Assessment of influence of considering the flexibility of the front loader frame on the emerging loads in the multibody system

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Задача, связанная с точным определением нагрузок, действующих на несущую систему при движении транспортного средства, возникает при необходимости проведения поверочных прочностных расчётов элементов системы. Для этого выполняется динамический анализ движения транспортных средств с использованием имитационных математических моделей [1, 2]. Для учёта множества деталей и пространственной кинематики исследование обычно реализуется с помощью программных комплексов автоматизированного анализа динамики систем твёрдых тел [3, 4]. При этом, система представляется в виде набора твёрдых тел, шарниров и силовых взаимодействий из библиотеки типовых элементов. Для уточнения динамических нагрузок используется технология комбинированного анализа динамики систем твёрдых тел и упрощённых конечно-элементных моделей методом Крэйга-Бэмптона [5–7]. В связи с этим, актуальной проблемой является оценка влияния учёта податливости элементов модели на получаемые динамические нагрузки в сравнении с моделями, составленными только из абсолютно твёрдых тел.

В данной работе обозначенная проблема изучается на примере динамической модели фронтального погрузчика (ФП) полной массой 14,5 тонн. Выбор модели ФП обусловлен тем, что передний и задний мосты крепятся к несущей системе жёстко, без системы подрессоривания, что позволяет оценивать влияние податливости элементов ФП путём сравнения вертикальных реакций, возникающих в пятне контакта колёс с опорной поверхностью.

ДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Звенья, входящие в динамическую модель ФП показаны на рис. 1.

 

Рис. 1. Общий вид динамической модели.

Fig. 1. Main view of the multibody model.

 

Для моделирования взаимодействия колеса с опорной поверхностью создаются элементы — шина и дорога [8, 9], которые присутствуют в библиотеке программы NX 2206 в приложении Motion. Шины имеют размерность 17,5–25. Коэффициент сцепления колёс с дорогой задаётся равным 0,8, коэффициент сопротивления движению равен 0,02. Деформация колёс учитывается в модели взаимодействия колеса с опорной поверхностью, реакции на колесо от опорной поверхности приложены в центре колеса. Колеса крепятся к мостам при помощи элемента — узел вращения. Передний мост и прочее оборудование погрузчика жёстко зафиксированы на несущей системе. Задний мост установлен на задней полураме с использованием элемента — узел вращения, поскольку крепление заднего моста на фронтальных погрузчиках осуществляется на балансире. Особенности крепления мостов к несущей системе ФП позволяют оценивать влияние податливости рамы на её нагруженность по силам, получаемым в пятне контакта колёс с опорной поверхностью.

Несущая система представляется, редуцированной модальным методом Крэйга-Бэмптона, конечно-элементной моделью [10, 11], импортированной из программного комплекса NX Nastran.

СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА МКЭ

Конечно-элементная модель рамы, показанная на рис. 2, состоит из элементов типа Tetra10, соединение навесного оборудования с рамой смоделировано RBE 2 элементами, соединение кабины с рамой RBE 3 элементами. Марка материала несущей системы: сталь 09Г2С. Характеристики стали приведены в таблице 1.

 

Рис. 2. Конечно-элементная модель и её параметры.

Fig. 2. The finite element model and its properties.

 

Таблица 1. Характеристики стали 09Г2С

Table 1. The 09G2S steel properties

Материал	Модуль упругости Е, МПа	Коэффициент Пуассона	Предел текучести Ϭт, МПа	Предел прочности, Ϭв, МПа
09Г2С ГОСТ 19282-73	200000	0,3	325	470

 

Конечно-элементная модель несущей системы фронтального погрузчика разработана с использованием решателя SOL 103 Flexible Body [12] для последующей интеграции в динамическую модель и исследования влияния податливости рамы на возникающие динамические нагрузки.

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ УЧЕТА ПОДАТЛИВОСТИ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ НА ЕЕ ДИНАМИЧЕСКУЮ НАГРУЖЕННОСТЬ

Для анализа влияния учёта податливости несущей системы на её нагруженность проводилось моделирование движения для следующих режимов:

• въезд в горку под углом. В момент въезда в горку под углом ФП испытывает кососимметричные нагрузки на несущую систему;
• въезд в горку под прямым углом. В момент заезда в горку возникают симметричные нагрузки, действующие на несущую систему;
• переезд препятствия;
• движение в повороте.

