Szukaj Logowanie Kontakt
             Kontakt Blog Kalendarz

  ANSYS Elite Channel Partner ANSYS Polska ANSYS Logo cropped 164px

ANSYS Elite Channel Partner ansys logo czarne tlo SMALL ANSYS Logo cropped 164px
    ANSYS Elite Channel Partner

Motocykle, będące popularnym środkiem transportu, rekwizytem licznych dyscyplin sportowych, a nawet życiową pasją wielu ich użytkowników, zasadniczo różnią się między sobą co do rozmiarów i konstrukcji, w zależności od przeznaczenia. Jednoślady mogą być wykorzystywane zwłaszcza do poruszania się po nawierzchni utwardzanej (motocykle szosowe, skutery) lub jazdy terenowej (motocykle off-roadowe), w celach komunikacyjnych, turystycznych, rekreacyjnych, sportowych, a także wyczynowych. Niezależnie jednak od zastosowania motocykla podstawowym elementem nośnym jego konstrukcji jest rama, od której w dużej mierze zależy bezpieczeństwo kierowcy. Z tego powodu ramy motocykli muszą być poddawane wnikliwym analizom wytrzymałościowym – zarówno teoretycznym, jak i eksperymentalnym.

Niniejsze opracowanie zawiera analizy wytrzymałościowe ramy komercyjnego motocykla terenowego Kawasaki KX 125.

Rama motocykla terenowego Kawasaki KX 125 będąca obiektem analiz
  Model ramy zastosowany do analiz MES

Podjęcie tego tematu wynikało z prowadzonych w ramach Koła Naukowego Mechaników prac nad zaprojektowaniem oraz wykonaniem konstrukcji motocykla terenowego o napędzie elektrycznym. Zgodnie z przyjętą wstępnie koncepcją rama tego motocykla ma być oparta na konstrukcji ramy motocykla Kawasaki KX 125 z uwzględnieniem wymaganych modyfikacji. W związku z tym zdecydowano się na opracowanie numerycznego modelu MES tej ramy, który stanowił punkt wyjścia do oceny wpływu wprowadzonych modyfikacji na właściwości wytrzymałościowe i tym samym na bezpieczeństwo użytkowników konstruowanego motocykla.

 

Model geometryczny ramy motocykla

Na pierwszym etapie praca polegała na stworzeniu numerycznego modelu geometrii analizowanej konstrukcji. W tym celu metodą skaningu laserowego odtworzono zewnętrzny obrys powierzchni ramy, a następnie z zastosowaniem metody ultradźwiękowej przeprowadzono pomiary grubości profili, z jakich została wykonana rama. Dane te umożliwiły opracowanie wstępnego modelu bryłowego ramy w programie SpaceClaim DM, a następnie stworzenie jej geometrycznego modelu w programie Autodesk Inventor 2017.

 

Warunki analizy MES

W celu walidacji numerycznego modelu założono, że przeprowadzone symulacje MES dotyczyły statycznego obciążenia całej konstrukcji nośnej motocykla wraz z układem zawieszenia. Schemat obciążenia ramy, uwzględniający jej warunki podparcia, przedstawiono na rysunku poniżej. Podpory umieszczono w środku osi tylnego i przedniego koła, a punktowi przyłożenia siły F, znajdującemu się w miejscu usadowienia kierowcy, pozostawiono możliwość przemieszczania się jedynie w kierunku pionowym (Y), zgodnie z warunkami zamocowania ramy podczas badań na maszynie wytrzymałościowej. Dla uproszczenia analizy przyjęto, że wszystkie elementy składowe konstrukcji (przednie i tylne zawieszenie oraz koła) z wyjątkiem badanej ramy są elementami sztywnymi, tj. nieodkształcalnymi pod obciążeniem, a ich rolą w symulacji MES jest odpowiednie przyłożenie obciążenia do poszczególnych punktów ramy.

