Na pojazdy i naczepy podczas eksploatacji działają obciążenia powodujące powstawanie rozmaitych rozkładów naprężeń. Szczególnie dotyczy to pojazdów kłonicowych, które, zazwyczaj poruszają się po wyboistych drogach gruntowych, a więc pracują w warunkach eksploatacyjnych niezwykle trudnych dla konstrukcji.
Paula Stankiewicz, Piotr Harnatkiewicz
Metody numeryczne umożliwiają szybkie i łatwe sprawdzenie wielu definiowanych kierunkowo przypadków obciążeniowych, zweryfikowanie konstrukcji dla każdego z nich oraz pomagają określić elementy konstrukcje, które można lub należałoby poddać optymalizacji [1].
Do przeprowadzenia statycznych analiz wytrzymałościowych naczepy kłonicowej przygotowane zostały dwa zestawy symulacji; w pierwszym z nich założono, że konstrukcja zostanie wykonana ze stali Domex 700, a w drugim za materiał konstrukcyjny przyjęto stal S355.
Rys. 1 Model bryłowy naczepy wraz z osprzętem
Stale Domex to rodzina walcowanych na gorąco, niskostopowych specjalnych stali konstrukcyjnych o podwyższonej wytrzymałości. Są one stalami niskowęglowymi, o zawartości węgla do 0,12%. Wykorzystuje się je głównie w przemyśle motoryzacyjnym, leśnym, maszyn roboczych oraz kolejnictwa. Stale te nadają się do obróbki plastycznej na zimno, są dobrze spawalne. Są one dostępne w wielu odmianach, różniących się granicą plastyczności, odporności na ścieranie, spawalnością czy odpornością na korozję.
Stale S355 są to zwykłe, powszechnie znane stale konstrukcyjne, stosowane w różnych gałęziach przemysłu. [2, 3]
Na potrzeby obliczeń numerycznych bryłowy model geometryczny CAD (Rys. 1) został przerobiony na model powierzchniowy – na powierzchnie zostały zmienione elementy cienkościenne (Rys. 2, 3).
Rys. 2 Model powierzchniowy naczepy
Model przygotowano z zachowaniem należytej staranności, odpowiednio definiując nowy kształt geometryczny, tak by modyfikacje wprowadzone pod obliczenia nie wpłynęły na zmianę sztywności i zachowania się obiektu podczas analiz, co w konsekwencji mogłoby wiązać się z otrzymaniem niespójnych wyników. Zamodelowano również spoiny z uwzględnieniem przewidywanej ich grubości.
Rys. 3 Widok na przednią część modelu dyskretnego ramy
Do dyskretyzacji elementów cienkościennych użyto elementów dwuwymiarowych. Konieczne było stworzenie uproszczonych modeli zastępczych takich elementów jak kłonice, zawieszenie czy ciągnik siodłowy, by przybliżyć wartości otrzymane w wyniku symulacji do rzeczywistych, jakie będą występowały podczas pracy konstrukcji.
W całościowym rozpatrywaniu problemu konieczne było również zamodelowanie ciągnika siodłowego. Było to związane z potrzebą uwzględnienia podatności zawieszenia oraz opon pojazdu. W warunkach rzeczywistych zarówno zawieszenie jak i opony ciągnika oraz naczepy uginają się pod wpływem ciężaru ładunku. Sytuację taką należy również odwzorować w analizach numerycznych. W przypadku pominięcia tych aspektów mogłoby dojść do sytuacji znacznego przewymiarowania przedniej części konstrukcji.
Model ciągnika siodłowego na potrzeby analizy wykonano w sposób uproszczony. Składał się on z powierzchni modelującej górną powierzchnię ciągnika oraz sprężyn, którym nadano sztywności opon i zawieszeń. Pomiędzy powierzchnią ciągnika a ramą naczepy zamodelowano kontakt (Rys. 4).
Rys. 4 Widok na model uproszczony ciągnika
Zawieszenie zamodelowano również w sposób uproszczony. Elementy konstrukcyjne zamodelowano jako belki o odpowiednim przekroju poprzecznym. Podatne części zawieszenia zamodelowano wykorzystując elementy typu spring o odpowiednich parametrach. Opony zostały zamodelowane jako belki o długości promienia opony (Rys. 5).
Rys. 5 Wycięty fragment modelu dyskretnego pokazujący jedną oś z zawieszeniem
Do ustalenia przypadków obciążeniowych wykorzystano m.in. wyniki prac badawczych z przeprowadzonych wcześniej projektów oraz rygorystyczne wytyczne norweskiej normy DNV. Według nich obliczenia wytrzymałościowe konstrukcji naczep powinny być przeprowadzone dla kilku przypadków odwzorowujących rzeczywiste sytuacje obciążeń podczas normalnej eksploatacji naczepy.
