Просмотреть - MSC Software

Расчет силового каркаса кабины трактора
Кисельков А.Л., TODES, г. Минск
Данный расчет производился для исследования возможности
применения MARC в расчетах на пассивную безопасность силового каркаса
кабины трактора.
Особенностью данного расчета является то, что к силовому каркасу
кабины, к разным местам, последовательно прикладывается несколько
нагрузок, различных по величине и направлению. То есть при данном виде
расчета приходилось учитывать историю нагружения (накопление
остаточных деформаций).
Трехмерная электронная модель силового каркаса трактора была
создана в пакете трехмерного моделирования UNIGRAPHICS в PATRAN в
формате parasolid. По имеющейся трехмерной электронной модели
создавалась конечноэлементная модель, с соблюдением необходимых
допусков и размеров. (Рисунок 1, Рисунок 2).
Так как каркас кабины изготовлен из проката и все элементы
конструкции имеют постоянную толщину, то для их моделирования
использовались 3-х и 4-х узловые конечные элементы (пластины).
Для упрощения моделирования считалось, что модель симметрична
относительно продольной вертикальной плоскости. Поэтому создавалась
левая часть кабины, а затем командами симметрии создавалась правая
часть. Размеры конечноэлементной модели:
конечных элементов
узлов
степеней свободы
176 564;
174 285;
- 1 045 710.
Первоначально планировался расчет кабины в NASTRAN, с
использованием типа решения SOL106. Однако расчет при первом варианте
нагружения показал, что возникающие пластические деформации в
материале (сталь 20) при 0.75 нагрузки от допустимой, превосходят
допустимые деформации для NASTRAN. Время расчета составило около 48
часов машинного времени (PC, Pentium 3, 966-Xeon, 72 Gb, Raid 0).
После этого готовая конечноэлементная модель была передана в
пре/постпроцессор MENTAT, с учетом толщин. Нелинейные свойства
материала, закрепления и нагрузки задавались с использованием
пре/постпроцессора MENTAT.
При расчете первой итерации потребовалось около 60 Gb места на
диске, и таким образом, встал вопрос о необходимости уменьшения
размерности модели до приемлемого результата. После изменения разбивки
модели (модель также создавалась в PATRAN, а затем передавалась в
MENTAT) размерность модели составила (Рисунок 3, Рисунок 4):
Рисунок 1 – Общий вид кабины трактора
Рисунок 2 – Фрагмент конечноэлементной модели кабины для расчета в NASTRAN
конечных элементов
узлов
степеней свободы
- 12 878;
- 12 211;
- 73 266.
Модель закреплялась за стойки внизу, по периметру отверстий
(Рисунок 5).
Нагружение конечноэлементной модели осуществлялось через жесткие
пластины. Нагружение осуществлялось в 4 последовательных шага:
−
нагружение сзади, силой 8400 кг (Рисунок 6), вдоль продольной
оси кабины к верхней перекладине, со смещение относительно продольной
вертикальной плоскости симметрии, сила равномерно распределялась по
пластине, сила линейно возрастала до максимальной в течении 5 сек. и затем,
также линейно, течении 5 сек убывала до 0, пластина имела возможность
перемещаться только в направлении действия силы, все остальные степени
свободы пластины подавлены;
−
вертикальное нагружение сзади на верхнюю заднюю
поперечину, вертикальной силой в 12 000 кг (Рисунок 7), равномерно
распределенной по пластине, шириной 250 мм, сила линейно возрастала до
максимальной в течении 5 сек. и затем также равномерно в течении 5 сек.
убывала до 0, пластина имела возможность перемещаться только в
направлении действия силы;
−
горизонтальное нагружение справа, перед средней стойкой (на
80 мм сила вынесена вперед относительно передней стенки средней стойки)
боковой силой в 10 500 кг (Рисунок 8), равномерно распределялась по
пластине, сила линейно возрастала до максимальной в течении 5 сек. и затем
также равномерно в течении 5 сек. убывала до 0, пластина имела
возможность перемещаться только в направлении действия силы;
−
вертикальное нагружение спереди на переднюю верхнюю
поперечину, вертикальной силой в 12 000 кг (Рисунок 9), равномерно
распределенной по пластине, шириной 250 мм, сила линейно возрастала до
максимальной в течении 5 сек и затем также равномерно в течении 5 сек.
убывала до 0, пластина имела возможность перемещаться только в
направлении действия силы.
Суммарное машинное время, затраченное на проведение расчета
составило около 160 часов.
В результаты расчета получены остаточные деформации каркаса
кабины трактора.
При первом случае нагружения максимальное перемещение в
элементах кабины по нагрузкой составило 65 мм (Рисунок 10). Остаточные
Рисунок 3 – Конечноэлементная модель кабины для расчета в MARC
Рисунок 4 – Конечноэлементная модель кабины (вид сзади снизу)
Рисунок 5 – Закрепление стоек кабины
Σ 8400 кг
Рисунок 6 – Первый шаг нагружения (горизонтальная продольная сила)
Σ 12 000 кг
Рисунок 7 – Второй шаг нагружения (вертикальная сила сзади)
Σ 10 500 кг
Рисунок 8 – Третий шаг нагружения (горизонтальная боковая сила)
Σ 12 000 кг
Рисунок 9 – Четвертый шаг нагружения (вертикальная сила в передней части)
Рисунок 10 – Максимальные перемещения в направлении силы при I случае нагружения
деформации кабины в направлении действия силы, после снятия нагрузки
составили 40 мм (Рисунок 11).
При втором случае нагружения максимальное перемещение в направлении
действия силы составило 9 мм (в заднем левом углу) (Рисунок 12). Остаточные
деформации составили 6 мм (Рисунок 13).
При третьем случае нагружения (действие боковой силы 10 500 кг)
максимальное перемещение (деформация) кабины в направлении действия
силы составило 178 мм (Рисунок 15). Остаточные деформации в направлении
силы составили 142 мм (Рисунок 16). Рисунки 17 и 18 демонстрируют
распределение эквивалентных напряжений (критерий Мизеса) по конструкции
при максимальном значении силы и после снятия нагрузки.
При четвертом случае нагружения (вертикальная сила в 12 000 кг на
переднюю часть кабины) максимальное перемещение в направлении действия
силы составило 18 мм (левая сторона кабины) (Рисунок 19). Остаточные
деформации составили 17 мм (Рисунок 20).Error! Reference source not found.
и Error! Reference source not found. – распределение эквивалентных
напряжений в конструкции при максимальной вертикальной силе и после
снятия нагрузки.
Таким образом проведенный расчет позволяет получить остаточные
деформации кабины после комплекса нагружений и оценить жесткость
конструкции.
Рисунок 11 – Максимальные остаточные деформации в направлении силы при I случае нагружения
Рисунок 12 – Максимальные вертикальные перемещения под действием вертикальной силы
(II случай нагружения)
Рисунок 13 – Остаточные деформации (II случай нагружения)
Рисунок 14 – Распределение эквивалентных напряжений от остаточных деформаций (II случай нагружения
Рисунок 15 – Максимальные перемещения под действием силы (III случай нагружения)
Рисунок 16 – Остаточные деформации кабины (III случай нагружения)
Рисунок 17 – Распределение эквивалентных напряжений
при максимальном значении боковой силы (III случай нагружения)
Рисунок 18 – Распределение эквивалентных напряжений
после снятия нагрузки (III случай нагружения)
Рисунок 19 – Максимальные перемещения под действием вертикальной силы
(IV случай нагружения)
Рисунок 20 – Остаточные деформации после снятия вертикальной силы
(IV случай нагружения)