Efektem opisanych założeń było przebudowanie elementów składowych konstrukcji na wirtualne więzy. Aby nie doprowadzić do przesztywnienia analizowanej ramy, połączenia typu rama – subframe zamodelowano jako połączenia cylindryczne. Podczas analiz siatkę elementów skończonych wygenerowano za pomocą funkcji sizing z regulacją średniej wielkości elementu, czego wynikiem jest zestaw typu Solid187 i Beam188.

Ze względu na brak informacji na temat materiału ramy przyjęto, że ma on właściwości idealnie sprężyste, odpowiadające właściwościom stali chromowo-molibdenowej 42CrMo5 (moduł Younga E = 205 GPa, liczba Poissona ν = 0,27). W analizie MES zastosowano pięć poziomów obciążenia – 1, 2, 3, 4 i 5 kN – odpowiadających szczytowym wartościom sił zadawanych na maszynie wytrzymałościowej podczas kontrolowanego obciążania konstrukcji motocykla.

Warunki analizy MES  Sposób zamocowania konstrukcji motocykla na maszynie wytrzymałościowej w trakcie kontrolowanego obciążania  Wirtualne więzy uzyskane w programie Ansys Mechanical

 

Wyniki analizy MES

Symulacje przeprowadzone w programie ANSYS Mechanical dostarczyły wyników, które odpowiadały obciążeniu siłą F = 3 kN (rys. 3), w postaci: maksymalnych naprężeń normalnych, maksymalnych odkształceń normalnych oraz naprężeń zredukowanych według hipotezy Hubera–Misesa–Hencky’ego (HMH).

Rozkład maksymalnych naprężeń głównych σ 1 w analizowanej ramie przy obciążeniu siłą F3 kN a rzut główny Rozkład maksymalnych odkształceń głównych ε 1 w analizowanej ramie przy obciążeniu siłą F3 kN a rzut główny Rozkład maksymalnych odkształceń głównych ε 1 w analizowanej ramie przy obciążeniu siłą F3 kN a rzut główny
Rozkład maksymalnych naprężeń głównych σ 1 w analizowanej ramie przy obciążeniu siłą F3 kN a rzut główny Rozkład maksymalnych odkształceń głównych ε 1 w analizowanej ramie przy obciążeniu siłą F3 kN a rzut główny Rozkład maksymalnych odkształceń głównych ε 1 w analizowanej ramie przy obciążeniu siłą F3 kN a rzut główny

 

Pomiary odkształceń ramy w warunkach jej kontrolowanego obciążenia

Mimo że w badaniach konstrukcji, m.in. w badaniach wytrzymałości, powszechnie wykorzystuje się analizy i symulacje komputerowe, to nadal wykonuje się eksperymenty, umożliwiające walidację modeli teoretycznych. Aby zweryfikować opracowany model MES, w ramach niniejszej pracy przeprowadzono tensometryczne pomiary odkształceń wybranych fragmentów rzeczywistej konstrukcji przy jej kontrolowanym obciążaniu – zgodnie z warunkami przyjętymi w obliczeniach. Koła motocykla zostały umieszczone na szynie wykonanej z walcowanego ceownika, zamocowanego w dolnej szczęce maszyny wytrzymałościowej. Obciążenie zadawano poprzez specjalnie przygotowany element pośredniczący, zamocowany w górnym uchwycie maszyny i pełniący funkcję przegubu kulistego. Dzięki takiemu rozwiązaniu zapewniono symetryczne obciążenie ramy i uniknięto jej przesztywnienia, tj. wyeliminowano możliwość wprowadzenia skupionego momentu siły w miejscu oddziaływania obciążenia w związku z deformacją konstrukcji. Warunki podparcia i warunki obciążenia całej konstrukcji, zrealizowane w sposób maksymalnie zbliżony do rzeczywistości, odpowiadały warunkom brzegowym przyjętym w analizach MES. Za pomocą aparatury pomiarowej rejestrowano wartości odkształceń ε(t) w dziewięciu wybranych punktach pomiarowych.

