Моделювання життєвого циклу регенеровуваних автомобільних напівпричепів на етапі проектування

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА»

УДК 621. 01% 629. 114. 3

БАЛАН СЕРГІЙ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

МОДЕЛЮВАННЯ ЖИТТЄВОГО ЦИКЛУ РЕГЕНЕРОВУВАНИХ АВТОМОБІЛЬНИХ НАПІВПРИЧЕПІВ НА ЕТАПІ ПРОЕКТУВАННЯ

Спеціальність 05. 02. 02 - Машинознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Львів - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеському державному політехнічному університеті Міністерства освітим України.

Науковий керівник: Максимов Валерій Григорович, кандидат технічних наук, доцент, завідувач кафедри «автомобільний транспорт» Одеський державний політехнічний університет.

Офіційні опоненти: Гащук Петро Миколайович, доктор технічних наук професор, завідувач кафіедри «Експлуатація і ремонт автомобільної техніки» Державний університет «Львівська політехніка» Библюк Нестор Іванович, доктор технічних наук професор, завідувач кафіедри «Лісові машини та дороги» Український державний лісотехнічний університет, м. Львів.

Провідна установа: Інститут машин і систем, м. Харків

Захист відбудеться 16 червня 1999 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35. 052. 06 в Державному університеті «Львівська політехніка» за адресою: 290602, м. Львів, вул. С. Бандери, 12.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного університету «Львівська політехніка» за адресою: м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий 12 травня 1999 р.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТКА РОБОТИ

автомобільний напівпричеп проектування

Розширення парку автомобільних напівпричепів робить надзвичайно актуальною проблему суттєвого підвищення їх надійності і вантажепідйомності при одночасному зменшенні металоємкості та підвищенні технологічності виготовлення конструкцій. Ця проблема розв'язується, в основному, на етапі проектування майбутнього виробу.

Автомобільний напівпричіп є розвиненою технічною системою, що складається з кількох вузлів-підсистем, які взаємодіють в процесі експлуатації. При своєчасному, плановому здійсненні технічного обслуговування, заміні деталей, які швидко зношуються, працездатність напівпричепу в цілому визначається технічним станом його тримальної системи - рами, що зазнає під час експлуатації значної механічної дії, яка має явно виражений стохастичний характер.

Життєвий цикл рами можна розглядати як переміщення деякої системи, що складається з сотен елементів, у просторі станів Z, причому таке переміщення носить дискретний характер. Кожний наступний стан Z_i відрізняється від попереднього Z_i-1 розривом одного або декількох чергових зв'язків деякої структури, яка спочатку відповідає стану Z₀.

Реально розрив зв'язків означає те чи інше механічне пошкодження рами, а відтак кожний новий стан визначає появу “нового” об'єкта - рами із новим розподілом пошкоджень.

Іншою важливою особливістю напівпричепу є можливість його регенерації - відновлення після накопичення деякої кількості пошкоджень, яку інтерпретують як відмову конструкції.

Багатозначність первинних даних, складності побудови адекватної моделі напружено-деформованого стану (НДС) вузлів напівпричепу та нестабільність в тлумаченні результатів експлуатаційних та натурних випробувань призводить до того, що проектувальники часто-густо призначають невиправдано великий запас міцності конструкції тримальної системи напівпричепу та ускладнюють технологію її виготовлення.

Із сказаного витікає нагальна необхідність у створенні на етапі проектування адекватної динамічної стохастичної імітаційної моделі життєвого циклу рами напівпричепу та висока актуальність досліджень у цій галузі.

Дисертація виконувалась у відповідності до завдань науково-дослідної роботи? 203-19 Одеського державного політехнічного університету “Вдосконалення науково-експериментального методу створення великогабаритних тримальних систем мобільних машин та підвищення їх надійності” (? держреєстрації 0195U0123555).

Метою цієї роботи є підвищення якості автомобільних напівпричепів за рахунок створення та впровадження на стадії проектування універсальної імітаційної моделі технічного стану тримальної системи напівпричепу.

Для досягнення цієї мети в роботі розв'язані такі задачі:

розроблена система попередньої експрес-оцінки металоконструкцій типу рам на базі імітаційної моделі їх технічного стану в експлуатації;

виконаний аналіз дислокації зон типових пошкоджень рам напівпричепів та визначені імовірності таких пошкоджень;

створена та реалізована на ЕОМ модель НДС конструкції типу зварних рам, яка враховує накопичення та регенерацію пошкоджень в процесі їх експлуатації;

здійснена перевірка статичної адекватності моделі по результатах стендових випробувань;

виконане порівняльне імітаційне моделювання процесу експлуатації існуючої та запропонованої конструкцій рам напівпричепу.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у розвитку та поглибленні теоретичних та методологічних основ імітаційного моделювання конструкцій тримальних систем напівпричепів. Новими науковими результатами дисертаційного дослідження є:

запропоновано моделювати процес накопичення псевдовипадкових пошкоджень в конструкції рами модуляцією потоку випадкових чисел інформацією про реальні події, які відбулися в рамі напівпричепу в умовах прискорених полігонних випробувань;

розроблена чисельна нелінійна модель для дослідження експлуатації звареної рами напівпричепу на основі стандартного пакету, який використовує МКЕ, адаптованого до моделювання систем, що накопичують пошкодження;

розроблений метод моделювання накопичення чинників пошкодження в конструкції рами за допомогою комп`ютерної моделі конструкцій типу зварних рам, яка містить релейні кінцеві елементи, стан яких відбиває імовірність реальних подій;

запропонований опис динамічних стохастичних систем типу автомобільних напівпричепів, які відрізняються властивістю регенерації, за допомогою імовірнісних автоматів із дискретним часом, які дозволяють враховувати стохастичний характер виникнення пошкоджень рами, викликаний малопередбачуваними умовами виготовлення і експлуатації напівпричепа, та детермінований характер тих же пошкоджень, що виходить з особливостей їх конструкції.

Практичне значення одержаних результатів. Застосування створеної в роботі методики експрес-оцінювання питомих витрат на експлуатацію металоконструкцій типу рам дозволило скоротити на 25% час та на 20% витрати автоматизованого проектування елементів тримальної системи напівпричепів ОдАЗ-93571. Висновки, які одержані в роботі, підтверджені в Науково-дослідному інституті-полігоні мобільної техніки (ІНПОМТ, м. Одеса) та прийняті до впровадження в конструкторському бюро “ОдАЗ-Техцентр” (м. Одеса).

Запропоновані методи, а також алгоритми та програми, які розроблені для їх реалізації, впроваджені до учбового процесу на кафедрі “Автомобільний транспорт” Одеського державного політехнічного університету та використовуються в дисциплінах, які вивчають конструкцію тримальних систем автомобіля, методи їх моделювання та проектування, а також в курсовому та дипломному проектуванні.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі існуючих методів дослідження напружено-деформованого стану тримальних конструкцій напівпричепів, виборі та удосконаленні математичних та експериментальних методів досліджень.

Дисертантом запропонована універсальна система експрес-оцінювання питомих витрат на експлуатацію мобільної техніки, розроблені та доведені до практичного використання усі її підсистеми.

Автор виконав розрахунки напружень та деформацій в головних елементах рами напівпричепу, запропонував удосконалення їх конструкції, яке базується на результатах досліджень, приймав участь у виробничих випробуваннях та їх оцінюванні.

Апробація результатів роботи. Матеріали дисертації доповідались та обговорювались на Міжнародній науково-технічній конференції “Нові технології та організаційні структури на автомобільному транспорті” (Вінниця, 1994), на 3-ому Міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків (Львів, 1997), на III, IV та V семінарах “Моделювання у прикладних наукових дослідженнях” (Одеса, 1996, 1997, 1998), на розширеному засіданні кафедри “Автомобільний транспорт” Одеського державного політехнічного університету (Одеса, 1998), на розширеному засіданні кафедри “Деталі машин” Державного університету “Львівська політехніка” (Львів, 1999).

Публікації. Результати дисертації викладені в 16 публікаціях, в тому числі у одній книзі, шести статтях у збірнику наукових праць Одеського політехнічного університету, а також в 9 матеріалах конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, 6 додатків. Обсяг дисертації 138 стор., додатків - 52 стор. Дисертація містить 62 рисунки, 10 таблиць та посилання до 146 літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, яка підкреслює її актуальність, відповідність державним науковим програмам, наукову новизну та практичне значення.

У першому розділі проаналізовано стан справ у проблемі моделювання життєвого циклу регенеруємих автомобільних напівпричепів. Розглянуті питання удосконалення конструкції як чинника підвищення якості напівпричепів, проаналізовані зовнішні дії та характерні відмови в автомобільних системах. Наведені методи збирання та обробки інформації при проектуванні напівпричепів. Підтверджена мета та сформульовані задачі дослідження.

У дру гому розділі описаний об'єкт дослідження - автомобільний напівпричіп та наведені методики побудови кінцевоелементної моделі його головної тримальної системи - зварної рами. Обгрунтовані схеми навантаження напівпричепу. Наведені методики експериментального оцінювання адекватності математичних та комп'ютерних моделей, які розроблені в дисертації.

В третьому розділі аналіз об'єкта дослідження починається з вибору у якості критерію оптимальності конструкції рами напівпричепу комплексного показника - питомих витрат на експлуатацію В_пит, який складається з витрат на придбання нового напівпричепу В_пр та підтримання його у працездатному стані В_під, віднесених до ресурсу його експлуатації Т_експл:

(1)

Умови експлуатації рам напівпричепів є скупченням невизначеностей різноманітного характеру та походження.

