Автореферат (1025302), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Анализируется ряд исследовательских работ, в результате этоговыделены преимущества и недостатки композитных пружин. Рассмотреныразличные технологии изготовления цилиндрических витых пружин из ПКМ,которые характеризуются следующим порядком:1) формирование прутка из ПКМ различными способами;2) навивание прутка в неотвержденном состоянии на специальную оправку;3) процесс полимеризации;4) готовое изделие, демонтаж пружины с оправки.В настоящее время одним из наиболее перспективных ПКМ с точки зрениясоотношения механических свойств и себестоимости является стеклопластик,поэтому в работе рассматриваются именно стеклопластиковые витыецилиндрическиепружины.Определеныосновныепреимуществастеклопластиковых пружин перед стальными: обеспечение больших ходовподвески при тех же значениях напряжений, уменьшение свободной длиныпружины при неизменном ходе, высокая удельная прочность, отсутствиекоррозии при защите поверхностного слоя от механического воздействия,наличие вибро- и шумоизолирующих свойств, возможность установки на местостальной пружины, возможность получения сложных форм и нагрузочныххарактеристик, наличие демпфирующих свойств.
Особенность композитовпроявляется в вязкоупругом гистерезисном демпфировании, возникающем вслоях композита.Известны работы ученых, которые занимают важную роль в развитиипрактической реологии: Больцмана, Максвелла, Кельвина, Фойхта, а такжеработы соверменных ученых А.А. Ильюшина и Б.Е. Победри, Ю.Н.
Работнова,В.В. Москвитина, Д. Р. Бренда, А.Ю. Ишлинского, Г.Л. Слонимского,М.И. Розовского, В.Г. Гоголадзе, А.Н. Герасимова, В.В. Учайкина,3И.З. Даштиева, Н.Н. Староверова, а также работы научных школ МГТУ им. Н.Э.Баумана, ОАО «ЦНИИСМ», АМО ЗИЛ и др.Рассмотрены основные модели, которые могут быть использованы дляописания вязкоупругих свойств материала. В основном это механическиемодели, составленные из упругого элемента и вязкого элемента: модельМаксвелла, модель Кельвина-Фойгта, модель Зенера (стандартного линейноготела), четырехпараметрическая модель и др.Существуют более сложные модели, которые дают достаточно точныйколичественный результат, однако они обладают недостаточной адекватностьюс точки зрения качества модели или имеют большое число слагаемых, поэтомудля качественного описания вязкоупругого поведения материала используетсяаппарат дробных производных.Этот подход, используемый для описания рассматриваемых моделей, былпредложен следующими исследователями: Скоттом–Блэром, Р.Л.
Бэгли иП. Дж. Торвиком, Р. Горенфло и Ф. Майнарди, Фридрихом и Шисселем,Блюменом и Метнлером, Нонненмейкером и Глеклем, Клафтером иШлесингером, Н.Н. Староверовым и др.За основу была взята модель стандартного линейного тела, дробнодифференциальное обобщение которой имеет вид: (t ) 0 Dt (t ) E (t ) 0 Dt (t ) , 0 < α < 1,где a Dx f (x) – дробная производная функции x(t ) ; (t ) – напряжения; (t ) –деформации; E – модуль упругости; , , – вязкоупругие параметры модели.Эта эмпирическая модель, позволяет наиболее точно описать поведениереальных объектов.Рассмотрены существующие способы обобщения понятия дробнойпроизводной: производная Римана-Лиувилля, производная Капуто, производнаяМаршо, производная Грюнвальда-Летникова.
В главе приводится принципрешения задач вязкоупругости, предложенный Вольтерра.В главе рассмотрен способ нахождения упругих характеристик материаластеклопластиковой пружины с учетом структурных особенностей материала.Приводится сравнение массовых и геометрических параметров стальной икомпозитной пружин одинаковой жесткости для КМ с нагрузкой на ось 10,5тонн. В результате чего, установлено, что снижение массы в результатеиспользования стеклопластиковой пружины достигает 80%, например, дляпружин ведущего моста МЗКТ 6001.Установлен факт наличия тенденций к росту использования деталей изПКМ в системах подрессоривания КМ.На основе проведенного теоретического обзора формулируются задачи,которые решаются в последующих главах.Во второй главе разрабатывается математическая модель упругого элементаиз ПКМ системы подрессоривания КМ.