Przykładowe wyniki badań doświadczalnych dla F = 3 kN przedstawiono na wykresie (rys. 9). Aby ułatwić odczyt wyników, na wykresie umieszczono wartości naprężeń σ, obliczone (przy założeniu, że E = 205 GPa) z wykorzystaniem
zależności:

σ = E ∙ ε

gdzie:
E – moduł Younga,
ε – odkształcenie liniowe materiału.

Przebiegi odkształceń i obliczonych na ich podstawie naprężeń w miejscach naklejenia tensometrówPowyższy wykres przedstawia przebiegi odkształceń i obliczonych na ich podstawie naprężeń w miejscach naklejenia tensometrów T1–T9 przy obciążeniu konstrukcji motocykla siłą zmieniającą się w zakresie od 0,1 do 3 kN.

 

Weryfikacja modelu MES na podstawie wyników badań

Rozkład naprężeń normalnych wzdłuż umieszczenia tensometruW tych miejscach ramy, gdzie dokonywano pomiarów odkształceń z użyciem tensometrów, wyznaczono – w programie ANSYS Mechanical – teoretyczne średnie wartości odkształceń osiowych oraz wartości naprężeń normalnych w obszarach naklejenia tensometrów, na kierunkach zgodnych z ich orientacją, dla każdego z pięciu maksymalnych poziomów obciążenia. Określenie rozkładu tych naprężeń każdorazowo wymagało zdefiniowania lokalnego układu współrzędnych, zgodnego z orientacją tensometru. Przykładowy rozkład tak wyznaczonych naprężeń przedstawiono na rysunku z lewej.

Wartości naprężeń w poszczególnych punktach pomiarowych ramy, przy różnych wartościach obciążenia, wyznaczone odpowiednio na podstawie analiz MES oraz pomiarów eksperymentalnych, przedstawiono na wzkresach poniżej. Porównując oba wykresy, można stwierdzić dobrą (pod względem jakościowym) zgodność naprężeń teoretycznych i wyznaczonych doświadczalnie. Oba podejścia zgodnie identyfikują strefy wysokich i niskich naprężeń. Da się również zaobserwować liniową zależność lokalnych naprężeń
od przyłożonego obciążenia, co w przypadku sprężystych analiz MES jest oczywiste, lecz w przypadku pomiarów doświadczalnych stanowi pośredni dowód, że w układzie nie wystąpiły istotne czynniki bądź zjawiska nieliniowe, wprowadzające odstępstwa od założonego schematu obciążenia.

Wartości naprężeń w poszczególnych punktach pomiarowych wyznaczone na podstawie a analiz MES Wartości naprężeń w poszczególnych punktach pomiarowych wyznaczone na podstawie b pomiarów eksperymentalnych

Porównanie wyników badań doświadczalnych i teoretycznych analiz w poszczególnych punktach pomiarowych przedstawiono na wykresie poniżej. 

Porównanie naprężeń określonych na podstawie MES i pomiarów tensometrycznych

 

Podsumowanie i wnioski

Porównanie wartości naprężeń w poszczególnych punktach pomiarowych ramy, wyznaczonych na podstawie analiz MES i pomiarów eksperymentalnych, pozwala na sformułowanie następujących wniosków:

  • Pod względem jakościowym uzyskano dobrą zbieżność naprężeń teoretycznych i wyznaczonych doświadczalnie. Oba podejścia w zgodny sposób identyfikowały strefy wysokich i niskich naprężeń w analizowanej ramie.

  • Pomijając miejsca ramy, gdzie rejestrowano znikomo małe odkształcenia, zaobserwowano liniową zależność lokalnych naprężeń (wyznaczonych eksperymentalnie) od przyłożonego obciążenia, co jest pośrednim dowodem, że w badanym układzie nie wystąpiły istotne czynniki bądź zjawiska nieliniowe, wprowadzające odstępstwa od założonego schematu obciążenia.