До них відносяться, насамперед, зовнішні сили та моменти, руйнування елементів та зварних швів, статична невизначеність системи та прийняття рішень про відмову та подальшу долю напівпричепів. Таким чином має місце протиріччя між нагальною потребою для проектувальника мати систему оцінювання та порівняння конструкцій ще не існуючих напівпричепів та практично повною невизначеністю їх стану в експлуатації.

В основі розробленої системи експрес-оцінювання металоконструкцій типу рам - швидкодіюча кінцевоелементна модель НДС рами, адекватність якої підтверджена експериментально, а також концепція моделювання процесу виникнення та розвитку пошкоджень, яка відповідає реальним умовам експлуатації.

Система складається з трьох головних блоків: блоку моделювання пошкоджень, блоку моделювання НДС рами та блоку розрахунку питомих витрат на експлуатацію напівпричепу. Зв'язок між двома підсистемами моделювання - НДС та пошкоджень здійснюється, завдяки спеціальним додатковим кінцевим елементам, які імітують порушення суцільності конструкції - релейним елементам (рис. 2). Релейний елемент може знаходитися у двох станах: “увімкненому” - пошкодження немає, до результатів моделювання НДС елемент не вносить змін; “вимкненому” - пошкодження є, до результатів моделювання вносяться зміни з урахуванням характеру пошкодження.

Перемикання релейного елемента здійснюється в автоматичному режимі після чергової ітерації моделювання в процесі перерахування матриці жорсткості. Сигнал на перемикання надходить від підсистеми, яка моделює стохастичний механізм пошкоджень в конструкції.

На протязі життєвого циклу рами напівпричепу в її конструкції накопичуються кількісні зміни, що призводять до якісних стрибків в її експлуатаційній придатності (рис. 3). Креслення виробу (нульова точка його життєвого циклу) передбачає цілісність конструкції. Після виготовлення виробу в ньому присутні різні дефекти складання. Подальший період (період експлуатації) в роботі розподіляли на кінцеву кількість інтервалів (не обов'язково однакової тривалості). Така дискретизація дозволяє розглянути безперервний процес накопичення експлуатаційних пошкоджень як стрибкоподібну зміну станів системи на межах часових інтервалів.

Для тримальних систем мобільної техніки, виконаних у вигляді зварних рам, найбільш типовими пошкодженнями є тріщини елементів конструкції та зварних швів між ними. Місце і час появи подібних пошкоджень носять, з одного боку, стохастичний характер із-за невизначеності умов виготовлення та експлуатації об'єкта (ретельність складання, стан шляхів, характеристика вантажу, навички водіння і т. ін.), а з іншого, - досить детермінований, пов'язаний, наприклад, з розподілом внутрішніх напружень, обумовленим конструкцією рами.

Звідси виходить, що при прогнозуванні на моделі процесу накопичення експлуатаційних пошкоджень, який полягає в “призначенні” пошкодження (тріщини) до того чи іншого місця конструкції в заданий час, не підходять ні метод випадкового вибору із заздалегідь складеного переліку “небезпечних” місць, ані метод перенесення на об'єкт, що моделюється, результатів полігонних та експлуатаційних випробувань інших об'єктів аналогічного класу або навіть інших таких же об'єктів. Тому у роботі використовували комбінований метод генерування потоку псевдовипадкових чисел, тобто потоку випадкових чисел, “модульованих” інформацією про дійсні пошкодження рам, одержаною в результаті полігонних випробувань або в експлуатації, а також інформацією про НДС рами, одержаною на моделі.

На початку процесу моделювання система обмежується кінцевою кількістю П місць пошкоджень, які можуть бути враховані моделлю:

, (2)

де П_ij - пошкодження і-го типу у j-ому місці. З урахуванням кількості релейних елементів у кожному місці (для моделювання розвитку пошкодження), їх загальна кількість R у моделі складає:

, (3)

де r_іjk - релейний елемент, який моделює k-ту ступінь пошкодження і-го типу в

j - ому місці.

Після підготовки та налагодження кінцевоелементної моделі здійснюється перехід до імітаційного моделювання життєвого циклу напівпричепу. Існує велика кількість різноманітних імітаційних моделей складних систем. Для рами напівпричепу розглянемо імовірнісну автоматну модель. Її початковий алфавіт - матриця пошкоджень на початку чергової ітерації . Вихідний алфавіт - матриця пошкоджень наприкінці чергової ітерації . У якості функції внутрішнього стану приймаємо матрицю імовірностей виникнення пошкоджень того чи іншого типу у тому чи іншому місці А_Р на часовій ітерації Т- (Т+1). Функція виходу при цьому буде мати наступний вигляд:

. (4)

