Pobierz

WYBRANE PROBLEMY INYNIERSKIE
ZESZYTY NAUKOWE
INSTYTUTU AUTOMATYZACJI PROCESÓW TECHNOLOGICZNYCH
I ZINTEGROWANYCH SYSTEMÓW WYTWARZANIA
STATYCZNA ANALIZA WYTRZYMAŁOCIOWA
METOD ELEMENTÓW SKOCZONYCH
NA PODSTAWIE MODELU NACZEPY SKRZYNIOWEJ
Adam Suchan1, Andrzej Baier2
Instytut Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania, Wydział
Mechaniczny Technologiczny, Politechnika lska,
ul. Konarskiego 18A, 44-100 Gliwice.
1
[email protected], [email protected]
Streszczenie: W artykule opisano przyjte załoenia oraz podjte kroki w celu wyznaczenia napre
i odkształce w elementach nonych naczepy skrzyniowej, poddanej obcieniu zgodnemu ze
specyfikacj produktu (ładowno uyteczna). Model przygotowano na podstawie dokumentacji
konstrukcyjnej przy uyciu pakietu NX5, za analiz wytrzymałociow przeprowadzono
z zastosowaniem oprogramowania Ansys Workbench.
1.
Wstp
Wprowadzajc nowy produkt na rynek, dy si do osignicia zadowalajcych wartoci
cech uytkowych, przy jak najmniejszych kosztach. Kocowe etapy przygotowania produkcji,
zwizane ze sprawdzeniem funkcjonalnoci i wynikajce wówczas konieczne korekty
wpływaj na koszt i opónienia (czsto konieczne okazuje si przygotowanie nowego
prototypu). Zastpowanie fizycznych prototypów modelami wirtualnymi pozwala zmniejszy
koszt symulacji szczególnie wtedy, gdy te symulacje prowadz do zniszczenia prototypu (co
moe mie miejsce przy badaniach zwizanych z nonoci konstrukcji, czy te odpornoci
na drgania, uderzenia). Przy uyciu nowoczesnych narzdzi, na podstawie o trójwymiarowego
modelu CAD, moliwe jest utworzenie odpowiedniego modelu obliczeniowego siatki
elementów skoczonych, która obłoona okrelonymi warunkami brzegowymi pozwala
sprawdzi wybrane reakcje (najczciej deformacj), bd naprenia wystpujce w modelu,
na cile okrelone wymuszenia.
2.
Przygotowanie modelu obliczeniowego. Przyjte uproszczenia.
Kad analiz wytrzymałociow naley zacz od wyboru pewnych uproszcze,
idealizacji, które pozwalaj sprowadzi rzeczywisty obiekt do stosownego modelu
obliczeniowego. Zalenie od danej dokładnoci wyników i typu przeprowadzanych
symulacji stosuje si róne modele, przy czym zwykle dy si do minimalizacji liczby
wymiarów (na przykład w wypadku naczepy moliwe jest sprowadzenie obiektu
rzeczywistego do ramy - układu jednowymiarowych prtów - w której róne postacie
geometryczne elementów reprezentowane s przez parametry, takie jak: pole przekroju,
moment bezwładnoci, połoenie osi bezwładnoci, wytrzymało na zginanie i skrcanie).
Gdy posiada si wczeniej przygotowany model, złoony z brył typu solid, to najbardziej
naturalne działanie polega na przygotowaniu włanie tego modelu dla potrzeb analizy.
SUCHAN A., BAIER A.
Rys.1. Trójwymiarowy model naczepy skrzyniowej - jedna z danych wejciowych
Przyjto iteracyjny system dochodzenia do modelu optymalnego, w którym przeprowadza
si kolejne analizy wytrzymałociowe na złoeniu składajcym si z coraz mniejszej liczby
powierzchni i krawdzi, o bardziej zagszczonej siatce. W pierwszym etapie usunito
fazowania - niewielkie otwory i spoiny, generujce wiele dodatkowych krawdzi,
wymagajcych szczególnego dopasowania siatki, przy nikłym wpływie na wytrzymało.
Aby ustali wpływ elementów zabudowy na nono naczepy, przygotowano wirtualny,
prosty układ płaskowników, modelujcy podwozie naczepy wraz z zabudow, drzwiami,
mocowaniami kół zapasowych i zbiorników powietrza. Zachowujc odpowiednie proporcje,
podparto go na powierzchniach spoczywajcych na siodle cignika (podpora stała) oraz
w miejscach mocowania elementów zawieszenia (podpora ruchoma). Model obciono
testowym ładunkiem. Nastpnie usunito wszystkie elementy tego modelu poza podwoziem
naczepy i uyto identycznego podparcia oraz obcienia. Porównanie otrzymanych wyników
(rónica deformacji i napre < 3%) wykazało, e wpływ na nono posiada jedynie
kratownica, składajca si na podwozie. Opisywany, prosty model prtowy posłuył równie
do okrelenia szczególnie wraliwych miejsc, w których wystpuj koncentracje napre.
Siatka elementów skoczonych została w tych miejscach dodatkowo zagszczona.
Ostatecznie do utworzenia modelu MES uyto elementów czworociennych,
dziesiciowzłowych. W idealnej wersji trójkty składajce si na ciany czworoboków
powinny by maksymalnie zblione kształtem do trójktów równobocznych, a ssiednie
elementy nie powinny zbytnio róni si od siebie wielkoci. Zaobserwowano, e
podzielenie duych brył na mniejsze, nałoenie siatki na kad z osobna, a nastpnie
połczenie siatek, daje zdecydowanie lepsze rezultaty ni próba przygotowania całego modelu
MES od razu.