Для этого выбирается объектисследования – упругий элемент в виде витой пружины подвески квадроциклаBRP Can-Am Outlander 800R X-MR EFI, который представляет собой стальную4витую цилиндрическую пружину. Предлагается модернизация системыподрессоривания путем замены стальной пружины на пружину, выполненную сприменением ПКМ. Для этого в главе ставится задача разработатьконструктивный и технологический облик композитной пружины, кроме этого,необходимо разработать метод расчета упругой характеристики пружин из ПКМс учетом нагрузочных режимов, соответствующих движению КМ по дорогамразличного профиля.В работе подробно описывается процесс изготовления пружины методомнамотки. Окончательный свой вид пружина приобретает после полимеризациисвязующего.
Общий вид готовой композитной пружины, установленной наамортизатор, изображен на Рис. 1.Рис. 1. Композитная пружина в сборе с амортизаторомПри проектировании пружины из ПКМ необходимо выполнить расчетконструктивных параметров, что является сложной инженерной задачей,связанной с анизотропностью свойств материала, армированного непрерывныминитями под заданным углом.
Основные трудности заключаются в учетеособенностей структуры материала, а именно: количества слоев армирующегоматериала и направления армирования. Колиичество слоев армирующегоматериала и направление армирования определяют упругие свойства пружины.Пруток пружины растяжения-сжатия работает на кручение, поэтому длядальнейшего расчета конструктивных параметров композитной пружинынеобходимо определить модуль сдвига G композиционного материала пруткапружины при кручении.Установлено, что периферийно расположенные слои прутка пружиныпредставляют собой симметрично армированный слой, который состоит из двуходнонаправленных слоев композита, вместе два симметрично расположенныхармированных слоя можно представить одним ортотропным слоем.Характеристики однонаправленного слоя определяются по правилу смеси.
Вработе используются характеристики связующего – эпоксидной смолы ЭДТ-10и армирующего материала – стеклоровинга ЕС9 136.Для определения упругих характеристик ортотропного слоя, армированногопод угломи ±45° к направлению нагружения, вначале определяются упругиепараметры материала этого слоя в системе координат, оси которой совпадают снаправлением армирования, а затем упругие параметры материалапересчитываются для новой системы координат, связанной с направлениемнагружения.Для определения модуля сдвига композиционного материала пруткапружины используется программный комплекс конечно-элементного анализаAltair HyperWorks, который также позволяет проводить оценку прочностиконструкции путем использования критериев разрушения композиционногоматериала.
На Рис. 2,а изображена конечно-элементная модель одногопоперечного сечения прутка композитной пружины, созданная в программном5комплексе Altair HyperWorks. КЭ модель поперечного сечения разделена на двеобласти: сердечник и периферийные слои пружины.Каждое сечение стержня идентично сечению, изображенному на Рис. 2,а иимеет одинаковую ориентацию осей координат конечных элементов. Один конецстержня жестко закреплен по всем степеням свободы, а к другому концуприкладывается крутящий момент.
В результате получены значенияперемещений прутка пружины по длине стержня, диаграмма результатаизображена на Рис. 2,б. Модуль сдвига композиционного материала прутка G,вычисленный методом конечных элементов составляет 8,56 ГПа. Дляверификацииупругиххарактеристикматериалабылизготовленстеклопластиковый стержень длиной 130мм. Стержень был испытан на кручениеи определен модуль сдвига G cт материала, который составляет 9,72 ГПа.Модуль сдвига композиционного материала прутка G cт , вычисленный методомконечных элементов составляет 8,56 ГПа. Относительная погрешность сэкспериментом составила 13,5%. Таким образом, упругие параметры материала,заданные матрицей жесткости считаются верифицированными.а)б)Рис.
2. К определению модуля сдвига стержня: а) – фрагмент конечноэлементной модели сечения пружины; б) – перемещения стержня принагружении моментомВ главе вводятся допущения, используемые при разработке математическоймодели пружины, выполненной с применением ПКМ:- пружина рассматривается как пространственно-изогнутый стержень,осевая линия которого представляет собой спираль;- угол подъема винтовой линии пружины считается малым, поэтомуизгибными напряжениями в витке пружины можно пренебречь, а,следовательно, и осевым перемещением тоже;- при определении перемещений и напряжений опорные виткиисключаются из рассмотрения;- матрица материала пружины одинаково ведет себя при растяжении исжатии;- для сечений витков композитной пружины справедлива гипотеза плоскихсечений Эйлера-Бернулли;- объемная деформация материала не учитывается, модуль упругости впродольном направлении значительно больше модуля упругости в поперечномнаправлении;- изгиба оси пружины не происходит;6- внешний и внутренний диаметр пружины при ее работе остаетсяпостоянным.В основе математической модели пружины из ПКМ лежит уравнениенапряженно-деформированного состояния пружины из изотропного материалабез учета его вязкоупругих свойств.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