Матриці в (4) мають такий фізичний та математичний сенс. Повна інформація про місця розташування та кількість релейних елементів в моделі є деяким двохвимірним числовим масивом з кількістю рядків, яка дорівнює N, кількістю елементів масиву у кожному рядку, яка дорівнює М_і та значенням кожного елемента масива, яке дорівнює K_ij (i = 1,..., N; j = 1,..., M_i). Вибираючи з кількості елементів масиву у кожному рядку М_і максимальне та доповнюючи у кожному рядку праворуч стільки нульових елементів, щоб їх загальна кількість дорівнювала М_max, одержимо прямокутну NxM_max матрицю, яка може мати, наприклад, такий вигляд:

АR=	K11	K12	K13	0	0	0	0			(5)
	K21	K22	K23	K24	K25	0	0
	K31	K32	K33	K34	K35	K36	K37
	K41	0	0	0	0	0	0
	K51	K52	K53	K54	0	0	0

Якщо елементами матриці вважати не кількість релейних елементів (тобто потенційних спроможностей до пошкодження), а самі пошкодження, то одержимо деяку аналогічну за порядком матрицю:

. (6)

Така матриця для проекту рами, який не передбачує пошкоджень, буде нульовою:

А0П=	0	0	…	0					(7)
	0	0	…	0
	.	.	…		,
	.	.	…
	0	0	…	0

а для деякого гіпотетичного граничного випадку, коли усі “заплановані” пошкодження відбулися - співпадати з матрицею релейних елементів:

. (8)

Оскільки величина t - дискретна з вузлами в 0; Т₀; Т₁; …; Т, то процес моделювання експлуатації рами напівпричепу буде складатися з послідовного перетворення матриць:

(9)

де Т - часова межа випробувань (моделювання).

Перетворення

(10)

здійснюється на підставі додавання до елементів початкової матриці елементів такої ж за розміром модернізованої -матриці, тобто підсумовуванням:

(11)

Модернізована -матриця , в свою чергу, одержується послідовним множенням кожного елемента немодернізованої П-матриці на відповідні елементи матриці-сита (С-матриці), які мають можливість приймати значення “0” або “1”.

Джерелом П-матриць та С-матриць після кожної часової ітерації моделювання є підсистеми загальної системи експрес-оцінювання питомих витрат на експлуатацію металоконструкцій типу рам: підсистема моделювання пошкоджень - для П-матриць і підсистема моделювання НДС рами - для С- матриць. Остання обставина дозволяє вносити до стохастичної ситеми моделювання елементи детермінованості, пов^`язані з інформацією про результати стендових та полігонних випробувань напівпричепів.

П-матриця одержується модуляцією потоку випадкових чисел імовірностями виникнення реальних пошкоджень. Модуляція потоку рівноімовірних чисел діапазону {1... L^. Z}, де Z - загальна кількість пошкоджень при полігонних випробуваннях, L - ціле число (чим воно більше, тим точніший метод), полягає у множенні їх кількості L^. Z на вагові коефіцієнти, які дорівнюють імовірностям виникнення відповідних пошкоджень :

(12)

Немодульований (а) та модульований (б) імовірностями настання чотирьох подій відрізок натурального ряду (1... 400)

Як видно з рисунку, поява, наприклад, числа 98 у першому випадку відповідає події “А”, а в другому - події “В”. Подія “С” в другому випадку взагалі не моделюється, тому що імовірність її настання дорівнює нулю. Інформація про інтервали для кожного місця можливого пошкодження групується в I-матрицю, яка для випадку, наведеного на рис. 4, має вигляд:

(13)

Алгоритм розрахунку П-матриць для кожної з ресурсних ітерацій T_{t-1 -} T_t має такий вигляд (схема організації інформаційних потоків в межах запропонованого методу наведена на рис. 5).

1. Вибирається Z_t перших випадкових чисел в діапазоні {1... L^. Z}.

2. Розраховуються модульовані числові інтервали для усіх пошкоджень П_ij і округляються до найближчих цілих чисел.

3. Розраховується, скільки відібраних у п. 1 чисел “дісталося” кожному з інтервалів.

4. Формирується нульова матриця, порядком NхМ_max.

5. До кожного з елементів матриці додається стільки одиниць, скільки чисел, відібраних у п. 1, потрапили до відповідного інтервалу. П-матриця готова.

Пункт 1 описаного алгоритму реалізується за допомогою генератора випадкових чисел, вбудованого до мови BASIC для РС; пункт 2 - обробкою результатів експериментів та досліджень реального об`єкта подібного класу.

На ітерації (0-Т₀), тобто при моделюванні виготовлення рами, кількість одиниць, які додаються до нульової матриці, визначається елементами матриці імовірностей дефектів складання.

С-матриця одержується за таким алгоритмом:

1. Формується нульова матриця порядком NхМ_max.

2. В початкову кінцевоелементну модель, яка відповідає за структурою та параметрами елементів кресленню об`єкта, вносяться зміни (обнулюються параметри жорсткості) до тих релейних елементів, вимкнення яких передбачене дефектами виготовлення рами.

3. Виконується розрахунок на моделі в статичному режимі напружень _ijt у місцях можливих пошкоджень .

