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

Abstract

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 стати-ческой прочности и долговечности соединений реализована соответственно на основе верифицированных МКЭ моделей армированных соединений и аналитических экспериментальных зависимостей. The paper presents a new approach for design of long-length car bodies with predetermined fatigue strength, which utilizing bonded joints with low-modulus adhesives and transversal reinforcement. Ready-to-use composite sandwich panels with GFRP skins are bonded into a metal frame during the production process of a frame-panel car body. Joints used for this process can be classified as single-lap ones. High requirements for strength/weight ratios of modern car bodies demand smoothing the loads on panels and a frame, especially in the case of steel frames with significant deviations from ideal design geometry (alternating gaps between frame and panels). Smoothing can be satisfied by means of stiffness control of bond lines with alternating thickness. The new conception of stiffness control by using of small diameter self-tapping screws is proposed. The conception implemented by usage of developed nomograms, which relates bond line thickness, reinforcement pitch (distance between reinforcement elements) and shear stiffness per unit length of lap joints. The nomograms allow determining reinforcement pitch in respect with given both a bond line thickness and a shear stiffness of joints. The mentioned design approach is demonstrated on the example of a low-floor tram car body. After the determination of a reinforcement pitch the appropriate estimation of loads on joints and frame is carried out. Loads obtained from simplified FE car body model and refined by usage special adjustment factors, which calculated on the base of detailed FE modeling of typical frame-panel structures. The static and fatigue strength analysis performed by verified FE models of bonded/screwed joints and analytical experimental dependencies respectively