Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

ПРОЧНОСТНОЙ АНАЛИЗ РАМЫ БОЛИДА «ФОРМУЛА СТУДЕНТ» ПНИПУ

Научная статья
Головин Д.В.
Выпуск: № 9 (40), 2015
Опубликована:
2015/10/15
PDF

Головин Д.В.

Магистрант, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ПРОЧНОСТНОЙ АНАЛИЗ РАМЫ БОЛИДА «ФОРМУЛА СТУДЕНТ» ПНИПУ

Аннотация

Работа посвящена определению прочностных характеристик пространственной трубчатой рамы спортивного автомобиля класса «Формула Студент».

Ключевые слова: FSAE, Формула Студент, пространственная трубчатая рама, Solidworks, прочность.

Golovin D.V.

Master student, Perm National Research Polytechnic University

STRENGTH ANALYSIS OF FORMULA STUDENT SPACE FRAME

Abstract

The work is dedicated to the definition of the strength characteristics of the tubular space frame for FSAE racecar.

Keywords: FSAE, Formula Student, tubular space frame, Solidworks.

Работа и ее актуальность связана с подготовкой к участию в международных соревнованиях «Формула Студент» команды Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ). Целью соревнований является разработка студентами собственного болида формульного типа с целью участия и победы в соревнованиях [1].

Несущая система болида играет основополагающую роль в его конструкции. Прочностные характеристики рамы являются самыми важными параметрами любого гоночного автомобиля, поскольку от них зависит безопасность пилота в случае аварийной ситуации. В ходе проектирования рамы разработчикам необходимо прийти к компромиссу между достаточной прочностью конструкции и ее низкой массой.

Разработка модели конструкции рамы (рисунок 1) производилась при помощи программного продукта «Solidworks 2015 Student edition»[2].

Так как основная часть соревнований «Формула Студент» посвящена динамическим испытаниям гоночных автомобилей, требования регламента в большей степени посвящены безопасности пилота во время управления болидом. Разработка конструкции рамы производилась согласно регламенту и отвечает его требованиям:

  • произведен выбор материала сталь 20 [3], отвечающий требованиям регламента;
  • произведена компоновка обязательных элементов силовой структуры и триангуляция их в узлы;
  • соблюдены размеры основных профилей сечений элементов силовой структуры.

Несмотря на тот факт, что рама разработана согласно с основными требованиями регламента, предъявляемыми к несущим системам гоночных автомобилей данного класса, немаловажным этапом при разработке оказалась оценка безопасности спроектированной конструкции несущей системы. В части AFR (alternative frame rules - альтернативные требования к конструкции несущей системы) регламента соревнований «Формула Студент» описана методика оценки пассивной безопасности конструкции рамы, для команд, которые разрабатывают несущую систему не в соответствии с частью Т [1].

14-09-2015 10-14-55

Рис.1 - Модель разработанной рамы

1. Лист передней перегородки 2. Передняя перегородка 3. Опоры передней перегородки 4. Передняя дуга 5. Распорка передней дуги 6. Верхняя труба боковой защиты 7. Труба крепления плечевых ремней 8. Главная дуга 9. Распорки главной дуги 10. Опоры главной дуги 11. Диагональная труба боковой защиты 12. Основание главной дуги 13. Нижняя труба боковой защиты.

 

Согласно части AFR регламента было выбрано несколько нагрузочных режимов для оценки безопасности несущей системы:

  • Нагрузка вершины передней дуги статическими силами в направлении продольной оси автомобиля - 6кН, поперечной оси - 5 кН, вертикальной оси - 9кН.
  • Нагрузка вершины главной дуги статическими силами в направлении продольной оси автомобиля - 6кН, поперечной оси - 5 кН, вертикальной оси - 9кН.

Данные режимы нагружения имитируют распространенные аварийные ситуации (фронтальный удар, боковой удар, опрокидывание) и в значениях статических нагрузок учтен коэффициент динамичности. Оценка производилась по максимальному перемещению элементов - не более 25 мм, и по минимальному коэффициенту запаса прочности элементов - более 1 (разрушение нигде не должно произойти).

Оценка прочностных характеристик осуществлялась при помощи программного модуля «Solidworks Simulation» [4]. Производилась фиксация рамы в местах крепления подвески, приложение сил к элементам вершин главной и передней дуги и получение эпюр запаса прочности и перемещений [5, 6]. На рисунках 2 и 3 представлены типичные эпюры запаса прочности и перемещений элементов рамы. Для наглядности результаты расчета приведены в таблице 1. Минимальный запас прочности и максимальное перемещение элементов рамы равны 1.04 и 7.72 мм соответственно, данные значение относятся к режиму нагружения верщины главной дуги силой 5 кН вправо в направлении поперечной оси автомобиля (рисунки 2, 3).

