STUDENT CAR Dílčí výpočtová zpráva Září 2008 Copyright 2008, Univerzita Pardubice,
STUDENT CAR Dílčí výpočtová zpráva Projekt : Student Car, FDJP Univerzita Pardubice - VŠB Ostrava Datum : Září 2008 Vypracoval : Ing. Petr Stejskal Září 2008 Student Car Strana 2 z 15
Obsah 1. Úvod... 4 2. Materiál... 5 3. Zatížení... 6 4. Výpočet... 8 5. Závěr... 14 Literatura... 14 Přílohy... 15 Září 2008 Student Car Strana 3 z 15
1. Úvod Cílem této dílčí technické zprávy je připravit postup výpočtu nosné rámové konstrukce automobilu STUDENT CAR (obr. 1 a 2). Profily jsou tvořeny jekly 25x25x2 a 20x20x2 a kruhovými tyčemi o průměru 18 mm. Zavěšení kol a jejich odpružení je patrné z obr. 2. Charakteristiky tlumičů byly stanoveny experimentálně, lit. /6/, tuhost pružin byla vypočtena a charakteristiky pneumatik byly převzaty z lit. /5/. Analýza numerického modelu je provedena pomocí programu Cosmos/m, lit. /3/ a CosmosWorks, lit. /4/. Obr. 1 Září 2008 Student Car Strana 4 z 15
2. Materiál Obr. 2 Rámová konstrukce skeletu vozu je tvořena profily z uhlíkové konstrukční oceli třídy S235 podle EN 10027 (viz ČSN 73 1401). Její mechanické charakteristiky při základní výpočtové teplotě T=20 C jsou uvedeny v Tab.1. Materiál S235 t < 40 mm Tab. 1 f y /MPa/ f u /MPa/ E /MPa/ ρ /kg.m -3 / 235 360 2,1E+5 7850 Září 2008 Student Car Strana 5 z 15
3. Zatížení V této kapitole jsou popsány základní zatěžovací parametry, které byly poskytnuty VŠB Ostrava při měření dne 27. května 2008 v oblasti Ostravy Krásné Pole (obr. 3). Rychlost průjezdu jednotlivých úseků město 40 km/h, retardéry 5 km/h, rovné úseky silnic mimo město 90 km/h. Dále jsou pro dynamické simulace modelovány výpočtové časové průběhy zrychlení (sinusová půlvlna, skok ). 9 8 7 6 5 4 3 2 1 10 Obr. 3 1. Start / Cíl 2. 1. retardér 3. 2. retardér 4. 3. retardér 5. 4. retardér 6. Křižovatka č.1 7. Začátek obce Krásné Pole 8. Křižovatka č.2 9. Křižovatka č.3, nájezd na ul. Opavská 10. Křižovatka č.4, odbočení z Opavské Září 2008 Student Car Strana 6 z 15
Celá trasa (měření č.1) Tab. 2 4k_mer_May.27_09_19_f1000Hz.csv Vzdálenost [m] 150 330 460 490 2148 2783 4227 7512 8229 Poloha vozidla Start, náběh snímačů 2. retardér 3. retardér 4.retardér Dojezd ke křižovatce č.1 Vjezd do obce Krásné Pole Dojezd ke křižovatce č.2 Křižovatka č.3, nájezd na ul. Opavská Křižovatka č.4, odbočení z Opavské Dojezd do cíle Čas [s] 0-10 23 50 77 86 173 235 330 445 530 Úseky do bodu č.8 (měření č.2) Tab. 3 4k_mer_May.27_09_40_f1000Hz.csv Vzdálenost [m] 150 330 460 490 2148 2783 3505 Poloha vozidla Start, náběh snímačů 2. retardér 3. retardér 4.retardér Dojezd ke křižovatce č.1 Vjezd do obce Krásné Pole Dojezd ke křižovatce č.2 Konec měření Čas [s] 0-10 23 45 76 86 173 225 300 Září 2008 Student Car Strana 7 z 15
