Simulation of "body-suspension-wheel-soil" system using the finite element method

Full Text

Введение При проектировании колесной машины актуальными являются задачи определения па- раметров взаимодействия элементов в системе «кузов-подвеска-шина-грунт». Задачи возни- кают при анализе проходимости транспортного средства, оценке плавности его хода, иссле- довании эффективности движения и воздействия на окружающую среду, определении сил сопротивления движению. Решение этих задач позволяет выбирать оптимальные значения параметров агрегатов и узлов для различных транспортных средств, движущихся вне дорог. Комплексное представление системы «автомобиль-подвеска-шина-грунт» требует рассмотрения ряда самостоятельных вопросов, связанных с моделированием автомобильной пневматической шины, способами описания свойств грунта, отражением особенностей взаи- модействия колеса и грунта, учетом нелинейной реакции элементов системы подрессорива- ния, а также с другими факторами, влияющими на динамику автомобиля. Некоторые из этих вопросов в настоящее время изучены и проработаны не в полной мере, что создает трудности при разработке адекватных моделей движения колесной машины по деформируемому грун- ту. Можно констатировать, что на сегодняшний день отсутствуют общепризнанные, досто- верные и апробированные методики комплексного моделирования системы «автомобиль- подвеска-шина-грунт», обеспечивающие гарантированное решение стоящих перед проекти- ровщиком задач. Так, широко применяемые аналитические методы моделирования рассматриваемой си- стемы [2] исходно используют существенные упрощающие предположения, не позволяющие с достаточной точностью (соответствующей современным требованиям) выполнить оценку параметров взаимодействия колеса и грунта. Известные расчетные способы прогнозирования глубины колеи [1], создаваемой колесным движителем в различных грунтах, тоже дают весьма приблизительные результаты. Работы [4, 5] являются определенным развитием расчетных методов прогнозирования деформаций автомобильной пневматической шины на неровной, но абсолютно твердой опорной поверхности. К основным результатам работ следует отнести тщательно прорабо- танную методику конечно-элементного моделирования колеса с эластичной шиной. Особен- ности конструкции шины отражены в расчетной схеме с высокой степенью детализации. По- лученные данные об интегральных механических характеристиках шины при статическом и динамическом нагружении, предназначены для использования в динамических моделях ав- томобиля. В последующих работах [6, 7] изложены усовершенствованные способы моделирова- ния деформируемой шины, позволяющие точнее описать взаимодействие колеса с несущей поверхностью, которая уже может не быть абсолютно твердой. Появилась практическая воз- можность моделирования процессов образования колеи движущейся колесной машиной. Целью исследования, результаты которого приведены в данной статье, является разра- ботка обобщенной методики конечно-элементного моделирования системы «кузов-подвеска- шина-грунт» с одновременным отражением основных физико-механических свойств грунта, деформационных и диссипативных свойств автомобильной шины, нелинейной динамиче- ской реакции системы подрессоривания. Поэтому основная задача общего исследования: разработка алгоритма расчета глубины колеи при взаимодействии пневматического колеса с грунтом в динамической постановке. Описание свойств грунта базируется на результатах исследования [8]. Моделирование шины выполнено в соответствии с [7]. Общие положения Предлагаемая модель системы «автомобиль-подвеска-шина-грунт» может быть услов- но разделена на взаимодействующие между собой составные части, к которым отнесены: ку- зов автомобиля; детали и узлы системы подрессоривания; колесо с пневматической шиной; массив грунта, на который опирается колесо. В качестве объекта, иллюстрирующего применение предложенной методики, выбран автомобиль (ВАЗ-2123 Нива). Его кузов представлен абсолютно жесткой конструкцией, хотя в рамках разработанной методики это не является принципиальным ограничением. Методика допускает возможность учета податливости кузова (рамы, каркаса) транспортного средства. Метод конечных элементов, используемый в расчетах, в случае необходимости позволяет достаточно точно отразить упругие свойства несущей системы. На кузове выделены характерные точки, в которых крепятся опоры узлов подвески, размещаются сосредоточенные массы, имитирующие агрегаты автомобиля (двигатель, ко- робка передач и др.), производятся замеры расчетных перемещений и виброускорений (крес- ло водителя и др.). В модели автомобиля обеспечено соответствие реальному объекту значений его массы и координат центра тяжести. Из всех колес автомобиля максимально подробно смоделировано только одно. На нем предварительно определяют параметры взаимодействия