4. Для тих місць можливих пошкоджень , де виконується нерівність:

К_{з ijt max,} (14)

де _{max -} гранично допустимі напруження для відповідного місцю матеріалу конструкції; К_з - коефіцієнт запасу, який призначається окремо для нового виробу та після кожного чергового ремонту, відповідні нулі в матриці (п. 1) замінюються одиницями. С-матриця готова.

Поелементним множенням (ПЕМ) П-матриць та С-матриць на кожній ресурсній ітерації одержували -матрицю для розрахунку чергового стану імовірнісного автомату, що моделює стан рами напівпричепу.

У четвертому розділі виконане імітаційне моделювання життєвого циклу автомобільних напівпричепів ОдАЗ-93571 із рамами різних конструкцій. Початковою інформацією для такого моделювання були креслення рами, дані обстежень 134 нових напівпричепів та відомості про результати їх полігонних випробувань. Згідно з цими відомостями, визначені 12 типів головних пошкоджень, які зустрічаються при випробуваннях. З урахуванням кількості місць пошкоджень, перетворенням у моделі піддавалися матриці порядку 12х17. Кількість релейних елементів у моделі дорівнювала 456, а місця їх встановлення відповідали місцям реальних пошкоджень, які фіксувалися під час випробувань (рис. 6).

Адекватність кінцевоелементної моделі рами яка створена за допомогою ППП “ПАРСЕК” (рис. 7) та, крім релейних, містить ще 948 оболонкових та 16 стержневих кінцевих елементів, була підтверджена порівнянням даних, одержаних при моделюванні статичного режиму навантаження під час стендових випробувань та при експериментальному вимірюванні напружень у характерних точках конструкції. Досягти адекватності вдалося тільки після врахування ролі зварних швів у розподілі навантажень між елементами системи.

Імітаційне моделювання життєвого циклу напівпричепу дозволило прогнозувати техніко-економічні показники його експлуатації на протязі планового ресурсу.

Встановлено, що сумарні витрати на підтримання напівпричепу у робочому стані В_під зростають під час експлуатації до списання, а питомі витрати В_пит проходять через мінімум, тобто має місце деякий оптимальний ресурс, після відпрацювання якого економічно вигідніше придбати новий напівпричіп, ніж лагодити зношений.

У цих умовах зміна конструкції рами напівпричепу може бути визнана доцільною, якщо разом із зниженням величини оптимального ресурсу буде збільшуватись інший показник - вантажепідйомність транспортного засобу. Тоді за менший час експлуатації напівпричіп перевезе таку ж, або навіть більшу кількість корисних вантажів. Тому для порівняння був запропонований новий показник - питомий оптимальний ресурс: відношення оптимального ресурсу до власної ваги напівпричепу без зміни сумарної ваги напівпричепу та вантажу.

Виконані порівняльні оцінювання питомих експлуатаційних характеристик рам різних конструкцій та запропоновані рекомендації, які дозволяють знизити споряджену масу напівпричепу, а з тим і підвищити його вантажепідйомність на 12%. Результати дисертаційних досліджень одержали підтвердження при виробничих випробуваннях.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

Як показує огляд численних джерел інформації, умови роботи напівпричепу відрізняються високою ступінню невизначеності параметрів внутрішнього стану та характеристик зовнішньої дії протягом усього життєвого циклу, який сягає кількох років або навіть десятиріч. З іншого боку, автомобільний напівпричіп, як і будь-який транспортний засіб, є джерелом підвищеної небезпеки.

Життєвий цикл технічних систем, що відновлюються, до яких відноситься автомобільний напівпричіп, складається з дискретних відрізків ресурсного параметру (часу, довжини пробігу, тощо), наприкінці кожного з яких відбувається відновлення працездатності системи (ремонт) або списання, зважаючи на техніко-економічну доцільність ремонту. Тому імітаційне моделювання життєвого циклу напівпричепу на етапі проектування з метою порівняльного оцінювання експлуатаційної надійності альтернативних варіантів конструкції запропоновано робити за допомогою дискретних моделей у вигляді кінцевих автоматів, у яких множина внутрішніх станів, а також множини початкових та вихідних сигналів є скінченними множинами.

Встановлено, що умови експлуатації тримальних систем напівпричепів є сполученням невизначеностей як мінімум шести видів: зовнішніх сил та моментів, руйнування елементів та зварових швів, статичної невизначаємості, якості виготовлення, прийняття рішень про відмови, ремонт та списання. Тому у межах дискретного відрізку ресурсу поведінка системи може бути передбачена тільки з деякою імовірністю. Запропоновано у якості кінцево-автоматних моделей таких систем використовувати моделі у вигляді імовірнісних автоматів, тобто дискретних потактових перетворювачів з пам`ятю, функціонування яких у кожному такті залежить тільки від стану пам`яті у ньому та може бути описане статистично.

