Диссертация (Метод расчета упругих элементов из композиционных материалов для систем подрессоривания колесных машин)

Московский государственный технический университет имениН. Э. Баумана(национальный исследовательский институт)На правах рукописиЕвсеев Кирилл БорисовичМЕТОД РАСЧЕТА УПРУГИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗКОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СИСТЕМПОДРЕССОРИВАНИЯ КОЛЕСНЫХ МАШИНСпециальность 05.05.03 – Колёсные и гусеничные машиныДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:к.т.н.Карташов Александр БорисовичМосква – 20172СодержаниеСтр.Введение ............................................................................................................... 5 Глава 1.

Учет и моделирование упругих параметров с учетомреологических процессов систем подрессоривания колесных машин. Анализсостояния вопроса. Постановка цели и задач исследования. Актуальностьрассматриваемого вопроса ......................................................................................... 10 1.1. Анализпримененияупругихиупругодемпфирующихэлементов из композиционных материалов в системах подрессориванияколесных машин ......................................................................................................

10 1.2. Способы динамического моделирования упругого поведенияконструкционных материалов с учетом реологических процессов................... 32 1.3. Основной принцип решения задач вязкоупругости ....................... 44 1.4. Анализ структурных особенностей и механические свойствастеклопластиков ......................................................................................................

45 1.5. Определениеоптимальнойхарактеристикисистемыподрессоривания...................................................................................................... 49 1.6. Выводы по первой главе ................................................................... 50 Глава 2. Разработка математической модели упругого элементасистемы подрессоривания колесной машины в виде витой цилиндрическойпружины,выполненнойсприменениемполимерныхкомпозиционных материалов..................................................................................... 52 2.1. Объект исследования ......................................................................... 52 2.2. Определение упруго-прочностных свойств материала .................

56 2.3. Конечно-элементная модель упругого элемента ............................ 58 2.4. Допущения .......................................................................................... 63 2.5. Математическая модель упругого элемента ................................... 64 3Стр.2.6. Выводы по второй главе ....................................................................

76 Глава 3. Разработка математической модели колесной машины супругим элементом в составе системы подрессоривания, выполненного сприменением полимерных композиционных материалов ...................................... 78 3.1. Объект исследования ......................................................................... 78 3.2. Математическая модель колесной машины с упругимиэлементами из полимерных композиционных материалов ................................ 81 3.3. Анализкинематическоговоздействиянасистемуподрессоривания КМ со стороны опорной поверхности ....................................

90 3.4. ГлаваВыводы по третьей главе .................................................................. 98 4.Экспериментальныеисследованияииспытания.Конструктивный облик объекта исследования ...................................................... 100 4.1. Расчет конструктивных параметров пружины ............................. 100 4.2. Цель и объект исследования ........................................................... 102 4.3. Методика испытаний ....................................................................... 103 4.4. Аппаратурно-измерительный комплекс ........................................

109 4.5. Проведение и обработка результатов эксперимента .................... 118 4.6. Выводы по четвертой главе ............................................................ 136 Глава 5. Анализ влияния пружины из полимерных композиционныхматериалов на вибробезопасность. Метод расчета упругого элемента,выполненного с применением полимерных композиционных материалов, длясистем подрессоривания колесных машин.............................................................

137 5.1. Анализ гистерезисных потерь в шине ........................................... 137 5.2. Оценка влияния пружины из полимерных композиционныхматериалов на вибробезопасность....................................................................... 140 4Стр.5.3. Анализрациональностиконструктивно-компоновочныхрешений пружин из полимерных композиционных материалов ..................... 141 5.4. Методкомпозиционныхрасчетаупругогоматериаловдляэлементасистемизполимерныхподрессориванияколесных машин ....................................................................................................

145 5.5. Выводы по пятой главе.................................................................... 146 Общие выводы и заключение по работе ....................................................... 148 Список сокращений и условных обозначений ............................................. 151 Список литературы ......................................................................................... 152 5ВведениеСовременноеразвитиеавтомобильнойпромышленности,повышениетребований к качеству, безопасности, энергоэффективности и эксплуатационнымпоказателям требует создания и применения новых конструкционных материалов.В настоящее время композитные материалы для колесных машин (КМ)вообще и автомобилей в частности все чаще заменяют металлическиеконструкционные материалы, обладая лучшей коррозионной стойкостью ипрочностью при меньшей массе.Основой любого автомобиля является его шасси. Агрегаты трансмиссии,несущая система, механизмы управления, система подрессоривания и колеса всборе c шинами – все эти системы входят в состав шасси.

