Как компьютерное моделирование позволяет повысить надежность сельхозтехники

Машиностроение

В конце 90-х — начале 2000-х годов крупнейшие автомобильные компании начали активно заниматься снижением массы кузовов легковых автомобилей. Их основные цели — снижение расхода топлива и улучшение динамических характеристик транспортного средства при увеличении массы дополнительного оборудования. Для проверки безопасности создаваемых решений изначально использовались краш-тесты, которые позже были частично заменены компьютерным моделированием.

Олег Копаев

Руководитель команды компьютерного моделирования компании «Северсталь»

Со временем тенденция снижения металлоемкости распространилась на сельскохозяйственную и спецтехнику, но уже с другой целью — снижения затрат на производство при сохранении или улучшении безопасности и надежности конструкции. Как и в случае с легковыми автомобилями, наиболее эффективными материалами для такой задачи являются высокопрочные стали, а наиболее эффективным методом исследования — компьютерное моделирование. В статье рассмотрен пример снижения металлоемкости силовой рамы кабины трактора сельскохозяйственного назначения.

Для демонстрации возможности замены используемой марки стали на высокопрочную был создан простой прототип металлокаркаса кабины трактора (см. рисунок 1). Он целиком состоит из профиля 100х100 мм с толщиной стенки 6 мм, который, как правило, применяется при создании кабин тракторов. Выглядит не очень эргономичным и слишком массивным, но это самая простая форма. Реальный каркас кабины гораздо сложнее — включает несколько десятков видов профилей, листовой металл и ряд элементов усиления конструкции, которые, в отличие от нашего, расположены не под прямыми углами друг к другу.

Рисунок 1. Прототип силовой конструкции кабины трактора

Для сравнения были взяты две марки Стали 10 по ГОСТ 13663-86 и Powerform 420. Их механические свойства приведены в таблице 1. Отличительной особенностью Powerform 420 является существенно больший уровень предела текучести и прочности.

Таблица 1. Механические свойства материалов, примененных в моделировании

Марка	Модуль упругости, ГПа	Коэффициент Пуассона	Предел текучести, МПа	Предел прочности, МПа	Относительное удлинение, %
10	213	0.3	206	min 343	min 24
Powerform 420	213	0.3	min 420	480-620	min 19

Расчетная схема модели создана на основе ГОСТ Р ИСО 5700-2008 «Тракторы сельскохозяйственные и лесохозяйственные колесные. Устройства защиты при опрокидывании. Метод статических испытаний и условия приемки». Для моделирования взят случай статического продольного нагружения кабины спереди с последующей полной разгрузкой. Полная методика испытания описана в ГОСТ, в работе же реализован упрощенный вариант нагружения конструкции. Это связано с основной целью виртуальных испытаний, а именно, сравнительной оценкой поведения конструкции, изготовленной из Стали 10 и Powerform 420.

На рисунке 2 представлена модель кабины трактора, в которую включены деформируемая кабина (фиолетовым цветом) и абсолютно жесткий брус (серый), посредством которого производится нагружение в направлении, указанном оранжевой стрелкой. Пластины в нижней части опор кабины закреплены неподвижно, серому брусу задается перемещение в 100 мм.

Рисунок 2. Схема нагружения каркаса кабины

На рис. 3 представлены остаточные прогибы каркаса после полного снятия внешней нагрузки. Каркас раскрашен по величине отклонения от исходного положения в направлении перемещения инструмента — нижние опоры кабины практически не сместились, а вот верхний пояс конструкции отклонился более чем на 62 мм. Причиной остаточных прогибов является упруго-пластическое деформирование элементов каркаса. В правой части рисунка 3 — график изменения усилия на инструменте. Весь расчет разбит на два этапа:

0-1 секунда — нагружение конструкции, инструмент за это время равномерно перемещается на заданную величину
1-2 секунда — разгрузка, инструмент также равномерно возвращается в исходное положение

Рисунок 3. Результаты моделирования. Сталь 10

По линейному характеру графика на участке 0-0.25 с. можно предположить, что конструкция претерпит минимальные деформации и практически полностью вернется в исходное положение при перемещении инструмента в 25 мм. Результаты такого расчета отображены на рисунке 4. Из этого следует, что данная конструкция, выполненная из профиля 100х100х6 мм из Стали 10, выдерживает порядка 40 кН при продольном нагружении без значимых остаточных деформаций (остаточное смещение 0.5 мм).

33
%

снижение массы конструкции

Рисунок 4. Результаты моделирования. Сталь 10

Теперь попробуем заменить материал на Powerform 420 и при этом снизить толщину стенки профиля с исходных 6 до 4 мм. Это приводит к общему снижению массы конструкции на 33% с 417 кг до 280 кг.

Рисунок 5. Результаты моделирования. Сталь Powerform 420

На рисунке 5 слева мы видим, что несмотря на снижение толщины стенки за счет более прочной стали, остаточные смещения стали значительно ниже (10.5 мм), чем в аналогичном расчете со Сталью 10 (62.8 мм). Также из графика усилий на инструменте мы видим, что линейный участок заканчивается примерно на 0.7 секунде. Значит, при перемещении инструмента на 70 мм остаточные деформации должны быть минимальны. Результаты расчета представлены на рисунке 6.

Рисунок 6. Результаты моделирования. Сталь Powerform 420

Для наглядности эффективности от замены стали посмотрим на графики в координатах «сила — перемещение» для Стали 10 и Powerform 420 на рисунке 7. На графике отображены два цикла нагружения и снятия нагрузки для обеих конструкций — синим цветом для Стали 10 и красным для Powerform 420.

Рисунок 7. Сравнение сталь 10 и Powerform 420

В случае применения Стали 10 при перемещении инструмента на 100 мм максимальное сопротивление конструкции составляет всего 65 кН. Нижняя часть кривой показывает процесс снятия нагрузки — так как на отметке примерно в 60 мм на инструменте пропадает нагрузка, следовательно, конструкция отклонилась на это расстояние. На фоне этого Powerform 420 (кривая красного цвета) выглядит значительно лучше, с максимальной нагрузкой в чуть более 100 кН и остаточным смещением в 10 мм. И все это при снижении массы конструкции на треть от исходной.

С применением современной технологичной марки стали можно снизить затраты и одновременно повысить эффективность конструкции. По результатам этих расчетов видна общая тенденция и закономерность, но для принятия решения по реальной конструкции требуется провести расчеты по всем видам испытаний и в десятках различных комбинаций.

Мы готовы провести аналогичные исследования для производимых вами изделий с учетом всех требований нормативной документации. В рамках работы могут быть подобраны оптимальные марки стали и сечения профилей, проверены и доработаны конструкции силовых элементов, проведена предварительная оценка изменения затрат и технических характеристик готового изделия. В случае заинтересованности в проведении такой работы свяжитесь с нами по адресу электронной почты engineering@severstal.com.