4. Výpočet Numerická analýza modelu je provedena pomocí počítačového programu COSMOS/M, lit. /3/ a CosmosWorks, lit. /4/. Výpočtový model vozu a řidiče je tvořen 2242 prvky a 2156 uzly. Rám je modelován nosníkovými prvky BEAM3D s tuhými styčníky, motor a torzo řidiče skořepinovými prvky SHELL4T a pneumatiky, tlumiče a pružiny prvky GAP, MASS a SPRING. Výpočtový model popisuje průřezové charakteristiky a hmoty jednotlivých částí skeletu (bez uvažování vlivu Al-plechů) a rozložení hmot motoru převodovky, jednoho řidiče a nádrže naplněné do poloviny. Obr. 4 Pro zjištění tuhosti, resp. poddajnosti vlastního svařence rámu vozu je navíc vytvořen prutový model bez hmot (obr. 5). Z výsledků numerické modální analýzy je patrné, že rám je poměrně kompaktní, téměř symetrická příhradová konstrukce bez kriticky poddimenzovaných uzlů. První vlastní tvary rámu v podélném krutu a příčném a svislém ohybu jsou patrné z obr. 6. Září 2008 Student Car Strana 8 z 15
Obr. 5 Obr. 6 Celkový dynamický model vozu s řidičem, motorem, nádrží a koly je podroben dynamické analýze s cílem stanovení vnitřních sil a momentů (a napětí) v jednotlivých prutech. Model je vytvořen z dostupných informací od výrobců jednotlivých komponent lit. /7/, z 3D Září 2008 Student Car Strana 9 z 15
modelu, lit. /1/ a z měření tlumičů, lit. /6/. Rozložení hmot vozu na jednotlivá kola je třeba potvrdit měřením. Ve výpočtovém modelu není zohledněn vliv vyztužení prutů vnějšími plechy (Al 0,8 a 1,6 mm). Membránová napjatost v plechu pravděpodobně sníží vnitřní síly a momenty v okrajových prutech, ale může mít i opačný efekt v rozložení napětí do nevyztužených prutů. Míra vyztužení závisí na skutečné poloze a způsobu uchycení plechů. Obr. 7 Numerické simulace modelu vozu jsou provedeny pro budící signály převzaté z provedených měření viz obr. 8, 9 a 10: Obr. 8 Září 2008 Student Car Strana 10 z 15
Obr. 9 Obr. 10 Z uvedených frekvenčních spekter je zřejmé, že největší intenzitu má postupně signál ve směru osy z, y a x. V následujícím výpisu z počítače jsou uvedeny vnitřní účinky v prutech výpočtového model. Jedná se o maximální účinky v diagonálách, resp. v podélnících rámové konstrukce. Září 2008 Student Car Strana 11 z 15
************************** VNITRNI UCINKY V PRUTECH ************************** POSUVY, VNITRNÍ SÍLY, MOMENTY A NAPETÍ --------------------------------------- Jednotky: Síly /N/ Momenty /N.m/ Napetí /N.m-2/ Elem SMAX ------------------------------ 1465-57957924 102 24176106 290 16137223 277-12025247 1108 10543146 149 7630486.5 200-7424445 1406 7319199.5 168-7246361 NODE AXIAL SHEAR_S SHEAR_T TORQUE MOMENT_S MOMENT_T P/A Ms/Ss Mt/St SMIN SMAX -------------------------------------------------------------------------------- ELEMENT : 102 116-8.857e+002-6.977e+000-5.458e+001-1.898e+000 2.258e+001 1.857e+000 4.904e+006-1.781e+007-1.465e+006-1.437e+007 2.418e+007 117 8.858e+002 6.976e+000 5.557e+001 1.898e+000-1.864e+001-2.356e+000 4.905e+006-1.470e+007-1.858e+006-1.165e+007 