и плавность хода / 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1972. – 392 с.

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

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

23. Mapa L.P.P., das Neves F.A., Guimarães G.P. Dynamic substructuring by the craig–bampton method applied to frames // Journal of Vibration Engineering & Technologies. – 2021. – V. 9. – P. 257–266. DOI: 10.1007/s42417-020-00223-4.

24. Teixeira G.M., Hazime R., Draper J., Jones D. Random vibration fatigue frequency domain critical plane approaches / Proceedings of the 2013 ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition. IMECE 2013-62607.

25. Teixeira G.M., Jones D., Draper J. Random vibration fatigue a study comparing time domain and frequency domain approaches for automotive applications // SAE International. – 2014. – No. 14M-0324.

26. Olason A., Tidman D. Methodology for topology and shape optimization in the design process / Master’s Thesis in Solid and Fluid Mechanics. – Goteborg: 2010. – 64 p.

27. Сизова Т.М. Статистика для бакалавров: Учебное пособие. Ч. ΙΙ. – СПб.: Университет ИТМО, 2016. – 70 с.

28. Метод наименьших квадратов: метод. указания / сост.: Л.В. Коломиец, Н.Ю. Поникарова. – Самара: Изд-во Самарского университета, 2017. – 32 с.

29. Зарубежные аналоги алюминиевых литейных сплавов. URL: https://razvitie-pu.ru/?page_id=2603 (дата обращения: 11.04.2024).

30. Lease K., Stephens R. Verification of variable amplitude fatigue life methodologies for a cast aluminum alloy // SAE Technical Paper. – 1991. – No. 910163. DOI: 10.4271/910163.

31. ГОСТ 25.101-83. Расчёты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов.

32. Horas C.S., Correia J.A.F.O., De Jesus A.M.P., Calçada R., Aenlle M.L., Kripakaran P., Pelayo F., FernandezCanteli A. Application of modal superposition technique in the fatigue analysis using local approaches / XVIII International Colloquium on Mechanical Fatigue of Metals (ICMFM XVIII). Procedia Engineering. – 2016. – V. 160. – P. 45–52.