CAE Fidesys 9.0 Руководство пользователя

Моделирование движения механической системы, состоящей из деформируемых упругих тел

Источник - Бойков В.Г., Гаганов И.В., Файзуллин Ф.Р., Юдаков А.А. Моделирование движения механической системы, состоящей из деформируемых упругих тел, путем интеграции двух пакетов: Euler и Fidesys// Чебышевский сборник, 2001. - Т. 18, вып. 3. - С. 131-153.

Модель автомобиля КАМАЗ-5308 состоит из агрегата Несущий модуль, включающего в себя агрегаты: Рама Упругая, Груз, Кабина, Моторно-трансмиссионная установка, Навеска, Опорно-ходовой модуль и Рулевое управление. Часть геометрии модели создана в программе NX. Изображение модели с упругой рамой приведено на Рис. 1.

Расчетные схемы передней и задней подвески показаны на Рис. 2 и Рис. 3. В моделях подвесок приняты следующие допущения:

• Мост и рычаги моста считаются абсолютно жесткими;

• Деформации и трение в шарнирах подвески отсутствуют.

В автомобиле КАМАЗ-5308 используется система рулевого управления, поворачивающая колеса одной оси при помощи неразрезной трапеции и рулевого механизма с вращательным перемещением выходного звена. Схема модели приведена на Рис. 4.

Конечно-элементная модель несущего модуля автомобиля КАМАЗ-5308

Конечно-элементная модель несущего модуля автомобиля КАМАЗ-5308 состоит из следующих элементов:

 Рама изделия

Рис. 1 Вид модели автомобиля КАМАЗ-5308 с включенной КЭ моделью рамы

Рис. 2 Схема модели передней подвески: 1 - базовое звено; 2 - упругодемпфирующий элемент; 3 – продольный рычаг; 4 – стабилизатор; 5 – мост; 6 – колесо; 7 – цапфа

Платформа изделия

При моделировании были сделаны следующие допущения:

• Дополнительные навески на раму и на платформу, деревянный настил платформы считаются значительно менее жесткими, чем основная конструкция;

• Не учитываются радиусы скругления;

• Кронштейны крепления подвески, кабины считаются очень жесткими по сравнению с самой конструкцией;

• Не учитываются технологические отверстия.

Рис. 3 Схема модели задней подвески: 1– базовое звено; 2 – упругодемпфирующий элемент; 3 – продольный рычаг; 4 – стабилизатор; 5 – мост; 6 – колесо; 7 – дополнительный продольный рычаг

Рис. 4 Схема модели рулевого управления: 1 – тяга продольная; 2 – сошка; 3 – тяга поперечная; 4 – рулевая колонка

В модели используется система измерений СИ. Модель состоит из 5415 четырехузловых оболочечных элементов типа CQUAD4. Материал (сталь) задан модулем Юнга, коэффициентом Пуассона и плотностью.

В качестве интерфейсных для динамической редукции указаны 26 узлов. Они соответствуют местам крепления к раме остальной конструкции автомобиля – подвески, груза и кабины.

Общий вид модели показан на Рис. 5.

Вычисление собственных и статических форм с помощью ПК Fidesys

Рис. 5 Общий вид модели открытой в Fidesys

Процесс начинается с загрузки модели в Fidesys. Fidesys поддерживает множество форматов, а также возможность создания самой модели в Fidesys. При наличии готовой модели, после её загрузки, необходимо лишь выбрать интерфейсные узлы.

В следующей реализации связки, при наличии готовой модели, необязательно запускать интерфейс Fidesys. Планируется, что пользователь сможет запустить расчёт из интерфейса Euler. Таким образом, при изучении данной технологии пользователю нет необходимости разбираться в интерфейсах двух программ одновременно.

Алгоритм автоматически выполнит втягивание модели в Fidesys и все необходимые расчёты.

Необходимо определить количество степеней свободы у интерфейсных узлов. В нашем примере модель полностью состоит из двумерных деталей и соответственно всего степеней свободы будет 26 · 6 = 156. Следуя алгоритму Крейга-Бэмптона необходимо сделать 156 расчётов на статику, где каждый расчёт представляет собой следующее – все интерфейсные узлы полностью закреплены, кроме одного; у этого узла производится единичное смещение по одной из степеней свободы, но по оставшимся степеням свободы узел будет так же полностью закреплён.

Один отдельный расчёт на собственные частоты на модели, где все интерфейсные узлы зафиксированы.

Отдельно происходит выгрузка геометрии модели, матриц масс и жёсткости.

При наличии жёстких связей, матрицы сокращаются на строки соответствующие зависимым степеням свободы.

