Simulirana meritev togosti - Merjenje togosti primarne strukture dirkalnika Formule Student

Opazimo, da dobimo zelo konsistentne rezultate, kar zagotavlja zanesljivost naše merilne metode.

Slika 13: Deformirana oblika primarne strukture (faktor povečave 16x)

3.2.3. Prototipiranje merilne naprave

Za ekipo Superior Engineering je eksperimentalno merjenje togosti nov, doslej še nepreverjen izziv, zato smo raziskali pretekle izkušnje merjenja togosti drugih ekip.

Ugotovimo, da ne obstaja standardiziran postopek ali naprava za merjenje togosti, vsaka ekipa je doslej izdelala svojo interno napravo.

Metodologija raziskave

Slika 14: Primeri merilnih naprav

Na podlagi pregleda konceptov drugih ekip si določimo približen spisek zahtev, ki jih bo morala izpolnjevati naša merilna naprava.

 Skladnost meritve s simulacijo; poskrbeti je potrebno, da je vpliv konstrukcijskih specifik naprave na meritev čim manjši,

 Visoka togost; kakršnakoli naprava za merjenje togosti mora biti bistveno bolj toga od merjenca, v nasprotnem primeru bo meritev zajemala togost tako primarne strukture kot tudi naprave same,

 Čimvečja prilagodljivost za več vozil. Meritve togosti postanejo zares uporabne, kadar pomerimo več šasij, ki jih lahko primerjamo med seboj in kvantificiramo, za koliko posamezne odločitve in napake v zasnovi in izdelavi šasije vplivajo na togost,

 Praktičnost; nanaša se na enostavnost izdelave, uporabe in tudi na to, koliko prostora bo naprava zavzela v naši dokaj majhni delavnici, kadar ne bo v uporabi,

 Dostopnost materialov in cene; uporabiti želimo materiale in izdelovalne tehnologije, ki so znotraj našega finančnega in logističnega dosega.

Na podlagi teh zahtev sem skozi zimo pripravil nekaj različnih konceptov, ki so z različnim uspehom izpolnjevali naštete kriterije. Naši prototipi se bodo od zgoraj prikazanih konceptov najbolj razlikovali v tem, da bodo snovani za merjenje le primarne strukture in ne hkrati tudi elementov podvozja. Ugotovimo tudi, da je za čim boljšo reprezentacijo realnih obremenitev na monokok smiselno merjenje med sprednjimi in zadnjimi točkami vpetišč podvozja (vse kar je pred in za tem območjem med vožnjo ni obremenjeno oz. ni obremenjeno na enak način).

Metodologija raziskave

3.2.3.1. Prototip 1

Slika 15: Prvi prototip naprave

Za povezovalne elemente in ročico uporabimo kvadratne jeklene pohištvene cevi. Nosilne elemente in ojačitvena rebra predstavljajo po meri narezane 10 mm debele jeklene plošče, ki imajo izvrtane luknje na mestih, ki sovpadajo z luknjami za vpetišča za podvozje. Za pritrditev lahko uporabimo kar iste vijake, matice in podložke, ki držijo podvozje na mestu.

Plošče privijačimo na prav tako po meri narejene »noge« z namenom, da jih lahko snamemo in zamenjamo za meritev drugega vozila, saj ima vsako edinstveno določene točke za vpetišča. Spredaj izvedemo podobno, s tem da dodamo še po meri izdelano vrtišče na vijaku, ki omogoča prilagajanje na različne koničnosti nosov različnih vozil. Zadnji povezovalni

Opomba: Za poenostavitev prikaza uporabljamo v modelu le monokok brez ostalih elementov primarne strukture, prav tako ne prikažemo vseh potrebnih vijakov in matic.

3.2.3.2. Prototip 2

Slika 16: Drugi prototip naprave

V drugem prototipu se znebimo nekaterih vijačnih zvez, kar sicer naredi napravo bolj okorno in manj prilagodljivo, a smo v ekipi sklenili, da je to primerna cena za odpravo šibkih členov

Metodologija raziskave

v smislu togosti naprave. Prilagodljivost v smislu nastavljanja širine je še vedno zagotovljena z vijačno pritrditvijo enega od nosilnih elementov tako spredaj kot zadaj.

3.2.3.3. Prototip 3

Slika 17: Tretji prototip naprave

Tretji prototip predstavlja dodelavo prejšnjega. Rebra na sprednjem in zadnjem delu bistveno povečamo, da se znebimo večine upogibanja in uklanjanja materiala, z istim namenom konstrukcijo spustimo tudi bližje tlom, kar tudi zniža končno maso. V model

3.2.3.4. Prototip 4

Slika 18: Četrti prototip naprave

Četrti in zadnji prototip je nastal na podlagi pomembne ugotovitve. Vsi dozdajšnji modeli in tudi izdelki drugih ekip imajo ključno težavo v vrtišču apliciranega navora. Položaj vrtišča pod šasijo povzroča, da poleg torzije šasijo tudi v veliki meri obremenjujemo na upogib, kar pa ne odraža realnega stanja med vožnjo.