На рис. 3–6 изображены графики реакций в пятне контакта колёс с опорной поверхностью, полученных в результате проведения моделирования нагрузочных режимов с применением рамы в виде абсолютно твёрдого тела и податливого тела.

 

Рис. 3. Въезд в горку под углом.

Fig. 3. Uphill ride at the angle to a hill.

 

Рис. 4. Въезд в горку под прямым углом.

Fig. 4. Uphill ride normal to a hill.

 

Рис. 5. Переезд препятствия.

Fig. 5. Ride through an obstacle.

 

Рис. 6. Движение в повороте.

Fig 6. Cornering.

 

В таблице 2 указаны значения реакций в пятнах контакта колёс с опорной поверхностью в моменты времени изменения характера взаимодействия с опорной поверхностью t1, t2, t3, t4.

 

Таблица 2. Результаты моделирования

Table 2. Simulation results

Въезд в горку под углом
Жёсткая рама					Податливая рама				Изменение сил в %
N1	86,2	40,5	30,2	27,5	85,9	44,1	29,3	26,0	0,4	8,7	2,9	5,5
N2	12,5	11,8	57,4	16,4	12,4	9,5	56,3	15,5	1,5	19,8	1,9	5,2
N3	45,6	86,4	44,3	44,2	46,3	89,2	47,0	46,3	1,5	3,3	6,1	4,7
N4	13,2	19,7	21,6	62,6	13,0	17,8	21,7	63,1	1,2	9,9	0,2	0,8
Въезд в горку под прямым углом
N1	92,6	91,0	37,3	36,9	92,6	88,4	37,4	37,4	0,0	2,8	0,1	1,4
N2	20,3	19,8	73,5	64,0	20,3	20,2	73,4	64,4	0,4	1,8	0,1	0,6
N3	47,9	93,3	37,5	36,3	48,0	92,5	37,6	37,7	0,2	0,8	0,2	3,9
N4	21,0	20,4	29,7	80,2	20,9	20,8	29,5	79,4	0,3	2,2	0,6	1,0
Переезд препятствия
N1	127,8	44,2	55,4	42,3	127,5	45,2	57,1	42,2	0,3	2,3	3,1	0,3
N2	20,3	15,2	106,1	19,8	20,3	15,2	103,5	19,9	0,4	0,1	2,4	0,5
N3	47,9	71,3	59,6	41,1	48,0	73,7	61,7	40,6	0,2	3,4	3,7	1,2
N4	21,0	12,2	16,6	27,3	20,9	12,2	16,1	27,2	0,4	0,4	3,4	0,4
Движение в повороте
N1	46,5	42,8	40,8	—	46,6	42,8	40,8	—	0,18	0,01	0,06	—
N2	21,5	13,4	15,3	—	21,4	13,4	15,2	—	0,39	0,56	0,65	—
N3	46,7	52,6	55,2	—	46,8	52,9	55,6	—	0,21	0,55	0,61	—
N4	22,1	28,3	25,6	—	22,0	28,1	25,5	—	0,37	0,78	0,35	—
t	t1	t2	t3	t4	t1	t2	t3	t4	t1	t2	t3	t4

 

N1 — реакция в пятне контакта переднего левого колеса, кН, N2 — реакция в пятне контакта заднего левого колеса, кН; N3 — реакция в пятне контакта переднего правого колеса, кН; N4 — реакция в пятне контакта заднего правого колеса, кН.

В результате моделирования процесса въезда погрузчика в горку под углом определено, что при контакте правого переднего колеса с наклонной плоскостью реакция в пятне контакта левого заднего колеса N2 снижается на 19,8% из-за перераспределения сил на колёсах, вызванного деформациями несущей системы. На заднем правом колесе реакция в пятне контакта N4 снизилась на 9,9%, в то время как реакции в пятне контакта левого N1 и правого N3 передних колёс увеличились на 8% и 3,2% соответственно.