Kolejnym krokiem było załoenie warunków brzegowych i obcie. Potrzebne dane
przyjto na podstawie specyfikacji technicznej naczepy skrzyniowej firmy Koegel Foxx
o bardzo podobnej konstrukcji i wymiarach gabarytowych. Ustalono dane, takie jak:
maksymalne obcienie (28 850 kg), obcienie osi, sposób mocowania uywanych
elementów zawieszenia.
Utwierdzono jedynie połow sworznia (od strony tyłu naczepy), by zasymulowa luzy,
pozwalajce na ugicie i przesunicie drugiej jego połowy, której powierzchnie poziome
podparto beztarciowo (podpora przesuwna). Podparcia beztarciowego uyto równie na
dodatkowej powierzchni w kształcie podkowy umieszczonej w pobliu sworznia, obrazujcej
miejsce styku naczepy i siodła cignika oraz w miejscach mocowania półwahaczy.
Zdecydowano si na pominicie sprystoci zawieszenia, przyjmuje si, bowiem, e analiza
STATYCZNA ANALIZA WYTRZYMAŁOĝCIOWA
WYTRZYMAŁO
METODĄ ELEMENTÓW SKOēCZONYCH…
statyczna ma miejsce po czasie bliskim nieskoczonoci.
niesko
Pod obcieniem
eniem zawieszenie
osidzie przed rozpoczciem
ciem badania i mo
mona traktowa je jako sztywne.
Obcienie ładunkiem zamodelowano jako cigłe, wyznaczane jako iloczyn masy
i przyspieszenia ziemskiego podzielony przez powierzchni,
powier
, na której ładunek jest
umieszczony. Przyjto
to trzy dodatkowe powierzchnie i obciono
ono zgodnie z poniszym
poni
schematem (rys. 2) tak, by ciszy
ci
ładunek rozlokowa na podporach. Wyznaczono take
tak 10
dodatkowych powierzchni modelujcych
modeluj cych miejsca mocowania wsporników,
wsporników słucych do
rozpicia
cia plandeki i montauu drzwi. Na tych powierzchniach przyłoono
przyło
sił
sił, skupion
o wartoci równej rónicy
nicy masy całkowitej (razem z plandek,
plandek ze specyfikacji) i masy
modelu, pomnoonej
onej przez przyspieszenie ziemskie i podzielonej pr
przez 10. Uwzgldniono
Uwzgl
równie ciar
ar własny elementów naczepy.
Rys.2. Rozkład obcienia
obci
cigłego, symulujcego
cego wpływ ładunku
3.
Analiza otrzymanych wyników.
Rys.3. Mapa warstwicowa deformacji (maksymalne 2.6 mm)
Odkształcenie elementów nonych
no
naczepy zawiera si poniej
ej 2.6 mm. Najwi
Najwikszy
udział w przemieszczeniu całkowitym elementów ma jego
je cz w osi Z. Odkształcenia,
zgodnie z przewidywaniami, zwikszaj
zwi
si od zera w miar oddalania od punktów podparcia.
Rys.4. Mapa warstwicowa napre
napr
- widok ogólny
SUCHAN A., BAIER A.
Rys.5. Powikszenie krytycznych elementów. Widoczne zagszczenie siatki
Obliczone naprenia urednione (typu „element”) zawarły si pomidzy 0 a 145 MPa.
W kilku punktach naprenia wzłowe przekraczały 200 MPa, jednak wzły ssiednie
wykazały wyniki znacznie nisze, wobec czego wspomniane wartoci szczytowe uznaje si za
błd charakterystyczny dla zastosowanej metody.
4.
Podsumowanie
Uzyskane wyniki pozwalaj okreli miejsca złoenia, w których wystpuje
niebezpieczestwo przyspieszonego zuycia produktu, newralgiczne punkty, wymagajce
dodatkowego wzmocnienia. Na tym etapie moliwe jest dalsze uszczegóławianie modelu,
dodanie pominitych wczeniej otworów, modelowanie luzów midzy elementami naczepy,
w celu uzyskania dokładniejszych rezultatów. Naley pamita, by wice testy wykonywa
w niekorzystnych warunkach. Dla konstrukcji mobilnej, jak niewtpliwie jest naczepa,
naley sprawdzi naprenia od drga, wynikajcych z przemieszczania si po
nierównociach oraz naprenia powstałe w konsekwencji przekroczenia dopuszczalnej
ładownoci lub błdnie rozmieszczonego ładunku. Naley równie zauway, e dla potrzeb
analizy modalnej (drga) wskazane bdzie dokładne zamodelowanie podatnych elementów
zawieszenia.
Posiadajc wirtualny model trójwymiarowy, w kilku iteracjach analizy
wytrzymałociowej mona wyeliminowa zdecydowan wikszo niedoskonałoci
konstrukcji, minimalizujc ilo kosztownych bada wykonanych na fizycznym modelu
i obniajc koszty produkcji.
Literatura
1.
2.
Zagrajek T. Krzesiski G. Marek P: Metoda elementów skoczonych w mechanice
konstrukcji. Warszawa: Ofic. Wyd. Pol. Warsz., 2006.
Rakowski G.: MES w mechanice konstrukcji. Warszawa 2005
STATIC ANALYSYS OF SEMI-TRAILER BY FINITE ELEMENT
METHOD
Summary: The paper describes all assumptions and steps taken in order to obtain stress and
deformation values in critical elements of a semi-trailer box, loaded according to recommendations
found in the trailers technical datasheet (useful load capacity). The 3D model was prepared in Siemens
NX5 software. The stress analysis was carried out using Ansys Workbench.