Výpočtové a experimentální řešení provozní pevnosti a únavové životnosti karosérií trolejbusů a autobusů doc. Ing. Miloslav Kepka, CSc. ZČU v Plzni, Fakulta strojní, Katedra konstruování strojů Provozní pevnost a životnost dopravní techniky Přednáška v rámci projektu CZ.1.07/2.2.00/15.0383 Inovace studijního oboru Dopravní a manipulační technika s ohledem na potřeby trhu práce
OBSAH Úvod (motivace ke způsobu uspořádání přednášky) Souhrnný popis průběhu řešení provozní pevnosti a únavové životnosti karosérií trolejbusů a autobusů (návaznost jednotlivých etap řešení v průběhu vývoje) Komentář k některým etapám řešení (metodické poznatky, směřování a výzvy k dalšímu výzkumu) Závěr
Úvod (motivace ke způsobu uspořádání přednášky)
Návrh karosérie autobusu / trolejbusu z pohledu požadované provozní únavové životnosti Procedura kombinuje výpočtové a experimentální metody Multibody modely a simulace Vstupní data do výpočtových modelů Hodnocení únavové životnosti Únavové zkoušky konstrukčních uzlů Zkoušky funkčních vzorků vozidla MKP modely a výpočty Měření prototypu vozidla
a vyžaduje komplexní spolupráci s výrobcem ve všech stádiích vývoje vozidla. MKP CAD Pojízdný funkční vzorek MBS Nepojízdný funkční vzorek Prototyp Jedná se o interdisciplinární týmovou spolupráci konstruktérů, výpočtářů, zkušebních techniků. Nezanedbatelný význam managementu VaV
Souhrnný popis průběhu řešení provozní pevnosti a únavové životnosti karosérií trolejbusů a autobusů (návaznost jednotlivých etap řešení v průběhu vývoje)
Fáze vývoje a testování pevnosti a únavové životnosti karosérie (a dalších nosných prvků) nového vozidla 1. Projekční fáze a výpočtová podpora 2. Testování funkčního vzorku vozidla na zkušebním stendu 3. Provozní zkoušky prototypu vozidla Pro konstrukční uzly karosérie se usiluje o splnění následující podmínky a to všech stádiích jejího vývoje: Sa max J Sa max, p Sa max J J - maximální amplituda vypočteného nebo změřeného napětí vyvolaného přejezdem vozidla přes normalizované překážky, která nahrazují významné nerovnosti vozovky, - index stádia vývoje vozidla, = 1, 2, 3. Sa max, p - přípustná hodnota maximální amplitudy napětí.
Stress amplitude [MPa] Únavové zkoušky typických konstrukčních uzlů karosérie Vyhodnocení S-N křivek 50x50x3 70x50x3 R50 R50 40 160 140 120 C B 100 80 A 60 40 A B C 5 6 log N 7 Sa max, p Sc Tradiční přístup: přípustná hodnota maximální amplitudy napětí = mez únavy konstrukčního uzlu
Force [N] Force [N] Multibody modelování Damper characteristics Charakteristiky vypružení Air spring characteristics tlumiče pružiny Velocity [m/s] Air spring compression (extension) [m]
Force [N] Force [N] Multibody simulace v tlumičích Force course in dampers Jízda přes modelovou trať 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Time [s] Dynamické síly Umělé překážky Force course in air springs 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Time [s] v pružinách
Force [N] Force [N] MKP-modelování a výpočty Force course in dampers Síly v tlumičích Modální analýza 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Time [s] Force course in air springs 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Vynucené kmitání Síly v pružinách Time [s]
Výpočty dynamických napětí v uzlech karosérie Samax,p Časové průběhy napětí
Testy funkčního vzorku vozidla na zkušebním stendu Měření napětí Validace výpočtových modelů
