Топологическая оптимизация силовой конструкции каркаса безопасности
- Авторы: Жителев Д.А.1, Поздняков Т.Д.1, Сулегин Д.А.1
-
Учреждения:
- Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
- Выпуск: Том 17, № 2 (2023)
- Страницы: 179-186
- Раздел: Транспортные и транспортно-технологические комплексы
- URL: https://journals.eco-vector.com/2074-0530/article/view/260838
- DOI: https://doi.org/10.17816/2074-0530-260838
- ID: 260838
Цитировать
Полный текст
![Открытый доступ](https://journals.eco-vector.com/lib/pkp/templates/images/icons/text_open.png)
![Доступ закрыт](https://journals.eco-vector.com/lib/pkp/templates/images/icons/text_unlock.png)
![Доступ закрыт](https://journals.eco-vector.com/lib/pkp/templates/images/icons/text_lock.png)
Аннотация
Обоснование. Проведённое раннее исследование напряжённо-деформированного состояния каркаса безопасности, спроектированного в соответствии с требованиями Российской автомобильной федерацией (РАФ), показало, что конструкция не обеспечивает требования по деформации при боковом воздействии. Следовательно, исходная конструкция требует дополнительной проработки с применением современных подходов к проектированию.
Цель. В данной статье рассматривался вопрос поиска оптимальной конструкции каркаса безопасности гоночного автомобиля на базе топологической оптимизации с целью обеспечения требований по жёсткости при минимизации массы.
Методы. Для реализации метода топологической оптимизации проведено математическое моделирование при помощи модуля Structural Optimization программного комплекса Ansys. Для проверки эффективности оптимизированной конструкции были выбраны испытания, регламентированные РАФ. Для оценки результатов сравнивались результаты моделирования испытаний до и после оптимизации.
Результаты. Масса оптимизированной конструкции уменьшилась на 6% относительно исходной. При испытаниях на главной и передней дуге жёсткость конструкции сохранилась. При испытании с боковой нагрузкой главной дуги деформации оптимизированной конструкции уменьшились на 98%.
Выводы. Результаты моделирования регламентированных РАФ испытаний показали, что конструкция каркаса безопасности, разработанная на основе карты псевдоплотностей материала, полученной в результате топологической оптимизации, соответствует требованиям по допускаемой деформации. Дальнейшее исследование НДС каркаса безопасности должно проводиться совместно с конечноэлементной моделью автомобиля для учёта нагрузок, возникающих в результате деформации кузова.
Полный текст
Введение
Каркас безопасности является неотъемлемой частью любого гоночного автомобиля, обеспечивающей пассивную безопасность экипажа. Требования к конфигурации каркасов и материалу регламентированы РАФ [1]. В некоторых случаях конструкция может быть изменена и вовсе отличаться от требований РАФ, при этом для допуска автомобиля к соревнованиям требуется дополнительная омологация, то есть производитель обязан предоставить расчёты прочности конструкции, либо результаты испытаний, подтверждающих работоспособность каркаса. Данное условие позволяет проводить дополнительные исследования с целью получения более жёсткой и лёгкой конструкции. В предыдущей работе было выявлено, что при боковом испытании главной дуги каркаса безопасности деформации превышают установленный РАФ допуск [2]. Вследствие этого данное исследование должно быть, в первую очередь, направлено на устранение существующих недостатков, при этом масса конструкции должна быть сохранена или уменьшена. Таким образом, для доработки существующей конструкции необходимо провести топологическую оптимизацию исходной конструкции каркаса безопасности. В работе Д.А. Сулегина в результате топологической оптимизации усиления крыши легкового автомобиля получена конструкция, обеспечивающая прирост энергоёмкости при боковом ударе на 6,99% [3]. В работе В.Н. Зузова с помощью топологической оптимизации были рационально расставлены усиливающие элементы в задней стенке кабины грузового автомобиля, тем самым удалось уменьшить перемещения нагружающего элемента при испытании пассивной безопасности на 47% [4]. В работе Р.Б. Гончарова было достигнуто снижение массы бампера легкового автомобиля на 20% при сохранении параметров жёсткости и энергоёмкости с помощью топологической оптимизации [5].