Запропонована структура системи експрес-оцінювання питомих витрат на експлуатацію металоконструкцій типу рам, яка складається з блоків моделювання НДС, моделювання пошкоджень та розрахунку питомих витрат. В основі блоку моделювання НДС - кінцевоелементна модель рами напівпричепу, структура якої на кожній ресурсній ітерації моделювання визначається не тільки конструкцією рами (тобто її ідеальним станом, який відповідає кресленню), але й усіма пошкодженнями, що накопичилися у період експлуатації на поточній ітерації, а також дефектами, пов`язаними із недоброякісним ремонтом після кожної попередньої.

В основу блоку моделювання пошкоджень покладено модуляцію потоку випадкових чисел інформацією про імовірність пошкоджень того чи іншого місця в конструкції, яка одержана в результаті аналізу полігонних випробувань. Пошкодження, що моделюються таким потоком, відображаються в моделі шляхом “вимикання” (прирівнювання нулю механічних характеристик) спеціальних релейних кінцевих елементів, заздалегідь введених у модель в місцях можливих пошкоджень. Система передбачає можливість підвищення імовірності призначення пошкодження у те місце, де воно вже відбувалося на попередніх ітераціях, що дозволяє моделювати розвиток тріщини в конструкції.

В результаті розрахунку НДС такої рами і порівняння його з напруженнями, які допускаються міцністю матеріалу елементів конструкції та зварних швів, на кожній ітерації створюється масив номерів місць в конструкції, де призначення пошкоджень не забороняється системою моделювання. Таким чином здійснюється кореляція між псевдовипадковим, пов`язаним з реальними подіями потоком пошкоджень, що призначаються, та НДС конструкції рами, що пошкоджується.

Методом тензовимірювання здійснена перевірка адекватності кінцевоелементної моделі НДС рами напівпричепу шляхом порівняння розрахункових даних, які одержані на моделі, із результатами безпосередніх вимірювань у характерних точках конструкції рами, які одержані під час стендових статичних випробувань.

Задовільної для практичних розрахунків адекватності вдалося досягти обліком активної участі в розподілі навантаження зварних швів. Показано, що у випадку зварної конструкції, напруження у її елементах при збільшенні навантаження ростуть значно повільніше, ніж це спостерігається у суцільновитягненій.

Побудовою та перетворенням матриць реальних подій, матриць імовірностей, матриць інтервалів, матриць напружень, матриць-сит, немодернізованих та модернізованих матриць пошкоджень здійснено моделювання життєвого циклу рами напівпричепу ОдАЗ-93571. Для утворення матриць напружень за допомогою ППП “ПАРСЕК” була створена кінцевоелементна модель рами, яка складається з 948 оболонкових, 16 стержневих та 456 релейних кінцевих елементів.

Для порівняльного техніко-економічного оцінювання напівпричепів, які містять рами різних конструкцій, запропоновані такі характеристики, як питомі витрати на експлуатацію та питомий оптимальний ресурс.

Розроблена методика, алгоритми та програми для розрахунку цих показників в процесі моделювання на етапі проектування. Виконане порівняльне оцінювання напівпричепів з рамами п'яти різних конструкцій.

Використання створеної в роботі методики експрес-оцінювання питомих витрат на експлуатацію металоконструкцій типу рам та питомого оптимального ресурсу експлуатації напівпричепів дозволило скоротити на 25% час та на 20% витрати автоматизованого проектування елементів тримальної системи напівпричепів, а також запропонувати конструкцію напівпричепу, яка забезпечує зниження його спорядженої маси на 12%.

Висновки, які одержані в роботі, підтверджені у Науково-дослідному інституті-полігоні мобільної техніки (м. Одеса), та рекомендовані до впровадження в конструкторському бюро “ОдАЗ-Техцентр” (м. Одеса). Нові наукові розробки впроваджені в учбовий процес на кафедрі «Автомобільний транспорт» Одеського політехнічного університету.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Балан С.А. Вопросы организации ремонта и технического обслуживания машиностроительного оборудования. - Одесса: Астропринт, 1997. - 166 с.

Максимов В.Г., Балан С.А. К определению расчетной нагрузки несущей системы полуприцепа по условию статической прочности // Труды Одесского политехнического университета. - 1996. - Вып. 2. - С. 48 - 50.

Схемотехническое моделирование термомеханического нагружения элементов тормозных устройств / С.А. Балан, В.Г. Максимов, О.С. Савельева, и др. // Труды Одесского политехнического университета. - 1997. - Вып. 1. - С. 69 - 72.

Балан С.А., Максимов В.Г. Влияние податливости сварных соединений на распределение напряжений в несущих системах мобильных машин // Труды Одесского политехнического университета. - 1998. - Вып. 1. - С. 157 - 160.

Балан С.А., Савельева О.С. Учет динамики перемещений при ударном механическом нагружении транспортных средств // Труды Одесского политехнического университета. - 1998. - Вып. 1. - С. 160 - 162.