2.146e+007 ELEMENT : 149 169-9.688e+002-3.677e+001 1.868e+001-2.574e+000 4.404e-001-2.433e+000 5.365e+006-3.473e+005 1.919e+006 3.099e+006 7.630e+006 170 9.689e+002 3.678e+001-1.811e+001 2.574e+000-1.203e+000 9.080e-001 5.365e+006-9.487e+005 7.161e+005 3.700e+006 7.030e+006 ELEMENT : 168 190 1.192e+003-2.737e+000 8.206e+000 2.215e+000-6.937e-002 3.450e-001-6.601e+006 5.471e+004-2.721e+005-6.274e+006-6.928e+006 191-1.192e+003 2.028e+000-8.188e+000-2.215e+000-3.514e-001-4.673e-001-6.601e+006-2.771e+005-3.685e+005-5.955e+006-7.246e+006 ELEMENT : 200 224 9.625e+002-1.272e+001 1.170e+001-2.524e+000 5.940e-002 1.361e+000-5.330e+006-4.685e+004-1.074e+006-4.209e+006-6.450e+006 225-9.625e+002 1.201e+001-1.173e+001 2.524e+000-6.607e-001-1.996e+000-5.329e+006-5.210e+005-1.574e+006-3.234e+006-7.424e+006 ELEMENT : 277 311 2.771e+001 4.102e+001-4.510e+001 1.001e+000 1.384e+001 1.214e+000-1.534e+005-1.091e+007-9.574e+005 1.172e+007-1.203e+007 312-2.820e+001-4.111e+001 4.495e+001-1.001e+000-1.215e+001 3.237e-001-1.561e+005-9.585e+006 2.553e+005 9.684e+006-9.996e+006 Září 2008 Student Car Strana 12 z 15
ELEMENT : 290 326-2.639e+002 9.189e+001 1.372e+002-1.544e+000-1.864e+000-1.190e+001 1.461e+006 1.470e+006 9.384e+006-9.392e+006 1.231e+007 327 2.634e+002-9.201e+001-1.370e+002 1.544e+000-3.271e+000 1.534e+001 1.459e+006-2.579e+006 1.210e+007-1.322e+007 1.614e+007 ELEMENT : 354 402-6.439e+001 1.002e+001-2.533e+001 1.045e+000 2.895e+000-1.159e-001 3.565e+005-2.283e+006 9.143e+004-2.018e+006 2.731e+006 403 6.444e+001-9.562e+000 2.545e+001-1.045e+000-2.025e+000 4.513e-001 3.568e+005-1.597e+006 3.559e+005-1.596e+006 2.310e+006 ELEMENT : 556 646 1.216e+002 3.844e+001-1.420e+001-1.047e+000-7.859e-001 1.164e+000-6.732e+005 6.198e+005-9.183e+005 8.650e+005-2.211e+006 647-1.211e+002-3.838e+001 1.413e+001 1.047e+000 1.299e+000 2.275e-001-6.704e+005 1.025e+006 1.794e+005 5.336e+005-1.874e+006 ELEMENT : 1099 1267-1.398e+002-1.720e+001-1.560e+001-1.713e+000 1.538e+000-9.823e-001 9.942e+005-2.034e+006 1.299e+006-2.339e+006 4.328e+006 1268 1.400e+002 1.762e+001 1.560e+001 1.713e+000-8.582e-001 2.238e-001 9.958e+005-1.135e+006 2.961e+005-4.354e+005 2.427e+006 ELEMENT : 1108 1278-2.408e+002 2.133e+001-2.136e+001 2.279e-001-3.267e+000-1.909e+000 1.712e+006 4.321e+006 2.525e+006-5.134e+006 8.558e+006 1279 2.409e+002-2.099e+001 2.136e+001-2.279e-001 4.020e+000 2.655e+000 1.714e+006 5.318e+006 3.512e+006-7.116e+006 1.054e+007 ELEMENT : 1242 1432-1.219e+002 3.448e-001-8.720e+000-1.233e+000 1.009e+000-4.114e-001 8.672e+005-1.334e+006 5.442e+005-1.011e+006 2.746e+006 1433 1.222e+002-1.637e-002 8.794e+000 1.233e+000-6.690e-001 4.184e-001 8.690e+005-8.850e+005 5.534e+005-5.694e+005 2.307e+006 ELEMENT : 1257 1449-3.065e+002-5.874e-001 9.152e+000 9.467e-001 7.211e-001-2.966e-001 2.180e+006-9.538e+005 3.923e+005 8.337e+005 3.526e+006 1450 3.062e+002 