  • Pod względem ilościowym różnice pomiędzy naprężeniami wyznaczonymi teoretycznie i doświadczalnie można uznać za akceptowalne – z wyjątkiem czterech lokalizacji, w których konsekwentnie, przy każdym z rozważanych poziomów obciążenia, naprężenia wynikające z pomiarów eksperymentalnych były niemal dwukrotnie wyższe od naprężeń wyznaczonych teoretycznie. Może to wskazywać, że przyjęto zbyt dużą grubość profili, dla których zanotowano wspomniane rozbieżności, zwłaszcza że akurat w tych przypadkach wyniki pomiaru grubości były niejednoznaczne.

Na podstawie porównania wyników pomiarów doświadczalnych i teoretycznych analiz naprężeń badanej ramy da się wskazać kolejne kroki, które można podjąć w celu udoskonalenia opracowanego modelu MES. Są to:

  • Weryfikacja na obiekcie rzeczywistym, a następnie odpowiednia korekta przyjętych w modelu grubości ścianek tych profili ramy, w przypadku których stwierdzono systematyczne i znaczące różnice pomiędzy wartościami naprężeń wyznaczonych teoretycznie i doświadczalnie.

  • Uwzględnienie odkształceń wszystkich elementów pośredniczących w przenoszeniu obciążenia, w tym również opon i elementów tłumiących.

  • Uwzględnienie mocowań i kontaktów wszystkich elementów ramy.

  • Optymalizacja parametrów siatki generowanej w trakcie analiz MES.

  • Dokładna identyfikacja i konsekwentne uwzględnienie w modelu właściwości mechanicznych materiałów wszystkich części składowych analizowanej konstrukcji.

 

Autorzy:

Szymon Kurpiel, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie, E-Moto AGH

Jacek Krupa, Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

 

Literatura:

1. Balonek J., Gozdur S. „Wprowadzenie do Metody Elementu Skończonego”. Kraków: Akademia Górniczo-Hutnicza, 1999.

2. Deputat J. „Badania ultradźwiękowe”. Gliwice: Instytut Metalurgii Żelaza im. Stanisława Staszica, 1979.

3. Hoffman K. “Introduction to Measurements using Strain Gauges”. Alsbach RFN, 1989.

4. Krupa J. „Analiza wytrzymałościowa MES ramy motocykla enduro.” Kraków: Akademia Górniczo-Hutnicza, 2018.

5. Krupa J., Lachendro M., Nowak W. „Przegląd ram motocyklowych oraz zawieszeń tylnych w odniesieniu do projektu E-Moto AGH”. 54. Konferencja Studenckich Kół Naukowych, Kraków 2017.

6. Będkowski K., Wężyk P. „Skaning laserowy”. Teledetekcja i fotogrametria obszarów leśnych w Polsce. Warszawa: Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, 2014, s. 326–343.

7. Porębska R. „Wybrane zagadnienia oceny własności mechanicznych kompozytów termoplastycznych”. Rozprawa doktorska. Kraków: Politechnika Krakowska, 2008.

8. Rakowski G., Kacprzyk Z. „Metoda elementów skończonych w mechanice konstrukcji”. Warszawa: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, 2016.

9. Siemieniec A., Wolny S. „Wytrzymałość materiałów. Cz. 2”. Kraków: AGH Uczelniane Wydawnictwo Naukowo- -Dydaktyczne, 2004.

10. Siemieniec A., Wolny S. „Wytrzymałość materiałów. Cz. 4”. Kraków: AGH Uczelniane Wydawnictwo Naukowo-Dydaktyczne, 2007.

 

ANSYS dla zespołów studenckich

 

 

Kontakt

 

Powiadomienia

Chcesz wiedzieć gdy dodamy nowy artykuł? Wybierz kategorię, która Cię interesuje!

ANSYS WORKBENCH

Oprogramowanie

STREFA AKADEMICKA