Наиболее эффективноевнедрение композиционных материалов производится на этапе проектированияавтомобиля, кроме того, из соображений безопасности и компоновочныхособенностей, внесение изменений в такие системы как тормозная система,несущая система, трансмиссия, колеса в сборе на этапе эксплуатации автомобилязатруднено или невозможно. Целесообразно для улучшения перечисленных вышепоказателейвнедрятькомпозиционныематериалывэлементысистемыподрессоривания автомобиля.Система подрессоривания является одной из самых важных составляющихавтомобиля.

Она является связующим звеном между опорной поверхностью инесущей системой автомобиля, предназначена для снижения динамическихнагрузок и интенсивности вибраций, действующих на несущую систему ичеловека. Одним из основных элементов системы подрессоривания являетсяупругий элемент. Он необходим для восприятия в основном вертикальных сил,действующих на автомобиль, снижения вертикальных виброускорений иобеспечения комфортного передвижения.

Широко распространены металлическиеупругие элементы, массы которых вносят существенный вклад в общую массуавтомобиля.Снижениемассыавтомобиляпутемзаменыклассических6металлическихупругихэлементовнавысокопрочныеполимерныекомпозиционные элементы до сих пор является перспективным направлением.Целью диссертационной работы является совершенствование системыподрессоривания колесных машин путем применения упругих элементов изполимерных композиционных материалов в части:- получения рациональных конструктивно-компоновочных решений;- новых технологических возможностей получения заданных характеристик;- повышениявибробезопасности,обеспеченнойвнутренним(гистерезисным) демпфированием материала упругого элемента.Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующиезадачи:Разработана математическая модель деформации витой цилиндрическойпружины из полимерных композиционных материалов с учетом гистерезисногодемпфирования и направления армирования композиционного материала;Проведена верификация математической модели и определена степеньточности в сравнении с результатами эксперимента;Разработана имитационная модель движения колесной машины (КМ) супругим элементом из композиционных материалов с учетом гистерезисногодемпфирования материала;Разработан метод определения вязкоупругих характеристик витыхцилиндрическихпружин,выполненныхизполимерныхкомпозиционныхматериалов.Научная новизна работы заключается:В разработке математической модели упругой деформации витойцилиндрической пружины, учитывающей вязкоупругие свойства материала.Отличительнойособенностьюявляетсявозможностьнепосредственногоиспользования разработанной математической модели витой цилиндрическойкомпозитной пружины в уравнениях динамики колесной машины;В разработке метода определения упругих свойств витых цилиндрическихпружин, выполненных из полимерных композиционных материалов, с учетом7гистерезисного демпфирования.

Особенностью метода является возможностьприменять его для случайно заданного возмущения, используя аппарат дробныхпроизводныхвопределенииГрюнвальда-Летникова,которыйпозволяетмаксимально точно описать поведение вязкоупругого слоистого материала витойцилиндрической пружины;В разработке метода расчета конструктивных параметров витыхцилиндрическихпружин,выполненныхсприменениемполимерныхкомпозиционных материалов, с учетом направления армирования и количествамонослоев композита.

Особенность метода расчета конструктивных параметровзаключается в определении упругих характеристик композиционного материаласечения витка композитной пружины, полученных при помощи аналитическихзависимостей в результате рассмотрения различного числа монослоев композита,ориентированных под определенными углами к направлению нагруженияматериала.Практическая значимость работы. На основе полученных результатов былсоздан комплекс программ для ЭВМ, предназначенный для расчета витыхцилиндрическихпружинизполимерныхкомпозиционныхматериалов.Разработанный комплекс программ, математическая модель и метод расчета витыхцилиндрических пружин из полимерных композиционных материалов может бытьиспользованнастадиипроектированияидоработкиколесныхмашин.Использование метода и математической модели позволяет сократить срокипроектирования и доводочных испытаний.В первой главе обоснована актуальность работы.

Проведен анализприменения упругих и упругодемпфирующих элементов, выполненных сприменениемполимерныхкомпозиционныхматериаловвсистемахподрессоривания КМ. Рассмотрены способы изготовления таких упругихэлементов и их конструктивные особенности. Выявлены основные преимуществаприменения упругих элементов из полимерных композиционных материалов всистемах подрессоривания колесных машин. Проанализированы известныеподходы по прогнозированию и определению вязкоупругих свойств материала,8рассмотренымодели,описывающиевязкоупругоеповедениематериала.Определена необходимость разработки метода расчета пружин, выполненных изполимерных композиционных материалов и определены задачи для достиженияпоставленной цели.