Na pojazdy i naczepy podczas eksploatacji działają obciążenia powodujące powstawanie rozmaitych rozkładów naprężeń. Szczególnie dotyczy to pojazdów kłonicowych, które, zazwyczaj poruszają się po wyboistych drogach gruntowych, a więc pracują w warunkach eksploatacyjnych niezwykle trudnych dla konstrukcji.

Paula Stankiewicz, Piotr Harnatkiewicz

Metody numeryczne umożliwiają szybkie i łatwe sprawdzenie wielu definiowanych kierunkowo przypadków obciążeniowych, zweryfikowanie konstrukcji dla każdego z nich oraz pomagają określić elementy konstrukcje, które można lub należałoby poddać optymalizacji [1].

Do przeprowadzenia statycznych analiz wytrzymałościowych naczepy kłonicowej przygotowane zostały dwa zestawy symulacji; w pierwszym z nich założono, że konstrukcja zostanie wykonana ze stali Domex 700, a w drugim za materiał konstrukcyjny przyjęto stal S355.

Rys. 1  Model bryłowy naczepy wraz z osprzętem

Stale Domex to rodzina walcowanych na gorąco, niskostopowych specjalnych stali konstrukcyjnych o podwyższonej wytrzymałości. Są one stalami niskowęglowymi, o zawartości węgla do 0,12%. Wykorzystuje się je głównie w przemyśle motoryzacyjnym, leśnym, maszyn roboczych oraz kolejnictwa. Stale te nadają się do obróbki plastycznej na zimno, są dobrze spawalne. Są one dostępne w wielu odmianach, różniących się granicą plastyczności, odporności na ścieranie, spawalnością czy odpornością na korozję.

Stale S355 są to zwykłe, powszechnie znane stale konstrukcyjne, stosowane w różnych gałęziach przemysłu. [2, 3]

Na potrzeby obliczeń numerycznych bryłowy model geometryczny CAD (Rys. 1) został przerobiony na model powierzchniowy – na powierzchnie zostały zmienione elementy cienkościenne (Rys. 2, 3).

Rys. 2  Model powierzchniowy naczepy

Model przygotowano z zachowaniem należytej staranności, odpowiednio definiując nowy kształt geometryczny, tak by modyfikacje wprowadzone pod obliczenia nie wpłynęły na zmianę sztywności i zachowania się obiektu podczas analiz, co w konsekwencji mogłoby wiązać się z otrzymaniem niespójnych wyników. Zamodelowano również spoiny z uwzględnieniem przewidywanej ich grubości.

Rys. 3  Widok na przednią część modelu dyskretnego ramy

Do dyskretyzacji elementów cienkościennych użyto elementów dwuwymiarowych. Konieczne było stworzenie uproszczonych modeli zastępczych takich elementów jak kłonice, zawieszenie czy ciągnik siodłowy, by przybliżyć wartości otrzymane w wyniku symulacji do rzeczywistych, jakie będą występowały podczas pracy konstrukcji.

W całościowym rozpatrywaniu problemu konieczne było również zamodelowanie ciągnika siodłowego. Było to związane z potrzebą uwzględnienia podatności zawieszenia oraz opon pojazdu. W warunkach rzeczywistych zarówno zawieszenie jak i opony ciągnika oraz naczepy uginają się pod wpływem ciężaru ładunku. Sytuację taką należy również odwzorować w analizach numerycznych. W przypadku pominięcia tych aspektów mogłoby dojść do sytuacji znacznego przewymiarowania przedniej części konstrukcji.

Model ciągnika siodłowego na potrzeby analizy wykonano w sposób uproszczony. Składał się on z powierzchni modelującej górną powierzchnię ciągnika oraz sprężyn, którym nadano sztywności opon i zawieszeń. Pomiędzy powierzchnią ciągnika a ramą naczepy zamodelowano kontakt (Rys. 4).

Rys. 4  Widok na model uproszczony ciągnika

Zawieszenie zamodelowano również w sposób uproszczony. Elementy konstrukcyjne zamodelowano jako belki o odpowiednim przekroju poprzecznym. Podatne części zawieszenia zamodelowano wykorzystując elementy typu spring o odpowiednich parametrach. Opony zostały zamodelowane jako belki o długości promienia opony (Rys. 5).

Rys. 5  Wycięty fragment modelu dyskretnego pokazujący jedną oś z zawieszeniem

Do ustalenia przypadków obciążeniowych wykorzystano m.in. wyniki prac badawczych z przeprowadzonych wcześniej projektów oraz rygorystyczne wytyczne norweskiej normy DNV. Według nich obliczenia wytrzymałościowe konstrukcji naczep powinny być przeprowadzone dla kilku przypadków odwzorowujących rzeczywiste sytuacje obciążeń podczas normalnej eksploatacji naczepy.