Автореферат (Разработка метода расчета сопротивления качению и теплообразования в массивных шинах при стационарных режимах движения)

На правах рукописиСеменов Владимир КонстантиновичРазработка метода расчета сопротивления качению итеплообразования в массивных шинах при стационарныхрежимах движения01.02.06 — Динамика, прочность машин, приборов и аппаратурыАвторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2016Работа выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н.Э.

БауманаНаучный руководитель:доктор технических наук, профессорБелкин Александр ЕфимовичОфициальные оппоненты: Демьянушко Ирина Вадимовна,доктор технических наук, профессор,заслуженный деятель науки и техники РФ,заведующий кафедрой «Строительная механика»Московского автомобильно-дорожногогосударственного технического университета(МАДИ)Шешенин Сергей Владимирович,доктор физико-математических наук,профессор, заведующий кафедрой«Механика композитов» Московскогогосударственного университетаим. М.В.

Ломоносова(МГУ им. М.В. Ломоносова)Ведущая организация:Московский политехнический университетЗащита диссертации состоится «21» декабря 2016 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.141.03 при Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 105005,г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр.

1.Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просьбанаправлять по адресу:105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГТУ им.Н.Э. Баумана, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.03С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московского государственного технического университета имени Н.Э. Бауманаhttp://www.bmstu.ruАвтореферат разослан «»Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.141.03,доктор технических наук, доцент2016 года.А.Ю. КарпачевОбщая характеристика работыАктуальность темы.

Массивные шины (Рис. 1) широко используются в транспортных средствах гражданского и военного назначения. Ониявляются основным ходовым элементом гусеничных движителей, обеспечивающих повышенную проходимость машин и позволяющих им длительнопередвигаться с высокими скоростями по всем видам дорог.Выход из строя массивных шин происходитв результате механических повреждений и развития дефектов усталостного и термоусталостногохарактера, а также отслоения резинового массиваот обода колеса под действием напряжений сдвига. Избежать преждевременного разрушения этихшин можно лишь при успешном сочетании физикомеханических характеристик резины и геометриипрофиля резинового массива. Критериями успешного подбора резины и геометрии при разработкеновой конструкции шины являются:• равномерность распределения по ширине беРис. 1.

Массивнаяговой поверхности давления и сил трения;шина на стен• снижение сопротивления качению шины;де измерения• уменьшение значений максимальных темпеконтактногоратур в резиновом массиве;давления• снижение напряжений в зонах их концентрации.В настоящее время оценка того, насколько новая конструкция лучшеудовлетворяет перечисленным критериям по сравнению с существующимианалогами, проводится на основе анализа результатов стендовых испытаний пробной партии шин. Такой подход требует больших затрат времени иматериальных ресурсов.

Поэтому разработка метода расчета сопротивления качению и теплообразования в массивных шинах является актуальнойзадачей. При этом возникает потребность в создании программного обеспечения, позволяющего эффективно (с минимальными затратами временисчета и ресурсов ЭВМ) проводить анализ напряженного и теплового состояния шины.Целью диссертационной работы является разработка методапрогнозирования потерь при качении и теплообразования в массивных шинах на стадии проектирования на основе простых лабораторных испытанийобразцов резины.Для реализации поставленной цели проведены следующиеисследования.11. Изучены упруго-гистерезисные свойства резины 4Э-1386, используемой при производстве массивных шин.2. Определены значения параметров математической моделиБергстрема-Бойс для шинной резины при вязкоупругом циклическом деформировании.3.

Экспериментально изучены распределения контактных давлений, характеристики сопротивления качению и температуры саморазогревашины при различных нагрузках.4. Численно решена вязкоупругая контактная задача свободного стационарного качения массивной шины по поверхности бегового барабана.Проведен анализ напряженно-деформированного и теплового состояний шины. Выполнена верификация с экспериментом.5. Исследовано влияние геометрических параметров шины на основныехарактеристики – силу сопротивления качению, максимальную температуру саморазогрева, максимальное касательное напряжение у поверхности обода.Методы исследования.

Работа по экспериментальному исследованию упруго-гистерезисных свойств резины при сжатии коротких цилиндрических образцов проведена на электродинамическом стенде ElectroPulsE1000 фирмы Instron.Экспериментальное исследование контакта неподвижной массивнойшины с плоской опорной поверхностью проведено в ООО «Шинныйиспытательный центр «Вершина» (г.