с грунтом, которые затем переносят в модели остальных колес, представленные по эквивалентным упрощенным схемам с уменьшенным числом степеней свободы (порядка 30-40 вместо ~70 тысяч). За счет эконо- мии количества степеней свободы в упрощенных моделях обеспечивается возможность вы- сокой детализации конструкции одной из пневматических шин (группирования в ее модели основного количества неизвестных), что способствует наилучшим условиям сходимости ре- шения, достижению максимальной точности результатов, сокращению вычислительных за- трат. Подвеска автомобиля моделируется в соответствии со схемой геометрически и физиче- ски нелинейного динамического анализа. Элементы, имитирующие детали подвески (рычаги, шарнирные опоры, амортизаторы), имеют возможность совершать в пространстве переме- щения и повороты конечной величины. Амортизаторы могут иметь нелинейные силовые ха- рактеристики. Действующий на колесо автомобиля во время его движения крутящий момент в разра- ботанной модели приложен непосредственно к оси колеса. Жесткостные характеристики трансмиссии и динамические характеристики двигателя при этом не учитываются. Для рас- сматриваемых задач такое допущение существенным образом на результаты не влияет. Общий вид модели показан на рис. 1. Рассмотрено прямолинейное движение автомоби- ля по неровной деформируемой опорной поверхности. Скорость движения, свойства грунта, размеры и форма неровностей могут варьироваться в широких пределах. Расчетом опреде- ляюся: перемещения в системе подрессоривания, вертикальные ускорения в установленных точках кузова, глубина формируемой колеи, силы сопротивления движению. Рис. 1. Динамическая модель системы «кузов-подвеска-шина-грунт» Расчеты выполнены в программном комплексе Ansys / LS-Dyna [10], реализующем ме- тод конечных элементов в нелинейной динамической постановке. Далее отдельные элементы системы «автомобиль-подвеска-шина-грунт» рассмотрены подробнее. Кузов автомобиля В задачах оценки проходимости автомобиля в первом приближении допустимо не учи- тывать жесткость его несущей системы. Однако при решении других задач динамики авто- мобиля, в частности при оценке показателей плавности хода, модель кузова (рамы, каркаса) целесообразно разрабатывать с учетом реальных жесткостных характеристик, по возможно- сти точнее отражать конструкцию несущей системы, свойства материалов. Учет жесткости может быть важен и в других случаях, например, при моделировании диагонального выве- шивания автомобиля. Настоящее исследование ставит целью, в первую очередь, комплекс- ное изучение взаимодействие автомобиля с грунтом. Поэтому на данном этапе разработан- ные модели системы «кузов-подвеска-шина-грунт» ограничены представлением кузова в ви- де абсолютно жесткой конструкции. Подвеска Механизм подвески смоделирован как геометрически нелинейная система абсолютно твердых элементов, имитирующих рычаги, имеющих возможность совершать большие пе- ремещения и повороты в пространстве. На перемещения элементов наложены связи, отра- жающие шарнирные соединения между отдельными деталями подвески, а также упругие и диссипативные свойства амортизаторов (рис. 2). Подвеска уточненной модели колеса не содержит элемента 6, а само колесо крепится к узлам 5 так, чтобы координаты узлов на оси вращения были одинаковы (coincident nodes). При создании модели автомобиля обеспечено соответствие характеристик деталей под- вески и элементов, их имитирующих, по значениям массы, моментов инерции и положению центра тяжести. В модели подвески отражена ступица. Она представлена жесткими элементами, соеди- няющими характерные точки: центры шарниров на рычагах подвески, центр пятна контакта колеса с грунтом (самый нижний узел на рис. 2 для упрощенной модели колеса), а также две точки на оси вращения колеса. Узлы связанных элементов ступицы и рычагов допускают возможность поворота друг относительного друга, имитируют вращение колеса. При прямолинейном движении автомобиля моделировать рулевую систему не требует- ся. В шарнирах верхнего и нижнего рычагов установлены специальные упругие элементы с заданной крутильной жесткостью, позволившие исключить проворот ступицы в данном ре- жиме. Трение в шарнирах подвески учтено специальными элементами (с заданными свой- ствами трения), связывающими сопряженные узлы на рычагах подвески и в точках крепле- ния системы подвески на кузове. Подвеска смоделирована упругим и демпфирующим элементами с заданными нелинейными характеристиками жесткости (в виде кривой зависимости усилия на пружине

About the authors

V. A. Kurdyuk

Bauman Moscow State Technical University

Email: newmalina@yandex.ru

N. S. Volskaya

Bauman Moscow State Technical University

Email: volskaja52@mail.ru
Dr.Eng.

O. A. Rusanov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI)

Dr.Eng.

References

Supplementary files