s [MPa] Testy funkčního vzorku vozidla na zkušebním stendu 2 * sa 3,9 4 4,1 4,2 4,3 4,4 Samax,p Time [s] Měření napětí Simulace rozhodujícího provozního zatěžování
s [MPa] Zkoušky prototypu na modelových zkušebních tratích Měření napětí 2 * sa 3,9 4 4,1 4,2 4,3 4,4 Samax,p Time [s] Různé užitné zatížení Jízda přes umělé překážky
Zkoušky prototypu na reálných zkušebních tratích Dynamické náhodné zatížení Měření napětí Různé užitné zatížení Různé profily vozovek
Únavová analýza náhodných procesů napětí Časové průběhy napětí Rain-flow metoda Spektrum napětí S-n S-n spectrum
log s a [MPa] Závěrečné posouzení provozní únavové životnosti pro různé kombinace provozního zatížení Bilineární S-N křivka Spektrum napětí S-n Spektrum napětí S-n S ai Hypotéza kumulace únavového poškození Spektrum napětí S-n S C N i N C log N [cycles]
Úpravy konstrukce karosérie a jejich dopady Lokální vyztužení Účinek v místě Direction of moving Dodatečné prvky Změna v oblasti Direction of moving Změny průřezů, výztužné plechy, Přeladění systému Direction of moving
Nosníky pérování zadní nápravy Komponenty kloubových spojení vícečlánkových vozů Držák předního pérování Vodící tyč Most zadní nápravy
Průběžný závěr Popsaná metodika byla úspěšně aplikována při vývoji vozidel ŠKODA: - sólo trolejbusy: 14Tr, 21Tr, 14Tr SF, - kloubové trolejbusy: 15Tr, 22Tr, 15Tr SF, - městský autobus: 21Ab, - kloubový městský autobus: 22Ab. Také byla aplikována i ve spolupráci s jinými výrobci vozidel: Neoplan US, Karosa / Iveco, Ikarus SCF, Škoda Tatra, ŠKODA LIAZ, ZVVZ.
Komentář k některým etapám řešení (metodické poznatky, směřování a výzvy k dalšímu výzkumu)
Spolehlivost Rezervy na krytí rizika Komplexnost
Nastavení parametrů vypružení má zásadní dopad na napjatost v karosérii
Nastavení parametrů vypružení má zásadní dopad na napjatost v karosérii Příklad z experimentálního faktorového pokusu s trolejbusem 22Tr
Příležitost pro výzkum s perspektivou budoucího uplatnění Optimalizace parametrů vypružení ve stádiu výpočtového řešení (MBS + MKP) Identifikace charakteristik elementů vypružení s využitím moderní experimentální techniky Vývoj a nasazení elementů vypružení s adaptivními schopnostmi, příležitosti i omezení
HW i SW pokrok v oblasti MKP výpočtů umožňuje získávat mnohem detailnější výsledky jak ve frekvenční oblasti, tak v oblasti namáhání konstrukce. Pozor na metodickou chybu! X. 100 prvků schématicky / symbolicky X. 10 000 prvků Vnitřní síly a momenty + Navazující výpočet nominálních napětí s využitím průřezových charakteristik profilů Napětí Nominální / Lokální??? Nominální přístup při únavovém posouzení???
Příležitost pro výzkum s perspektivou budoucího uplatnění Správně rozlišovat jednotlivé kategorie namáhání v oblasti konstrukčních detailů a využívat odpovídající přístup při hodnocení únavové pevnosti a životnosti. Osvojovat si (a v praxi ověřovat) únavové postprocesory.
Lze předejít dodatečným zásahům do konstrukce karosérie? Je možné optimalizovat provedení karosérie, např. z pohledu úspory hmotnosti při dodržení požadavků na potřebnou tuhost, pevnost a únavovou životnost? Lze dosáhnout významných úspor a jakou cestou? Příležitost pro výzkum s perspektivou budoucího uplatnění: Využívání možností optimalizačních procedur a programů. Uplatnění nových materiálů a technologií.
