Automation loading of finite element models of wheeled vehicles undercarriage by means of inertia relief method and vehicle dynamic solid-state model

The object of the study is the undercarriage of wheeled vehicles - frame, housing and body. The subject of the study is the ways of calculating the stress-strain state of the wheeled vehicles undercarriages on the basis of the finite element method. The aim of the work is to reduce the calculation complexity when considering a large number of calculated cases with the help of loading automation and the formation of boundary conditions by the usage of the inertia relief (inertial unloading) method and the solid-state dynamic vehicle. On the example of a complex undercarriage with articulated joint, two types of calculations have been carried out: using the inertia relief method and a solid-state dynamic model; and the use of the “classical” method of specifying loads through simplified beam-rod suspension model, wheels, steering, and anti-roll bar. Calculations of both models were performed for several calculation cases typical of the undercarriage. The results of the calculation proved the adequacy of the obtained stress-strain state determination by the method of calculation of inertia relief in comparison with the “classical” method. At the same time, it was concluded that the load affecting the undercarriage was more accurately determined by the applied inertia relief method compared with the “classical” loading method of the undercarriage since the local changes in the acting forces direction were taken into account at the attachment points of suspension as well as in the other mechanisms for different calculation cases. The comparison of calculations showed that the application of the inertia relief method not only provided greater accuracy in calculating the stress-strain state of the vehicle undercarriage in local areas, but also significantly reduced the complexity of calculations when considering a large number of calculated cases by automating the formulation of boundary conditions and loads when transferred from solid-state dynamic model of the vehicle.

inertia relief, strength calculation, finite element method, inertia relief (unloading), loads, vehicle undercarriage, dynamics of solids, virtual prototype

1. Проектирование полноприводных колёсных машин: Учебник для вузов: В 3 т. / Б.А. Афанасьев, Б.Н. Белоусов, Г.И. Гладов и др.; Под ред. А.А. Полунгяна. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008

2. Kotiev G.O., Padalkin B.V., Kartashov A.B., Dyakov A.S. Designs and development of Russian scientific schools in the field of cross-country ground vehicles building // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. - 2017. - Vol. 12. - No. 4. - P. 10641071.

3. Кушвид Р.П., Чичекин И.В. Шасси автомобиля. Конструкция и элементы расчёта: учебник / Р.П. Куш-вид, И.В. Чичекин. - М.: МГИУ, 2014. - 555 с.

4. Barton D.C., Fieldhouse J.D. Automotive Chassis Engineering. - Springer Science+Business Media, B.V., 2018. - 327 p.

5. Genta G., Morello L. The Automotive Chassis. Vol. 1: Components Design. - Springer Science+Business Media, B.V - 2009. - 627 р.

6. Горобцов А.С., Шурыгин В.А., Серов В.А., Дьяков А.С., Лаптева В.О., Макаров А.А. Разработка математической модели многоопорной транспортной машины для перевозки крупногабаритных неделимых грузов // Грузовик. - 2014. - № 11. - С. 2-5.

7. Барышников Ю.Н. Проблемы создания математических моделей для расчёта несущих систем карьерных самосвалов // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. - 2011. - № 4, ч. 2. - С. 54-56.

8. Горобцов А.С., Карцов С.К., Поляков Ю.А., Дьяков А.С. Динамический анализ параметров передней подвески кабины грузового автомобиля // Известия МГТУ МАМИ. - 2014. - № 4 (22). - Т. 1. - С. 74-80.

9. Чугунов М.В., Кечемайкин В.Н., Панин М.В., Полунина И.Н., Махров Г.А. Анализ статической прочности и жёсткости несущих элементов конструкции электромобиля BravoEgo // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ». - 2016. - Т. 8. - № 3. URL: http:// naukovedenie.ru/PDF/134TVN316.pdf (дата обращения: 30.01.2018).

10. Вдовин Д. С. Расчёт нагрузок на звенья независимой подвески ходовой части автомобиля 8х8 с использованием NX Motion / 85-я международная научно-техническая конференция Ассоциации автомобильных инженеров «Будущее автомобилестроения в России»: сборник трудов секции «Автомобили и тракторы». - М.: МАМИ, 2014. - С. 2-6.

11. Исаев Е.У., Соломатин Н.С., Ковтун В.В., Карпов В.М. Этапы разработки легкового автомобиля. -Тольятти: Издательство ТГУ, 2005. - 82 с.

12. Vdovin D., Chichekin I. Loads and Stress Analysis Cycle Automation in the Automotive Suspension Development Process // Procedia Engineering. - 2016. -Vol. 150. - P. 1276-1279.

13. Левенков Я.Ю., Чичекин И.В. Определение параметров модели рессоры для анализа нагрузок и оценки прочности элементов подвески в системе расчёта динамики твёрдых тел // Инженерный вестник. - 2016. - № 12. - С. 4.

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

15. Вдовин Д.С., Чичекин И.В., Поздняков Т.Д. Виртуальный стенд для определения нагрузок на рулевое управление автомобиля // Инженерный журнал: наука и инновации. - 2017. - № 8 (68). - С. 3.

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. 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. - Vol. 78. - No. 6. - P. 85-90.

18. Farid M.L. Fundamentals of multibody dynamics: theory and applications. - Birkhauser, 2006. - 684 р.

19. Bremer H. Elastic Multibody Dynamics. - Springer Science+Business Media, B.V., 2008. - 451 р.

20. Liao L. A Study of Inertia Relief Analysis / 52nd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference. - Denver, Colorado, 2011. - P. 1-10.

21. Левенков Я.Ю., Вольская Н.С. Сглаживающая способность пневматической шины автомобильного колеса при взаимодействии с твёрдой неровной опорной поверхностью // Технология колёсных и гусеничных машин - Technology of Wheeled and Tracked Machines. - 2015. - № 1. - С. 20-26.

22. Gorelov V.A., Komissarov A.I. Mathematical Model of the Straight-line Rolling Tire-Rigid Terrain Irregularities Interaction // Procedia Engineering. - 2016. - Vol. 150. - P. 1322-1328.

23. Вольская Н.С., Левенков Я.Ю., Русанов О.А. Моделирование автомобильной пневматической шины, взаимодействующей с твёрдой неровной опорной поверхностью // Наука и образование. - 2013. -№ 5. - С. 107-124.

24. Горелов В.А., Падалкин Б.В., Чудаков О.И. Математическая модель прямолинейного движения по деформируемой опорной поверхности двухзвенного седельного автопоезда с активным полуприцепным звеном // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия: Машиностроение. - 2017. - № 2 (113). - С. 121-138.