Балан С.А. Расчет удельных затрат на эксплуатацию оборудования, содержащего металлоконструкции типа сварных рам // Труды Одесского политехнического университета. - 1998. - Вып. 2. - С. 286 - 291.

Балан С.А. Моделирование псевдослучайных событий модуляцией массива случайных чисел // Труды Одесского политехнического университета. - 1998. - Вып. 2. - С. 73 - 76.

Максимов В.Г., Горин Э.А., Балан С.А. К определению нагрузочной способности несущих систем прицепов и полуприцепов // Новые технологии и организационные структуры на автомобильном транспорте. Винница, 1994. С. 105 - 106.

Балан С.А., Максимов В.Г. Определение характера НДС рамы несущей системы полуприцепа в условиях статического нагружения // Моделирование в прикладных научных исследованиях. Одесса: ОГПУ, 1996. С. 23 - 24.

Балан С.А., Максимов В.Г., Становский А.Л. Схемотехническое моделирование напряженного состояния механических конструкций с нелинейными элементами // Моделирование в прикладных научных исследованиях. Одесса: ОГПУ, 1996. С. 23.

Максимов В. Г., Панкратов М. М., Балан С. О. Оцінка ресурсу несучих систем причепів та напівпричепів // 3-й Міжнародний симпозіум українських інженерів-механиків. Львів: ДУ “ЛП”, 1997. С. 201 - 202.

Балан С. А., Максимов В. Г. Моделирование напряженно-деформированного состояния балки оси полуприцепа // Моделирование в прикладных научных исследованиях. Одесса: ОГПУ, 1997. С. 59 - 61.

Максимов В. Г., Балан С. А. Моделирование напряженно-деформированного состояния рамы полуприцепа // Моделирование в прикладных научных исследованиях. Одесса: ОГПУ, 1997. С. 61 - 63.

Максимов В.Г., Балан С.А., Гончарова О.Е. Оптимизация конструктивных параметров узлов полуприцепа на этапе проектирования // Моделирование в прикладных научных исследованиях. Одесса: ОГПУ, 1998. С. 42 - 43.

Балан С.А., Максимов В.Г., Становский А.Л. Математическое моделирование процесса эксплуатации несущих систем полуприцепов // Моделирование в прикладных научных исследованиях. Одесса: ОГПУ, 1998. С. 18 - 20.

Балан С.А., Максимов В.Г. Автоматизированная система оценки экономичности эксплуатации мобильной техники // Моделирование в прикладных научных исследованиях. Одесса: ОГПУ, 1998. С. 20 - 22.

Ключові слова: напівпричіп, рама, імітаційна модель, імовірнісний автомат, напружено-деформований стан, кінцевий елемент.

Ключевые слова: полуприцеп, рама, имитационная модель, вероятностный автомат, напряженно-деформированное состояние, конечный элемент.

Key words: semitrailer, frame, simulative model, probably automaton, stressed-stained state, final unit.

Балан С.О. Моделювання життєвого циклу регенеровуваних автомобільних напівпричепів на етапі проектування. Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук із спеціальності 05. 02. 02 - машинознавство. Дисертація присвячена розробці універсальної імітаційної моделі технічного стану металоконструкцій типу рам. У якості об`єкту дослідження розглянуто автомобільний напівпричіп. Виконаний аналіз дислокацій зон типових пошкоджень рам напівпричепів та визначена імовірність їх пошкоджень. Створена комп`ютерна модель напружено-деформованого стану конструкцій типу зварних рам, яка дозволяє враховувати стохастичний характер виникнення пошкоджень рами, викликаний малопередбачуваними умовами виготовлення і експлуатації напівпричепа, та детермінований характер тих же пошкоджень, що виходить з особливостей їх конструкції.

Здійснена перевірка статичної адекватності моделі по результатах стендових випробувань. Результати, які одержані в роботі, підтверджені в Науково-дослідному інституті-полігоні мобільної техніки та рекомендовані до впровадження в конструкторському бюро “ОдАЗ-Техцентр” (м. Одеса).