Příležitost pro výzkum s perspektivou budoucího uplatnění: Využívání možností optimalizačních procedur a programů. Uplatnění nových materiálů a technologií. Pozor na souvislosti! Vícekriteriální pohled na konstrukci při jejím navrhování. Optimalizace vypružení z pohledu namáhání / Jízdní vlastnosti Nové materiály a snižování hmotnosti / Hluk a vibrace Únavová pevnost a životnost / Deformační odolnost a pasivní bezpečnost
Stress amplitude [MPa] Dimenzování na trvalou únavovou pevnost (neomezená životnost) nebo dimenzování na omezenou, ale bezpečnou životnost? Tradiční vyhodnocení S-N křivek navádí na tradiční přístup. Přípustná hodnota maximální amplitudy napětí = mez únavy konstrukčního uzlu. 50x50x3 70x50x3 R50 R50 40 160 140 120 C B 100 80 60 A Sc A B C 40 5 6 log N 7 Není dimenzování na trvalou únavovou pevnost příliš konzervativní? A co když mez únavy Sc ve skutečnosti, tzn. při dosažení dostatečně vysokého počtu cyklů, neexistuje?
Nasazení koncepce safe-life při posuzování karosérie nízkopodlažního trolejbusu 22Tr Navrženo pro požadovanou životnost Bilineární Jednalo se o konstrukci s nulovou dědičností a evoluční postup již vyčerpal veškeré předchozí postupy
Příležitost pro výzkum s perspektivou budoucího uplatnění Únavové zkoušky dostatečně reprezentativních souborů konstrukčních uzlů a jejich statistické vyhodnocení. Tvorba katalogů databází reprezentativních S-N křivek. Nové materiály, nové typy konstrukčně-technologických spojů. Určování reprezentativních spekter provozního namáhání. Nabízí se nejen experimentální, ale i výpočtová cesta s využitím výpočtových modelů vozidel a tzv. virtuálních tratí!
pravdepodobnost poruchy [-] Únavovou životnost je nutno považovat za náhodnou veličinu! provozní únavová životnost všechny poruchy úplný lom únavová trhlina 8 862 53 990 58 898 8 862 56 422 52 638 24 417 53 990 61 335 24 417 56 963 52 638 24 417 56 422 61 335 24 417 56 963 53 990 47 187 56 422 61 582 47 187 57 302 56 797 47 187 56 797 61 582 47 187 57 302 56 797 47 511 56 797 62 492 47 511 61 335 58 898 50 811 56 963 62 492 50 811 61 335 61 582 52 105 56 963 67 127 52 105 62 492 61 582 52 638 57 302 53 990 62 492 67 127 52 638 57 302 56 422 Skutečná DF poruch součásti 1,0 0,9 0,8 0,7 Skutečná distr. funkce Skutečná distr. funkce-jen úplný lom Skutečná distr. funkce-jen trhlina 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0E+00 1,0E+04 2,0E+04 3,0E+04 4,0E+04 5,0E+04 6,0E+04 7,0E+04 8,0E+04 životnost [míle] Příklad provozních poruch čepu vodící tyče zadní nápravy trolejbusu.
Stanovení únavové životnosti součásti ve tvaru distribuční funkce E Při predikci provozní únavové životnosti konstrukčních částí zohledňovat: náhodný charakter provozního zatížení a různorodé provozní podmínky rozptyl materiálových (únavových) charakteristik a rozptyl dalších parametrů vstupujících do výpočtu
Cíleným výzkumem můžeme předejít výskytu provozních únavových poruch konstrukčních uzlů a částí karosérie vozidel. Prostředkem k tomu je interdisciplinární přístup a úsilí o hledání spolehlivých a optimálních řešení.
DĚKUJI ZA POZORNOST
Poděkování Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky Projekt CZ.1.07/2.2.00/15.0383 Inovace studijního oboru Dopravní a manipulační technika s ohledem na potřeby trhu práce