Są one podzielone na trzy grupy, do których przypisano odmienne współczynniki bezpieczeństwa materiałowego i współczynniki przeciążeniowe. Pierwsza grupa to przypadki związane z obciążeniem ładunkiem normatywnym i brakiem ruchu. W drugiej grupie znajdują się przypadki eksploatacyjne, związane z ruchem pojazdu. W trzeciej grupie znalazły się przypadki ekstremalne, takie jak ponadnormatywne obciążenie naczepy. W przedmiotowym przypadku zdecydowano, że zostaną przeprowadzone obliczenia dla następujących przypadków obciążeń:
I grupa:
a) obciążenie pionowe normatywne
II grupa:
b) zakręt
c) hamowanie
d) zjazd ze wzniesienia z hamowaniem na zakręcie
e) przejazd przez przeszkodę
III grupa:
f) obciążenie pionowe ponadnormatywne
W pierwszej kolejności wykonano analizę dla konstrukcji ze stali Domex 700, tak dobierając grubości elementów cienkościennych, by w żadnym punkcie nie zostały przekroczone dopuszczalne naprężenia dla materiału. Następnie, na podstawie tych wyników przeprowadzono kolejne iteracje dobierając grubości poszczególnych powierzchni tak, by naprężenia były w odpowiednim zakresie dla stali S355.
Rys. 6 Warstwice naprężeń zredukowanych elementów powłokowych (Equivalent von-Mises Stress – Top/Bottom) wg hipotezy HMH – przypadek IID, stal Domex 700. Widok izometryczny z góry.
Rys. 7 Warstwice naprężeń zredukowanych elementów powłokowych (Equivalent von-Mises Stress – Top/Bottom) wg hipotezy HMH – przypadek IID, stal Domex 700. Widok izometryczny z dołu.
Wyniki obliczeń dla konstrukcji wykonanej ze stali Domex 700 przedstawiono na rysunkach 6 i 7, a dla stali S355 odpowiedno: na rysunkach 8 i 9.
Rys. 8 Warstwice naprężeń zredukowanych elementów powłokowych (Equivalent von-Mises Stress – Top/Bottom) wg hipotezy HMH – przypadek IID, stal S355. Widok izometryczny z góry.
Rys. 9 Warstwice naprężeń zredukowanych elementów powłokowych (Equivalent von-Mises Stress – Top/Bottom) wg hipotezy HMH – przypadek IID, stal S355. Widok izometryczny z dołu.
Na podstawie przeprowadzanych symulacji wykazano jak zastosowanie nowoczesnych wysoko-wytrzymałych stali wpływa na zmniejszenie masy pojazdu przy jednoczesnym zachowaniu trwałości analizowanej konstytucji. Należy jednak zwrócić uwagę, iż niekontrolowane zmniejszenie grubości blach może w konsekwencji również doprowadzić do negatywnego w skutkach zwiększenia podatności ramy na jej wzdłużne skręcanie. Fakt ten może skutkować wystąpieniem zmęczeniowych pęknięć ram oraz trwałych deformacji podczas ich pracy w trudnych warunkach.
Przeprowadzone analizy konstrukcji naczepy kłonicowej z wykorzystaniem modelowania numerycznego przyspieszają całościowy proces projektowania i umożliwiają sprawdzanie konstrukcji niemożliwych do obliczenia za pomocą metod analitycznych. Ponadto, pozwalają także zoptymalizować konstrukcję bez zmniejszania jej wytrzymałości oraz bezpieczeństwa, co prowadzi do redukcji masy i zwiększenia trwałości. Analizy numeryczne pozwoliły na sprawdzenie czy rama naczepy nie jest nadmiernie wytężona, oraz które z elementów powinny zostać zmodyfikowane, ponieważ mogłyby ulec uszkodzeniu, lub są narażone na pęknięcia zmęczeniowe.
Przypadkiem obliczeniowym, dla którego w konstrukcji pojawiały się największe naprężenia był przypadek symulujący zjazd ze zniesienia z hamowaniem na zakręcie. Na jego podstawie zostały dobrane grubości dla obu analizowanych materiałów. Zmieniono je dla powierzchni, gdzie występowały największe naprężenia.
Rys. 10
Na rysunku 10 pokazane zostało, które z elementów zostały zmodyfikowane i o ile konieczne było zwiększenie ich grubości dla wykonania ze stali S355 w porównaniu do stali Domex.
Paula Stankiewicz
Piotr Harnatkiewicz
KOMES Sp. z o.o.
Literatura:
- Rusiński E., Czmochowski J., Smolnicki T. : Zaawansowana metoda elementów skończonych w konstrukcjach nośnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2000
- SSAB : Arkusz danych Domex 700 MC, www.ssab.com/Global/Domex/Datasheets/pl/421_Domex%20700%20MC
- SSAB : Structural steel, www.ssab.com/Global/Domex/Brochures/en/206_The%20Structural_Steel.pdf
artykuł pochodzi z wydania 10 (97) październik 2015