Цель исследования
Цель работы заключается в повышении жёсткости конструкции каркаса безопасности за счёт разработки новой схемы расположения усиливающих элементов на базе топологической оптимизации.
Топологическая оптимизация конструкции каркаса безопасности
Результат предыдущего исследования показывает, что при боковом воздействии деформации главной дуги превышают установленные допуски (рис. 1) [2].
Рис. 1. Деформированное состояние при горизонтальном испытании главной дуги.
Fig. 1. Deformed state with horizontal loading of the main rollbar.
Как видно из рисунка, в зоне приложения нагрузки, где возникли наибольшие деформации, отсутствуют поперечные элементы, которые могли бы «принять на себя» силу. В табл. 1 представлены результаты исследования, проведённого в соответствии с требованиями РАФ.
Таблица 1. Результаты моделирования испытаний каркаса безопасности
Table 1. Safety cage test simulation results
| Максимальные напряжения, МПа | Максимальные деформации, мм | Допускаемые деформации, мм |
Испытание на передней дуге | 311,8 | 4,34 | 100 |
Испытание на главной дуге | 276,4 | 1,06 | 50 |
Горизонтальное нагружение главной дуги | 452,9 | 102,2 | 50 |
Отсюда видно, что структура каркаса показывает хорошие результаты при вертикальных испытаниях, следовательно, основная структура каркаса может остаться прежней.
Топологическая оптимизация позволяет получить карты псевдоплотностей материала, по которым может быть получена схема расстановки усиливающих элементов конструкции. Программный комплекс Ansys обладает модулем Structural Optimization, который реализует метод топологической оптимизации. Для выполнения топологической оптимизации необходимо задать массив материала и определить оптимизируемую часть, сформировать расчётную модель, определить целевую функцию, задать ограничения [3].
В качестве массива материала использовалась созданная по исходной [2] стержневой модели (рис. 2) поверхностная модель (рис. 3).
Рис. 2. Стержневая модель.
Fig. 2. The beam model.
Рис. 3. Поверхностная модель.
Fig. 3. The surface model.
Граничными условиями являлись: фиксация в шести точках опор B (рис. 3); нагрузка вертикальная, распределённая на главную дугу А, рассчитанная в соответствии с требованиями РАФ; нагрузка на переднюю дугу D; горизонтальная нагрузка на главную дугу С. Подробный расчёт нагрузки представлен в предыдущей работе [2]. Из области оптимизации исключены ребра, повторяющие расположение основной структуры каркаса (главной дуги и двух боковых полудуг).
Целевой функцией являлась максимизация жёсткости, ограничением — остаточная масса, равная 5% от исходной. Результат оптимизации представлен на рис. 4.
Рис. 4. Результат топологической оптимизации.
Fig. 4. The result of topological optimization.
В результате оптимизации получена карта псевдоплотностей материала, в соответствии с которой была создана модель, показанная на рис. 5, со следующими параметрами: сечение главной и боковых дуг изменено с 45×2,5 мм на 40×2,5 мм, дополнительных элементов — с 40×2 мм на 35×2 мм; некоторые дополнительные элементы в плоскости главной дуги выполнены из труб сечением 35×1,5 мм.
Рис. 5. Каркас безопасности по результатам оптимизации.
Fig. 5. The safety cage based on optimization results.
Получившаяся конструкция легче исходной на 4 кг (63,727 кг и 67,646 кг).
Анализ напряженно-деформированных состояний (НДС) оптимизированного каркаса безопасности
КЭМ была разработана в соответствии с принципами, изложенными в работах [6–12]. Выбран размер конечного элемента (КЭ) равный 7 мм, что характерно для моделей среднего уровня [13]. Количество элементов — 86677. Сетка КЭ смоделирована преимущественно четырёхузловыми оболочечными элементами типа Белычко-Лина-Цая. КЭМ представлена на рис. 6.
Рис. 6. КЭМ каркаса безопасности.
Fig. 6. The finite element model of the safety cage.