9.174e-001-9.078e+000-9.467e-001-1.075e+000 2.674e-001 2.178e+006-1.421e+006 3.537e+005 4.029e+005 3.953e+006 ELEMENT : 1406 1614-2.314e+002-1.830e+001-1.693e+001-6.957e-002-2.085e+000 8.236e-001 1.646e+006 2.757e+006-1.089e+006-2.201e+006 5.492e+006 1615 2.316e+002 1.792e+001 1.692e+001 6.957e-002 2.751e+000-1.537e+000 1.647e+006 3.639e+006-2.033e+006-4.025e+006 7.319e+006 ELEMENT : 1465 1685 6.310e+001 1.216e+000-3.565e+000 6.945e-001 3.197e+000-1.068e-001-2.479e+005-5.584e+007 1.865e+006 5.746e+007-5.796e+007 1686-6.234e+001-8.481e-001 3.555e+000-6.945e-001-3.045e+000 1.510e-001-2.450e+005-5.318e+007 2.637e+006 5.558e+007-5.607e+007 Září 2008 Student Car Strana 13 z 15
5. Závěr Cílem této zprávy je připravit metodiku stanovení vnitřních sil a momentů rámové konstrukce STUDENT CAR pro posouzení vybraných konstrukčních uzlů z hlediska pevnosti, stability a životnosti. Na základě výsledků pevnostní analýzy lze konstatovat, že jednotlivé pruty rámové konstrukce jsou schopny přenést uvažovaná statická a dynamická zatížení. Maximální normálné napětí v prutu nabývá hodnoty 57,96 MPa. Vnitřní normálná napětí však v sobě nezahrnují vliv skutečných provedení konstrukčních uzlů (vruby, šroubové spoje, vůle apod.). Pro detailní analýzy pevnosti a životnosti je třeba vytvořit tělesové nebo skořepinové modely a ty zatížit výše uvedenými silami a momenty a následně vyhodnotit konstrukci podle ČSN 73 1401 popř. podle jiného předpisu. Numerický model vozu zahrnuje některé linearizace a zjednodušení, která ovlivňují hodnoty výsledných vnitřních účinků v ocelovém rámu vozu. V modelu není zahrnut vliv vyztužení příhradové konstrukce hliníkovými plechy. Polohy těžiště a rozměry jednotlivých hmot jsou doměřeny a nebo odhadnuty (motor, převodovka, nápravy apod.). Řidič je modelován jediným hmotným tělesem usazeným na tvarovce sedáku (vazba s pružinou a tlumičem). Pro přesnější popis by bylo vhodné modelovat řidiče jako soustavu hmotných bodů podle ČSN ISO 5982, protože hmotnost řidiče není zanedbatelná vůči hmotnosti vozu. Literatura /1/ Prostorový model (STP) konstrukce automobilu, VŠB Ostrava. /2/ Naměřená data zrychlení z jízdních zkoušek (Ostrava Krásné Pole), VŠB Ostrava. /3/ Cosmos/m 2.95, FEM Computer program COSMOS/M, Version 2.95 by SRAC (Structural Research and Analysis Corporation), Los Angeles, California. /4/ CosmosWorks 2007 Advanced Professional, SolidWorks Corporation. /5/ Pneumatiky (vpředu: 195/50 R15, vzadu: 225/50 R15, 2 bary), disky: 7J 15 ET 32. /6/ Protokol ze Zkušebny teleskopických tlumičů, BRANO ATESO Jablonec nad Nisou. /7/ Soubor informací o konstrukci, hmotnostech, pružinách a pneumatikách, VŠB Ostrava. Září 2008 Student Car Strana 14 z 15
Přílohy P1 Podklady ke konstrukci VŠB Ostrava P2 Měření tlumičů BRANO ATESO Jablonec nad Nisou P3 Provozní měření zrychlení VŠB Ostrava dne 27. května 2008 Září 2008 Student Car Strana 15 z 15