Исследование влияния податливости пространственной несущей системы беспилотных транспортно-технологических средств, разработанных с использованием метода топологической оптимизации, на её долговечность

Введение (постановка задачи и актуальность). В настоящее время для решения транспортно-технологических задач в народном хозяйстве, научно-исследовательской деятельности, при проведении спасательных операций и др. активное применение получили беспилотные транспортно-технологические средства (БТТС). Важным требованием к БТТС является обеспечение их надёжности в процессе эксплуатации. Одной из главных характеристик конструкционной надёжности являются показатели усталостной долговечности несущих элементов конструкций; также на показатели эффективности БТТС оказывает влияние масса несущих элементов, и её снижение позволит повысить энергоэффективность их использования. Одним из основных конструкционных методов повышения усталостной долговечности является снижение эффективного коэффициента концентрации в опасных местах конструкции. Другим направлением может служить обеспечение более равномерного распределения нагрузок между силовыми элементами.

Цель работы – исследование влияния податливости несущей системы транспортно-технологического средства на её усталостную долговечность в заданном режиме движения.

Методология и методы. В статье представлены подходы, связанные с применением программ динамики связных тел для получения нагрузок на несущую систему во временной области, методика обработки результатов моделирования, основанная на методах математической статистики и теории вероятности, и расчёты долговечности несущей системы в многоцикловой области. Для расчёта напряжённо-деформированного состояния несущей системы использован метод конечных элементов, для расчёта параметров режимов нагружения – динамическая модель, созданная с использованием программы моделирования динамики связных тел.

Результаты и научная новизна. В работе представлены результаты моделирования движения БТТС для двух вариантов податливости несущей системы и анализ полученных результатов. Определены показатели усталостной прочности, полученные для жёсткой и податливой несущих систем, проведён их анализ.

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

1. Макарова Ю.А., Дубинина М.Г. Анализ технико-экономических 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. – P. 1078–1095. DOI: 10.1016/j.ejor.2021.02.022.

3. Martínez¬Díaz M., Soriguera F. Autonomous vehicles: theoretical and practical challenges // Transportation Research Procedia. – 2018. – V. 33. – P. 275–282. DOI: 10.1016/j.trpro.2018.10.103.

4. Singh S., Saini B.S. Autonomous cars: recent developments, challenges, and possible solutions // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2020. – V. 1022. – Art. no. 012028. DOI: 10.1088/1757-899X/1022/1/012028.

5. 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. – 2015. – P. 273–280. DOI: 10.3384/ecp15118273.

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 800 DUO EPS. URL: https://go-rm.ru/rm800duo_overview.html (дата обращения: 20.01.2026).

8. Чичекин И.В., Нырков Ф.А. Разработка динамической математической модели роботизированного колёсного мула в программе расчёта динамики связанных тел для анализа нагруженности его деталей / Будущее машиностроения России: сб. докл. XVI Всерос. конф. молодых учёных. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2024. – Т. 2. – С. 104–115. EDN: CZEMGJ.

9. Mapa L.D.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.

10. 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. EDN: EGSVCS.

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

12. Левенков Я.Ю., Чичекин И.В., Вдовин Д.С., Душкин М.А., Бяков К.Е. Прогнозирование долговечности элементов шасси беспилотных транспортно-технологических средств с учётом влияния жесткостных параметров несущей системы // Труды НАМИ. – 2025. – № 1 (300). – С. 17–30. EDN: FQAXYX.

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

14. 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.

15. 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. DOI: 10.1016/j.finel.2017.11.003.

16. Deng X., Chen H., Xu Q., Feng F. Topology optimization design of threedimensional multimaterial and multibody structure based on irregular cellular hybrid cellular automata method // Scientific Reports. – 2022. – V. 12. – Art. 5602.

17. Teng X., Wang C., Jiang X., Chen X. Structural topology optimization with local finite-life fatigue constraints // Mathematics. – 2023. – V. 11. – Art. 1220. DOI: 10.3390/math11051220.

18. Bai Y., Yang Z., Chen X., Wang M. Optimal structural design of micro-motion stage with stiffness constraints using topology nd sizing optimization method // Key Engineering Materials. – 2026. – V. 679. – P. 55–58. DOI: 10.4028/www.scientific.net/kem.679.55.

19. Shimles H., Engida W.D., Hashim F. A comparative study on stress and compliance based structural topology optimization // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2017. – V. 241. – Art. 012003. DOI: 10.1088/1757-899X/241/1/012003.

20. Song M.M., Lin Y., Xiao S.G., Huang L.X., Qiu C.H., 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.

21. Olason A., Tidman D. Methodology for topology and shape optimization in the design process. Master’s thesis. – Gothenburg: Chalmers University of Technology, 2010. – 64 p.

22. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов / Перевод с англ. А.С. Алексеева [и др.]. – М.: Стройиздат, 1982. – 447 с.

23. ГОСТ 25.101-83. Расчёты и испытания на прочность. Методы схематизации случайных процессов нагружения элементов машин и конструкций и статистического представления результатов. – М.: Издательство стандартов, 1983. – 25 с.

24. Lease K., Stephens R. Verification of variable amplitude fatigue life methodologies for a cast aluminum alloy // SAE Technical Paper. – 1991. – 910163. DOI: 10.4271/910163.

25. Horas C., Correia J.A.F.O., De Jesus A.M.P., Calçada R., López M.A., Kripakaran P., Pelayo F., Fernandez¬Canteli A. Application of modal superposition technique in the fatigue analysis using local approaches // Procedia Engineering. – 2016. – No. 160. – P. 45–52.