Ярославль) при помощи сенсораIX500:256.256.16 фирмы XSENSOR Technology Corporation и в лабораториикафедры «Прикладная механика» МГТУ им. Н.Э. Баумана (г. Москва) настенде Zwick/Roell Z100.Экспериментальное определение характеристик сопротивления качению и температуры внутри резинового массива шины в режиме свободного стационарного качения по беговому барабану выполнено в ООО «НТЦ«НИИШП» (г. Москва) на стенде фирмы Hasbach методом измерения силына рычаге.Численный алгоритм поиска оптимальных значений параметров вязкоупругой модели Бергстрема-Бойс для резины реализован на языке математического пакета MathWorks MatLab.

Для определения НДС массивной шины и расчета поля температур применен метод конечных элементов(МКЭ). Процедура решения задачи МКЭ реализована на универсальномязыке программирования Си с использованием стандартной библиотекиIntel MKL.Научная новизна работы состоит в следующем.1. Экспериментально изучены упруго-гистерезисные свойства шиннойрезины 4Э-1386 в зависимости от частоты, амплитуды и режима на2гружения.2.

На основе экспериментальных данных разработан метод определения значений параметров вязкоупругой модели Бергстрема-Бойс дляшинной резины.3. Экспериментально изучено распределение контактных давлений приобжатии массивной шины на плоскую опорную поверхность.4. Разработан метод решения вязкоупругой контактной задачи стационарного качения массивной шины.5. Разработан комплекс программ, реализующих расчет характеристиксопротивления качению и теплообразования в массивных шинах присвободном стационарном качении.Достоверность и обоснованность научных результатов. Достоверность используемой вязкоупругой модели подтверждена экспериментальными данными, полученными на образцах резины.

Достоверность решения задачи качения подтверждена экспериментами на шинообкатномстенде; проверкой разработанного алгоритма и программы расчета на модельных и тестовых задачах; опытом практического внедрения достигнутых результатов в ООО «НПКЦ «Веском».Практическая значимость диссертационной работы заключается в разработке:1. метода определения значений параметров вязкоупругой модели резины;2. алгоритма учета вязких составляющих деформаций при стационарном качении, позволяющего решать задачу вязкоупругости в видепоследовательности упругих задач;3. комплекса программ расчета напряженно-деформированного и теплового состояния шины при свободном стационарном качении.Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях аспирантов кафедры прикладной механики МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2012, 2013, 2014, 2015г.), на XXV и XXVI симпозиумах «Проблемы шин, РТИ и эластомерныхкомпозитов» (ООО «НТЦ «НИИШП») (Москва, 2014, 2015 г.), на научном семинаре кафедры «Прикладная механика» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2015, 2016 г.), на научных семинарах в университетах Германии: Technische Universität Berlin, Leibniz Universität Hannover, Otto-vonGuericke-Universität Magdeburg (Берлин, Ганновер, Магдебург, 2016 г.).Отдельные результаты диссертационной работы получены в рамкахработ по Соглашению о предоставлении субсидии № 14.577.21.0023 от 05июня 2014 г.

с Министерством образования и науки Российской Федерациипо теме: «Создание методов и инструментов моделирования композиционных материалов с прогнозируемыми прочностными характеристиками».3Уникальный идентификатор прикладных научных исследований (проекта)RFMEFI57714X0023.Реализация работы. Работа нашла применение при проведенииОКР в ОАО «ЦНИИСМ» (г. Хотьково) и ООО «НПКЦ «Веском», а такжев образовательной деятельности на кафедре прикладной механики МГТУим.

Н.Э. Баумана.Публикации. Основные научные результаты диссертации отраженыв 10 научных работах, 6 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, общим объемом 8.28/4.4 п.л.Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Она изложена на 173 страницах машинописного текста с 78 иллюстрациями и 19 таблицами. Библиографический список включает 174 наименования. Приложение описано на22 страницах.Содержание работыВо введении обоснована актуальность темы, сформулирована цельисследования, научная новизна и практическая ценность работы, приведено краткое содержание работы по главам.В первой главе рассмотрены три главные проблемы:• математическое описание упругости резины при умеренных деформациях,• моделирование вязкоупругости резины при циклическом деформировании,• постановка и методы решения контактной задачи качения.В первом разделе рассмотрены как феноменологические соотношения упругости (Муни, Ривлин, Бидерман, Валанис-Ландел, Килиан, Огден,Свенсон, Йох), так и выражения, полученные на основе физического иструктурного представления о поведении материала (Трелоар, Присс, Генрих, Штраубе, Гельмис, Калиске).