Для передач разреженных матриц был выбран формат .HB.

Для передачи собственных и статических форм был разработан специальный формат .cbm.

В итоге мы получаем 4 файла:

M_CCS.hb и K_CCS.hb – матрицы масс и жёсткости соответственно. geometry.vtk – файл с геометрией модели. forms.cbm – файл с собственными и статическими формами.

В случае наличия жёстких связей информация о них помещается в vtk файл.

В случае нашего примера все файлы суммарно занимают около 102 мегабайт.

Все эти файлы считываются EULER.

В расчете динамики используется 10 первых собственных форм упругого тела.

Рис. 6 Собственные формы, используемые в расчете динамики

Испытание «Переставка»

Модель предназначена для определения максимальной скорости маневра при смене полосы движения на ограниченном участке пути, при которой не происходит отрыва колес от дороги или выхода КМ за пределы габаритного коридора. Данный тип испытания регламентируется ГОСТ Р 52302-2004.

Рис. 7 Внешний вид модели

В процессе расчета управление машиной осуществляется при помощи системы управления с обратной связью. Для моделирования испытания используется размеченный коридор, показанный на Рис. 8. Параметры сцепления полигона задаются пользователем.

Рис. 8 Разметка участка модели испытаний “переставка”

КМ сообщается начальная скорость V_x0 движения на участке 1 размеченного коридора. Данная скорость по желанию пользователя может поддерживаться на протяжении всего испытания при помощи регулятора скорости.

На участке 1 размеченного коридора рулевое колесо удерживается в нейтральном положении.

С момента пересечения точкой в середине первой оси КМ границы между участками 1 и 2 начинается работа алгоритма управления, описанного выше.

На участке 3 рулевое колесо удерживается в нейтральном положении.

На всех участках выход КМ за пределы размеченного коридора отслеживается по положению специальных габаритных точек, закрепленных на раме КМ вдоль обоих бортов. Габаритные точки располагаются в районе каждой оси КМ на высоте центров колес и на расстоянии половины заданной габаритной ширины КМ от его продольной плоскости.

Отрыв колес от дороги отслеживается по датчикам прогиба шин.

Завершение заезда производится автоматически после прохождения КМ расстояния ( S₀+4S₂)1,2. Если начальная скорость V_x0 КМ меньше или равна 0,1 м/c, заезд завершается через 10 с модельного времени.

Результаты тестовых расчетов

Для тестирования работы упругих звеньев и влияния учета упругости звеньев на результаты расчетов для автомобиля КАМАЗ-5308 проведены расчеты испытаний «Переставка» для случаев с жесткой и с упругой рамой. Испытание проводилось на скорости автомобиля 30 км/ч и 55 км/ч. Длина участка переставки – 20 м.

На Рис. 9 – Рис. 11 показаны результаты испытания «Переставка» на скорости 30 км/ч (черные линии – упругая рама, красные линии – жесткая рама). Также для рамы получены значения упругих перемещений (не учитывающие перемещения рамы как единого целого). Наибольшие упругие перемещения испытывает передняя часть рамы, максимальное значение – 11 мм.

На Рис. 12 – Рис. 14 показаны результаты испытания «Переставка» на скорости 55 км/ч (черные линии – упругая рама, красные линии – жесткая рама). Для рамы получены значения упругих перемещений (не учитывающие перемещения рамы как единого целого). Наибольшие упругие перемещения испытывает передняя часть рамы, максимальное значение – 21 мм.

В данной статье  МКЭ-модели был использован для учета влияния динамики движения автомобиля в целом на напряженно-деформированное состояние рамы.

Таким образом, МКЭ-модель, подготовленная в ПК Fidesys, может быть втянута в ПК EULER и рассчитана в составе многокомпонентной механической системы в рамках классического метода конечных элементов и с использованием редукции методом Крейга-Бэмптона. Для демонстрации произведен расчет динамики модели на примере испытания "Переставка" для автомобиля КАМАЗ-5308 с упругой рамой.

Рис. 9 Боковое ускорение для жесткой и упругой рамы на скорости испытания 30 км/ч

Рис.10 Угол поворота руля для жесткой и упругой рамы на скорости испытания 30 км/ч

Рис. 11 Угол поперечного крена для жесткой и упругой рамы на скорости испытания 30 км/ч

Рис. 12 Боковое ускорение для жесткой и упругой рамы на скорости испытания 55 км/ч

Рис. 13 Угол поворота руля для жесткой и упругой рамы на скорости испытания 55 км/ч

Рис. 14 Угол поперечного крена для жесткой и упругой рамы на скорости испытания 55 км/ч