Материал труб — сталь 20. При испытаниях каркаса безопасности данный материал работает в зоне пластических деформаций, в виду этого необходимо учитывать физическую нелинейность свойств. Подробное описание модели материала представлено в предыдущей работе [2].
Характеристики для стали 20 представлены в табл. 2.
Таблица 2. Характеристики материала
Table 2. Material properties
| Сталь 20 |
Плотность, кг/м3 | 7859 |
Коэффициент Пуассона | 0,3 |
Модуль Юнга, ГПа | 213 |
Предел текучести, МПа | 245 |
Предел прочности, МПа | 412 |
Относительное удлинение, % | 21 |
Также задана кусочно-линейная диаграмма зависимости между напряжением и деформацией для стали 20 (Et=1044 МПа) (рис. 7).
Рис. 7. Билинейная характеристика стали 20.
Fig. 7. The steel 20 bilinear characteristic.
В результате моделирования испытаний получена картина деформированного состояния, представленная на рис. 8, 9, 10.
Рис. 8. Деформированное состояние при испытании на главной дуге.
Fig. 8. Deformed state with loading at the main rollbar.
Рис. 9. Деформированное состояние при испытании на передней дуге.
Fig. 9. Deformed state with loading at the front rollbar.
Рис. 10. Деформированное состояние при горизонтальном испытании главной дуги.
Fig. 10. Deformed state with horizontal loading at the main rollbar.
При испытании на главной дуге (рис. 9) деформация перешла на V-образные распорки, смоделированные в результате топологической оптимизации.
При испытании на передней дуге наибольшая деформация возникла в месте приложения нагрузки. Произошло смятие трубы в сечении.
При горизонтальном испытании главной дуги наибольшая деформация возникла в месте соединения упорной трубы сечением 35×1,5 мм с V-образной распоркой. Результаты моделирования представлены в табл. 3.
Таблица 3. Результаты моделирования испытаний каркаса безопасности
Table 3. Safety cage test simulation results
| Максимальные напряжения, МПа | Максимальные деформации, мм | Допускаемые деформации, мм |
Испытание на передней дуге | 296,8 | 4,23 | 100 |
Испытание на главной дуге | 240,3 | 1,29 | 50 |
Горизонтальное нагружение главной дуги | 255,9 | 1,43 | 50 |
Из результатов, приведённых в таблице видно, что первые два испытания прошли почти без изменений, относительно испытаний до оптимизации. Деформации при третьем испытании уменьшились более, чем на 98%.
Заключение
- Результаты моделирования регламентированных РАФ испытаний показали, что конструкция каркаса безопасности, разработанная на основе карты псевдоплотностей материала, полученной в результате топологической оптимизации, соответствует требованиям по допускаемой деформации.
- Применение топологической оптимизации позволяет уменьшить массу конструкции на 6% относительно массы исходной, при этом жёсткостные характеристики сохраняются.
- Дальнейшее исследование НДС каркаса безопасности должно проводиться совместно с КЭМ автомобиля для учёта нагрузок, возникающих в результате деформации кузова.
ДОПОЛНИТЕЛЬНО
Вклад авторов. Д.А. Жителев ― поиск публикаций по теме статьи, написание текста рукописи; Т.Д. Поздняков ― редактирование текста рукописи; Д.А. Сулегин ― редактирование текста рукописи. 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. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.
ADDITIONAL INFORMATION
Authors’ contribution. D.A. Zhitelev ― search for publications, writing the text of the manuscript; T.D. Pozdnyakov ― editing the text of the manuscript; D.A. Sulegin ― editing the text of the manuscript. 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. This study was not supported by any external sources of funding.
Об авторах
Даниил Анатольевич Жителев
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Автор, ответственный за переписку.
