Повышение весовой эффективности гибридных каркасно-панельных кузовов за счет соединений с управляемой сдвиговой жесткостью

Александр Александрович Шакиров

Аннотация


Предложен новый подход к проектированию длинномерных каркасно-панельных кузовов транспортных средств заданной долговечности с применением соединений на эластичных клеях с трансверсальным армированием.
В процессе изготовления каркасно-панельного кузова производится вклеивание готовых сэндвич-панелей со стеклопластиковыми обшивками в стальной каркас. Используемые при этом соединения можно отнести к группе нахлёсточных.
Для стальных каркасов, имеющих существенные отклонения от проектной геометрии (переменные зазоры между вклеиваемыми панелями и каркасом), высокие требования к долговечности конструкции при ее минимальном весе требуют выравнивания нагрузок на композитные панели и каркас за счет регулирования жесткости клеевого шва переменной толщины. Предложена новая концепция управления жесткостью при помощи самонарезающих винтов малого диаметра.
Концепция реализована за счет использования разработанных номограмм, связывающих между собой толщину клеевого слоя, шаг армирования самонарезающими винтами и погонную жесткость соединения, определяемую в расчете на единицу длины соединения. Номограммы позволяют определять требуемый шаг армирования при заданной толщине клеевого слоя и жесткости соединения.
На примере кузова трамвайного вагона отработана методика проектирования с использованием отмеченных номограмм. После подбора необходимого шага армирования в рамках методики производится оценка нагруженности армированных соединений и каркаса. Нагрузки определяются с помощью метода конечных элементов (МКЭ), используя упрощенную модель кузова и поправочных коэффициентов, вычисленных на основе детализированного МКЭ моделирования типовых каркасно-панельных конструкций. Проверка статической прочности и долговечности соединений реализована соответственно на основе верифицированных МКЭ моделей армированных соединений и аналитических экспериментальных зависимостей.

Ключевые слова


каркасно-панельный несущий кузов; композитная сэндвич-панель; нахлесточное клеемеханическое соединение; самонарезающий винт; управление жесткостью

Полный текст:

PDF

Литература


Cantor, B. Automotive engineering: lightweight, functional and novel materials / B. Cantor, P. Grant, C. Johnston. – New-York: CRC Press, 2008. – 278 p.

Vaidya, U. Composites for Automotive, Truck and Mass Transit / U. Vaidya. – Lancaster: DEStech Publications, 2011. – 419 p.

New Trends and Developments in Automotive Industry / ed. M. Chiaberge. – Rijeka: InTech, 2011. – 394 p.

Polymer composites for automotive sustainability / J. Komornicki, L. Bax, H.Vasiliadis, K. Ong. – Brussels: SusChem, 2015. – 54 p.

Иванов, А.М. Основы конструкции автомобиля / А.М. Иванов, А.Н. Солнцев, В.В. Гаевский. – М.: Кн. изд-во «За рулем», 2005. – 336 с.

Ксеневич, И.П. Наземные тягово-транспортные системы: в 3 т. / И.П. Ксеневич, В.А. Гоберман, Л.А. Гоберман. – М.: Машиностроение, 2003. – Т. 2. – 878 с.

Best Practices and Strategies for Improving Rail Energy Efficiency: final report. – Washington: Federal Railroad Administration, 2014. – 96 p.

Евграфов, А.Н. Аэродинамика автомобиля: учеб. пособие / А.Н. Евграфов. – М.: МГИУ, 2010. – 356 с.

Joost, W.J. Reducing Vehicle Weight and Improving U.S. Energy Efficiency Using Integrated Computational Materials Engineering / W.J. Joost // JOM. – 2012. – Vol. 64, № 9. – P. 1032–1038.

Lee, W.G. The Next Generation Material for Lightweight Railway Car Body Structures: Magnesium Alloys / W.G. Lee // Proceedings of IMechE. – 2016. – Part F: J. of Rail and Rapid Transit. – P. 1–18.

Вагоны / Л.Д. Кузьмич, А.В. Кузнецов, Б.А. Ржавинский и др. – М.: Машиностроение, 1978. – 376 с.

Heller, P. Hybrid Body of Underground Railway Car: Path Towards Reduced Weight of Rail Vehicles / P. Heller, J. Korinek, L. Triska // Modern Machinery Science J. – 2015. – P. 631–634.

Thermoplastic sandwich structure design and manufacturing for the body panel of mass transit vehicle / H. Ning, G.M. Janowski, U.K. Vaidya, G. Husman // J. Composite structures. – 2007. – № 80. – P. 82–91.

Shin, K.B. An experimental study of low-velocity impact responses of sandwich panels for Korean low floor bus / K.B. Shin, J.Y. Lee, S.H. Cho // J. Composite Structures. – 2008. – № 84. – P. 228–240.

Langan, T. High-Strength, Lightweight Car Bodies for High-Speed Rail Vehicles: final Report for High-Speed Rail IDEA Project 32 / T. Langan, W.M. Buchta. – Baltimore: Surface Treatment Technologies, 2003. – 24 p.

Kim, J.-S. Manufacturing and Structural Safety Evaluation of a Composite Train Car Body / J.-S. Kim, S.-J. Lee, K.-B. Shin // J. Composite Structures. – 2007. – № 78. – P. 468–476.

Harte, A.M. A Multilevel Approach to the Optimization of a Composite Light Rail Vehicle Bodyshell / A.M. Harte, J.F. McNamara, I.D. Roddy // J. Composite Structures. – 2014. – № 63. – P. 447–453.

Kelly, G. Quasi-static Strength and Fatigue Life of Hybrid (Bonded/Bolted) composite singlelap joints / G. Kelly // J. Composite Structures. – 2006. – Vol. 72. – P. 119–129.

Heslehurst, R. Design and Analysis of Structural Joints with Composite Materials / R. Heslehurst. – Lancaster: DEStech Publications, 2013. – 464 p.

Di Franco, G. Analysis of the mechanical performance of hybrid (SPR/bonded) single-lap joints between CFRP panels and aluminum blanks / G. Di Franco, L. Fratini, A. Pasta // International Journal of Adhesion & Adhesives. – 2013. – Vol. 41. – P. 24–32.

Шакиров, А.А. Повышение жесткости нахлесточных клеемеханических соединений, армированных самонарезающими винтами / А.А. Шакиров, Р.Г. Халилова, С.Б. Сапожников // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Машиностроение». – 2014. – Т. 14, № 4. – С. 30–36.

Шакиров, А.А. Работоспособность нахлесточных клеемеханических соединений при циклическом растяжении-сжатии / А.А. Шакиров, С.Б. Сапожников, С.В. Словиков // Вестник ЮУрГУ. Сер. «Машиностроение». – 2015. – Т. 15, № 4. – С. 70–79.

Нормы для расчета и проектирования механической части новых вагонов трамвая колеи 1524 мм: утв. М-вом тяжелого машиностроения СССР 26.12.1989: ввод. в действие 01.07.1990. – М.: ВНИИВ, 1989. – 100 с.

Sapozhnikov, S. Transverse reinforcement of adhesive joints / S.B. Sapozhnikov, A.A. Shakirov // J. Mechanics of Composite Materials. – 2015. – Vol. 51, № 2. – P. 209–214.




DOI: http://dx.doi.org/10.14529/engin160301

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.