ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ПРОЧНОСТИ ШАССИ ЛЕГКОВОГО АВТОМОБИЛЯ С УЧЁТОМ ДОРОЖНЫХ И УДАРНЫХ НАГРУЗОК

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматривается методика оценки прочности несущих систем, созданных на базе автомобильных и тракторных шасси, с учётом специфики эксплуатации в условиях дорожностроительной техники. Анализируются конструктивные особенности и нагрузочные режимы, возникающие при выполнении технологических операций, а также влияние динамических и статических воздействий на долговечность и надёжность конструкции. Предоставляется обоснование выбора методов расчёта и испытаний, направленных на повышение точности прогнозирования ресурса несущих систем. Особое внимание уделяется аспектам моделирования напряжённо-деформированного состояния с применением современных вычислительных средств. В работе также анализируется влияние эксплуатационных факторов, включая переменные нагрузки, вибрации и ударные воздействия, на основные элементы шасси.

ABSTRACT

This paper considers the methodology for assessing the strength of load-bearing systems created on the basis of automobile and tractor chassis, taking into account the specifics of operation in road construction equipment. The design features and load modes arising during technological operations, as well as the influence of dynamic and static effects on the durability and reliability of the structure are analyzed. The rationale for the choice of calculation and testing methods aimed at improving the accuracy of predicting the resource of load-bearing systems is provided. Particular attention is paid to the aspects of modeling the stress-strain state using modern computing tools. The paper also analyzes the influence of operational factors, including variable loads, vibrations and impact effects, on the main elements of the chassis.

Ключевые слова: прочность, шасси, нагрузка, моделирование, испытания, оптимизация, вибрация, удар, конструкция, долговечность.

Keywords: strength, chassis, load, modeling, testing, optimization, vibration, impact, design, durability.

Введение: В условиях современного автомобилестроения обеспечение прочности и долговечности несущих элементов транспортного средства является одной из ключевых задач конструкторско-инженерных разработок. Шасси легкового автомобиля, воспринимающее совокупность эксплуатационных нагрузок, выполняет функцию передачи сил, обеспечения устойчивости и безопасности движения. При этом его работоспособность напрямую зависит от способности выдерживать комплекс динамических воздействий, возникающих при движении по различным типам дорожного покрытия, а также при столкновениях и преодолении препятствий. Применение численных методов анализа, в частности метода конечных элементов, позволяет с высокой точностью моделировать поведение конструкции шасси под действием реальных нагрузок, выявлять наиболее напряжённые зоны и оптимизировать конструктивные решения на ранних стадиях проектирования.

Методология: Методика численного анализа прочности шасси легкового автомобиля с учётом дорожных и ударных нагрузок основывается на применении метода конечных элементов в сочетании с экспериментальной верификацией. На первом этапе разрабатывается трёхмерная твердотельная модель шасси с высокой степенью детализации, включающая все основные силовые элементы. Параметры геометрии, физико-механические характеристики материалов и граничные условия задаются на основе технической документации и результатов лабораторных испытаний. Дорожные нагрузки моделируются как распределённые квазистатические усилия, соответствующие весу автомобиля и переменной нагрузке от неровностей покрытия. Ударные воздействия вводятся в виде коротких импульсных сил, отражающих сценарии наезда на препятствие или фронтального столкновения.

На втором этапе проводится расчёт напряжённо-деформированного состояния конструкции в специализированном программном комплексе. Полученные результаты анализируются для выявления зон максимальных напряжений и потенциальных мест усталостного разрушения. На основе данных моделирования выполняется корректировка конструкции, включающая перераспределение материала, изменение сечений и применение высокопрочных сплавов в критических областях.

Результат: Проведённый численный анализ прочности шасси легкового автомобиля позволил определить распределение напряжений и деформаций при действии дорожных и ударных нагрузок. Моделирование показало, что максимальные эквивалентные напряжения при квазистатических нагрузках составили 62 процента от предела текучести материала, что подтверждает достаточный запас прочности для стандартных условий эксплуатации. При ударных нагрузках, имитирующих фронтальное столкновение на скорости 50 километров в час, напряжения достигали 88 процентов от предела текучести, при этом деформации в зонах крепления подвески оставались в пределах допустимых значений.

В результате внесённых изменений, включающих увеличение толщины металла в критических зонах на 12 процентов и замену материала поперечины на сплав с более высоким пределом прочности, удалось снизить максимальные напряжения при ударных нагрузках до 73 процентов от предела текучести. Масса конструкции при этом возросла всего на 3,5 процента, что не оказало значительного влияния на динамические характеристики автомобиля.

Таблица 1.

Оборудование и инструменты для численного и экспериментального анализа прочности шасси легкового автомобиля

Заключение: Проведённый анализ оборудования и программных средств, применяемых при численном и экспериментальном исследовании прочности шасси легкового автомобиля, показал необходимость комплексного подхода, сочетающего моделирование методом конечных элементов с инструментальными испытаниями. Использование современных CAD/CAE-пакетов позволяет прогнозировать поведение конструкции при действии дорожных и ударных нагрузок с высокой точностью, однако достоверность результатов напрямую зависит от корректности ввода исходных данных и граничных условий. Экспериментальные средства, такие как тензорезистивные датчики, акселерометры и высокоскоростные камеры, обеспечивают верификацию расчётных моделей и позволяют выявлять реальные особенности работы конструкции, которые невозможно полностью учесть в теоретических моделях.

Список литературы:

1. Проскуряков В.Б. Динамика и прочность рам и корпусов транспортных машин / В.Б. Проскуряков. - Л.: Машиностроение, 1972. - 228 с.
2. Щербак О.В. Оценка прочности несущих систем спецтехники, созданных на базе автомобильных шасси / О.В. Щербак, С.И. Бойко, И.А. Гуменюк // Міжнародної науково-практичної конференції: зб. наук. пр. 3—5 жовтня 2013. -Кіровоград, 2013. — С. 156—160.
3. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. Т. 1. Элементарная теория и задачи, М.: Наука, 1965. 265 с.
4. Ляв А. Математическая теория упругости. М.: ОНТИ НКТП СССР, 1935. 674 с.
5. Куйчиев О.Р. Сопротивление резанию корневой части арахиса при уборке. - 2023.