Балан С.А. Моделирование жизненного цикла восстанавливаемых автомобильных полуприцепов на этапе проектирования. Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05. 02. 02 - машиноведение. Диссертация посвящена разработке универсальной имитационной модели технического состояния металлоконструкций типа рам. В качестве объекта исследования рассмотрен автомобильный полуприцеп. Расширение парка автомобильных полуприцепов делает чрезвычайно актуальной проблему значительного повышения их надежности и грузоподъемности при одновременном уменьшении металлоемкости и повышении технологичности изготовления конструкций. Эта проблема решается, в основном, на этапе проектирования будущего изделия. Автомобильный полуприцеп представляет собой сложную техническую систему, работоспособность которой в целом определяется техническим состоянием его несущей системы - рамы, подвергающейся во время эксплуатации значительным механическим воздействиям, имеющим явно выраженный стохастический характер. Многозначность исходных данных, сложности построения адекватной модели напряженно-деформированного состояния узлов полуприцепа и трудности в толковании результатов эксплуатационных и натурных испытаний приводят к тому, что проектировщики зачастую назначают неоправданно высокий запас прочности конструкции несущих систем полуприцепа и усложняют технологию их изготовления. Жизненный цикл рамы можно рассматривать как перемещение некоторой сложной системы, состоящей из сотен элементов, в пространстве состояний, причем такое перемещение носит дискретный характер. Каждое следующее состояние отличается от предыдущего разрывом одной или нескольких связей в некоторой исходной структуре. Реально разрыв связи означает то или иное механическое повреждение рамы, а значит каждое новое состояние определяет появление нового объекта - рамы с новым распределением повреждений.

Обоснована необходимость в создании на этапе проектирования адекватной динамической стохастической имитационной модели жизненного цикла рамы полуприцепа в виде вероятностного автомата. Модель позволяет учесть стохастический характер возникновения повреждений рамы, вызванный малопредсказуемыми условиями изготовления и эксплуатации полуприцепа, и детерминированный характер тех же повреждений, вытекающий из особенностей их конструкции. Диссертация выполнялась в соответствии с заданиями научно-исследовательской работы № 203-19 Одесского государственного политехнического университета “Усовершенствование научно-экспериментального метода создания крупногабаритных несущих систем мобильных машин и повышение их надежности” (номер госрегистрации 0195U0123555).

Целью настоящей работы является повышение качества автомобильных полуприцепов за счет создания и внедрения на стадии проектирования универсальной имитационной модели технического состояния несущей системы полуприцепа. Для достижения этой цели разработана система предварительной экспресс-оценки металлоконструкций типа рам на базе имитационной модели их технического состояния в эксплуатации; выполнен анализ дислокации зон типичных разрушений рам полуприцепов и определены вероятности таких разрушений; создана и реализована на ЭВМ модель напряженно-деформированного состояния конструкций типа сварных рам, учитывающая накопление и восстановление повреждений в процессе их эксплуатации; осуществлена проверка статической адекватности модели по результатам стендовых испытаний; выполнено сравнительное имитационное моделирование процесса эксплуатации существующей и предлагаемой конструкций рам полуприцепа. Научная новизна полученных результатов состоит в развитии и углублении теоретических и методологических основ имитационного моделирования конструкций несущих систем полуприцепов. Новыми научными результатами диссертационного исследования являются: модель процесса накопления псевдослучайных повреждений в конструкции рамы модуляцией потока случайных чисел информацией о реальных событиях, произошедших в раме полуприцепа в условиях ускоренных полигонных испытаний; численная нелинейная модель для исследования эксплуатации сварной рамы полуприцепа на основе стандартного пакета, использующего МКЭ, адаптированного к моделированию систем, накапливающих повреждения; метод моделирования накопления разрушающих факторов в конструкции рамы с помощью релейных конечных элементов; описание динамических стохастических система типа автомобильных полуприцепов, отличающихся свойством восстановления, с помощью вероятностных автоматов с дискретным временем. Применение созданной в работе методики экспресс-оценки удельных затрат на эксплуатацию металлоконструкций типа рам позволило сократить на 25% время и на 20% расходы автоматизированного проектирования элементов несущей системы полуприцепа ОдАЗ-93571. Выводы, полученные в работе, подтверждены в Научно-исследовательском институте-полигоне мобильной техники (ИНПОМТ, г. Одесса) и рекомендованы к внедрению в конструкторском бюро “ОдАЗ - Техцентр”. Предложенные методы, а также алгоритмы и программы, разработанные для их реализации, внедрены в учебный процесс на кафедре “Автомобильный транспорт” Одесского государственного политехнического университета и используются в дисциплинах, изучающих конструкцию несущих систем автомобиля, методы их моделирования и проектирования, а также в курсовом и дипломном проектировании.

S.A. Balan. Modeling of automobile regenerated semitrailers vital cycle at the designing stage. Manuscript. Dissertation seeking the title Candidate of Technical sciences in the speciality 05. 02. 02 - Mechanical engineering. The dissertation considers the development of metallic constructions type frames technical condition universal simulative model. The explored object represents an automobile semitrailer. An analysis of semitrailers frames typical ruptures zones dislocation is provided as well as the estimation of such ruptures probability. A computer simulated model for construction type welded frame stressed-stained state is created. The model allows to take into consideration the stochastic character of frame's damages caused by low-forecast conditions of semitrailer production and exploitation as well as these damages determined character because of their constructional particularities.

An accurate verification of this model statistical adequacy to the results of on-stand testing is provided. This work issued results got confirmation at the Scientific researcher Institute testing ground for mobile equipment and were admitted to bringing into production at OdAZ - Tekhcenter enterprize.

Размещено на Allbest.ru

...