При заезде задних колёс в горку происходит уменьшение реакций в пятне контакта на левом борту на 5%. Перераспределение нагрузок вызвано деформациями передней полурамы и как следствие смещением центра масс погрузчика в сторону левого борта.

По результатам моделирования въезда в горку под прямым углом из таблицы 2 видно, что изменения реакций в пятне контакта на колёсах не значительно и не превышают 4%. При моделировании переезда препятствия изменения нормальных реакций на колёсах также не превышают 4%.

Моделирование движения в повороте показывает, что изменений реакций в пятне контакта каждого колеса с опорной поверхностью практически нет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведённое исследование позволяет сделать следующие выводы:

1. В случаях податливой и абсолютно жёсткой несущих систем разница при определении нагрузок, действующих на конструкцию, может достигать 20% для кососимметричных режимов нагружения (въезд в горку под углом).
2. В отношении симметричных режимов нагружения, различие в силах, действующих на податливую и абсолютно жёсткую несущие системы, составляет не более 4%.
3. На этапе поверочных прочностных расчётов необходимо учитывать податливость тел для получения уточнённых результатов нагрузок, действующих на конструкцию при динамическом моделировании.
4. Учёт податливости тел методом Крейга-Бэмптона при динамическом моделировании транспортного средства позволяет более точно определять возникающие нагрузки в системах и выявлять потенциально опасные участки в процессе проектирования.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов. П.С. Рубанов ― поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи; Р.Б. Гончаров ― редактирование текста рукописи, создание изображений; Г.И. Скотников ― редактирование текста рукописи; В.А. Горелов ― редактирование текста рукописи, экспертная оценка; В.С. Григорьев ― экспертная оценка, утверждение финальной версии. Авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Исследования выполнены Чебоксарским государственным университетом им. И.Н. Ульянова по договору № 517-21 от 22 апреля 2021 г. при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках реализации комплексного проекта по теме «Создание высокотехнологичного импортозамещающего производства семейства фронтальных погрузчиков с гибридным электроприводом» Соглашения № 075-11-2021-051 от 24 июня 2021 г.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. P.S. Rubanov ― search for publications on the topic of the article, writing the text of the manuscript; R.B. Goncharov ― editing the text of the manuscript, creating images; G.I. Skotnikov ― editing the text of the manuscript; V.A. Gorelov ― editing the text of the manuscript, expert opinion; V.S. Grigoriev ― expert opinion, approval of the final version. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work, final approval of the version to be published and agree to be accountable for all aspects of the work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. The research was carried out by the Chuvash State Agrarian University named after I.N. Ulyanov under Contract No. 517-21 dated April 22, 2021 with the financial support of the Ministry of Education and Science of Russia as part of the implementation of a comprehensive project on the topic “Creation of a high-tech import-substituting production of a family of front-end loaders with hybrid electric drive” Agreement No. 075-11-2021-051 dated June 24, 2021.

About the authors

Pavel S. Rubanov

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: rubanov_ps@bk.ru
ORCID iD: 0009-0000-2055-2046

student of the Wheeled Vehicles Department

Russian Federation, Moscow

Roman B. Goncharov

Bauman Moscow State Technical University

Email: goncharov.roman@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0003-4805-967X
SPIN-code: 1180-9530
Scopus Author ID: 816252

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the of the Wheeled Vehicles Department

Russian Federation, Moscow

Gleb I. Skotnikov

Bauman Moscow State Technical University

Email: skotnikovg@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0003-3162-5356
SPIN-code: 5025-1660

Cand. Sci. (Tech.), Assistant of the Wheeled Vehicles Department

Russian Federation, Moscow

Vasily A. Gorelov

Bauman Moscow State Technical University

Email: gorelov_va@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-2171-6302
SPIN-code: 1455-9984

Professor, Dr Sci. (Tech.), Head of the Multipurpose Tracked Vehicles and Mobile Robots Department

Russian Federation, Moscow

Vladimir S. Grigoriev

Chuvash State Agrarian University named after I.N. Ulyanov

Email: wsgrig@chuvsu.ru
ORCID iD: 0000-0003-3437-9541
SPIN-code: 4989-7923

Head of Cheboksary Engineering Center of Transport and Agricultural Engineering

Russian Federation, Cheboksary

References

Supplementary files