Email: daniil2699@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8080-1419
SPIN-код: 6751-6872
студент, кафедра Многоцелевые гусеничные машины и мобильные роботы
Россия, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1Тихон Дмитриевич Поздняков
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Email: t.pozdnyakov@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0001-8966-1806
SPIN-код: 9150-2654
старший преподаватель, кафедра Многоцелевые гусеничные машины и мобильные роботы
Россия, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1Дмитрий Андреевич Сулегин
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Email: d_sulegin@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0003-3359-3829
SPIN-код: 6960-2909
доцент, канд. техн. наук, первый заместитель декана факультета Специальное машиностроение
Россия, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1Список литературы
- Российская автомобильная федерация. Оборудование безопасности: приложение J. М.: РАФ. 2014. С. 253.
- Жителев Д.А., Поздняков Т.Д., Сулегин Д.А., и др. Исследование экспериментального и численного поведения тонкостенных труб при квазистатическом режиме нагружения // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2022. № 4(139). С. 85-96. EDN: TVZSXR doi:
- 10.46960/1816-210X_2022_4_85
- Сулегин Д.А., Зузов В.Н. Топологическая оптимизация конструкции крыши легкового автомобиля с целью повышения энергоёмкости при боковом ударе // Известия МГТУ “МАМИ“. 2021. Т. 15, №1. C. 81-88. EDN: UFBAPZ doi: 10.31992/2074-0530-2021-47-1-81-88
- Гончаров Р.Б., Зузов В.Н. Особенности поиска оптимальных параметров усилителей задней части кабины грузового автомобиля на базе параметрической и топологической оптимизации с целью обеспечения требований по пассивной безопасности по международным правилам и получения ее минимальной массы // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2019. № 2(125). С. 163-170. EDN ZTSJEL doi: 10.46960/1816-210X_2019_2_163
- Гончаров Р.Б., Зузов В.Н. Топологическая оптимизация конструкции бампера автомобиля при ударном воздействии с позиций пассивной безопасности // Известия МГТУ “МАМИ“. 2018. Т. 12, №2. C. 2-9. EDN XUWXVB doi: 10.17816/2074-0530-66811
- Шабан Б.А., Зузов В.Н. Особенности моделирования каркасных элементов кузовов и кабин автомобилей при исследовании пассивной безопасности // Наука и образование. Электрон. журн. 2012. № 11. C. 81–104. doi: 10.7463/1112.0486675
- Шабан Б.А., Зузов В.Н. Анализ влияния конструктивных факторов кабины на пассивную безопасность грузовых автомобилей при ударе по передним стойкам // Наука и образование. Электрон. журн. 2013. № 11. C. 95–106. doi: 10.7463/1113.0636798
- Шабан Б.А., Зузов В.Н. Анализ влияния конструктивных факторов на пассивную безопасность кабины грузового автомобиля при фронтальном ударе // Наука и образование. Электрон. журн. 2013. № 8. C. 91–108. doi: 10.7463/0813.0580257
- Гончаров Р.Б., Зузов В.Н. Проблемы поиска оптимальных конструктивных параметров бампера автомобиля при ударном воздействии с позиций пассивной безопасности // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2018. № 3 (122). С. 130–136.
- Гончаров Р.Б., Зузов В.Н. Проблемы поиска оптимальных решений для обеспечения пассивной безопасности кабин грузовых автомобилей при минимальной массе // Известия МГТУ “МАМИ“. 2018. Т. 12, №4. C. 92-102. doi: 10.17816/2074-0530-66869.
- Зузов В.Н., Сулегин Д.А. Исследование влияния на энергоёмкость основных силовых элементов кузова автомобиля в зоне бокового удара // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Машиностроение. 2020. Т. 20, № 4. С. 20-34. EDN MJDFIQ doi: 10.14529/engin200403
- Сулегин Д.А., Зузов В.Н. Исследование влияния усиливающих элементов двери автомобиля на пассивную безопасность при боковом ударе // Труды НГТУ им. Р.Е. Алексеева. 2021. № 1(132). С. 86-97. EDN MPXGAF doi: 10.46960/1816-210X_2021_1_86
- Шабан Б.А., Зузов В.Н. Особенности построения конечно-элементных моделей кабин для исследования пассивной безопасности при ударе в соответствии с правилами ЕЭК ООН № 29 // Наука и образование. Электрон. журн. 2013. № 3. С. 129–156. doi: 10.7463/0313.0542301.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)