14-09-2015 10-15-06

Риc. 2 - Эпюра запаса прочности при нагружении вершины главной дуги силой 5 кН в поперечном направлении.

14-09-2015 10-15-31

Риc. 3 - Эпюра перемещений при нагружении вершины главной дуги силой 5 кН в поперечном направлении.

Таблица 1 - Результаты прочностного расчета рамы

14-09-2015 10-17-59

По результатам проведенного анализа прочностных характеристик спроектированной рамы болида класса «Формула Студент» в программном продукте Solidworks Simulation по методике, описанной в регламенте FSAE, были получены результаты в виде эпюр перемещений и запаса прочности, по которым можно судить, что спроектированная конструкция рамы в соответствии с частью Т обеспечивает безопасность пилота во время динамических испытаний на должном уровне.

Литература

  1. 2015 Formula SAE Rules [Электронный ресурс]. – URL: http://www.fsaeonline.com/content/2015-16%20FSAE%20Rules%20revision%2091714%20kz.pdf (дата обращения: 15.05.2015).
  2. Руководство для учащихся по изучению программного обеспечения SolidWorks. Dassault Systèmes SolidWorks Corporation, 1995-2010; компания Dassault Systèmes S.A., 300 Baker Avenue, Concord, Mass. 01742 USA [Электронный ресурс]. - URL: https://www.solidworks.com/sw/docs/Student_WB_2011_RUS.pdf (дата обращения: 15.05.2015).
  3. Головин Д.В., Бояршинов Д.А. Выбор материала для рамы болида «Формула Студент» // Сборник трудов III Всероссийского форума «Студенческие инженерные проекты». - М: МАДИ, 2015. – С.20.
  4. An Introduction to Stress Analysis Applications with SolidWorks Simulation, Student Guide [Электронный ресурс]. - URL: http://www.solidworks.com/sw /docs/Simulation_Student_WB_2011_ENG .pdf (дата обращения: 15.05.2015).
  5. William B. Riley, Albert R. George. Design, Analysis and Testing of a Formula SAE Car Chassis. Cornell University. SAE technical paper series. Motorsports Engineering. Conference & Exhibition. Indianapolis, Indiana. December 2-5, 2002
  6. Гончаров К.О., Кулагин А.Л., Тумасов А.В., Орлов Л.Н. Имитация условий аварийного нагружения каркаса спортивного автомобиля класса «Формула Студент» [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. ­– 2012. – № 6. – URL: http://www.science-education.ru/pdf/2012/6/518.pdf (дата обращения: 30.05.2015).

References

  1. 2015 Formula SAE Rules, available at: http://www.fsaeonline.com/content/2015-16%20FSAE%20Rules%20revision%2091714%20kz. pdf (accessed 15 May 2015).
  2. Rukovodstvo dlia uchashchikhsia po izucheniiu programmnogo obespecheniia SolidWorks [Guide for students to study the SolidWorks software]. Dassault Systèmes SolidWorks Corporation, 1995-2010; kompaniia Dassault Systèmes S.A., 300 Baker Avenue, Concord, Mass. 01742 USA, available at: https://www.solidworks.com/sw/docs /Student_WB_2011_RUS.pdf (accessed 15 May 2015).
  3. Golovin D.V., Boiarshinov D.A. Vybor materiala dlia ramy bolida «Formula Student» [Choice of material for a frame of the car Formula Student]. Sbornik trudov III Vserossiiskogo foruma «Studencheskie inzhenernye proekty». Moscow: MADI, 2015. pp. 20.
  4. An Introduction to Stress Analysis Applications with SolidWorks Simulation, Student Guide available at: http://www.solidworks.com/sw/docs/Simulation_Student_ WB_2011_ENG.pdf (accessed 15 May 2015).
  5. William B. Riley, Albert R. George. Design, Analysis and Testing of a Formula SAE Car Chassis. Cornell University. SAE technical paper series. Motorsports Engineering. Conference & Exhibition. Indianapolis, Indiana. December 2-5, 2002.
  6. Goncharov K.O., Kulagin A.L., Tumasov A.V., Orlov L.N. Imitatsiia uslovii avariinogo nagruzheniia karkasa sportivnogo avtomobilia klassa «Formula Student» [Simulated emergency loading conditions of frame of a sport car class "Formula Student"]. Sovremennye problemy nauki i obrazovaniia, 2012, no.6, available at: http://www.science-education.ru/pdf/2012/6/518.pdf (accessed 30 May 2015).