Iz tega razloga spremenimo zasnovo napravo tako, da zadnji del ohranimo enak (dodamo le dva para vzdolžnih cevi za dodatno stabilnost), sprednji del pa ločimo na dve ločeni obremenjeni ročici. Položaj teh premakne vrtišče v notranjost šasije in bistveno bližje njenemu težišču v prečnem prerezu. S tem odpravimo upogibno obremenjevanje in meritev veliko bolj približamo realnemu stanju. Vrtišče s sornikom nadomestimo z okroglo jekleno cevjo z ošiljenim koncem, privarjeno na ravno jekleno podlago za stabilnost. Služi za podporo sprednjega dela vozila. Nosilec na ročici podpremo z dodatnimi rebri (prav tako 10 mm jeklo), ki razbremenijo zvar in tudi odpravijo nekaj upogiba na nosilni plošči.

Metodologija raziskave

Slika 19: Dvojica sil, s katerima apliciramo navor Zaradi vrtišča za končno zasnovo naprave izberemo zadnji, četrti prototip.

3.2.4. Dimenzioniranje

Dimenzioniranje komponent naprave je poseben izziv, saj ne samo, da morajo zdržati obremenitve mase samega vozila in mase uteži, s katerimi bomo strukturo obremenjevali, ampak mora biti pri tem njihov lastni pomik zanemarljivo majhen v primerjavi s pomikom primarne strukture.

Slednji kriterij smo se odločili preveriti na dva načina. Tri ključne sestavne dele poračunamo analitično, obnašanje naprave kot celote pa preverimo s simulacijo v programu Abaqus.

3.2.4.1. Sprednja podpora

Potreben je le poračun cevi na uklon. Obremenjena je s polovico mase vozila brez podvozja.

Za varnostni faktor vzamemo kar polovico celotne mase vozila, ki znaša 210 kg. Uklona ne želimo imeti zaradi želje po minimaliziranju pomikov celotne naprave, zato moramo paziti, da je cev obremenjena na čisti tlak. Odločimo se za jekleno cev premera 20 mm z debelino stene 2 mm, ki je zelo splošno dostopna, v delavnici jih imamo veliko na rezervo. Poračunati je potrebno, če je primerna.

Slika 21: Sila na sprednjo podporo

Za poračun uklona potrebujemo sledeče enačbe. Predpostavimo lastnosti mehkega jekla.

𝜆_𝑑𝑒𝑗= β⁡L

Metodologija raziskave

Poračunajmo obe meji vitkosti in dejansko vitkost.

𝜆_PR= π⁡√ 𝐸

Dejanska vitkost pade v območje čistega tlaka.

𝜎 =𝐹_{𝑝𝑣𝑜𝑧} Ocenimo, da je cev primerna.

3.2.4.2. Zadnja podpora

V zadnjih podporah zaradi reber do uklona ne bo prišlo, poračunati je potrebno le tlak v nosilnih ploščah. Vsaka plošča nosi četrtino mase vozila.

Slika 22: Sila na zadnjo podporo

𝜎 =𝐹_{č𝑣𝑜𝑧}

Nosilca predstavljata ročico znane dolžine za silo, s katero bomo aplicirali navor na primarno strukturo. Imeti mora ravno pravšnjo dolžino in debelino stene, ker v nasprotnem primeru naletimo na sledeče težave:

 Prevelika dolžina bi pomenila prevelik poves nosilca, kar bi pomenilo, da bi rabili debelejšo steno, kar bi zelo zvišalo maso

 Premajhna dolžina bi pomenila, da bi na konec ročice morali dodati bistveno več mase za dani navor

 Predebela stena bi pomenila nepotrebno visoko maso

 Pretanka stena bi pomenila prevelik poves na koncu nosilca

Metodologija raziskave

Dimenzioniranje nosilca predstavlja nekoliko večji izziv, saj se izkaže, da je težko napovedati obnašanje nosilca v razmerju z deformacijo primarne strukture, zato uvedemo določene poenostavitve.

Smatramo, da primarna struktura predstavlja konzolo, v katero bo vpet nosilec, torej predpostavimo, da bo deformacija strukture enaka 0. Določimo, da je sprejemljiva vrednost največjega povesa nosilca 5 mm pri obremenitvi do meje tečenja. Vemo tudi, da bomo imeli dva nosilca za dvojico sil pri dolžini približno 1 m, kar pomeni, da imamo lahko na podlagi ugotovitev v poglavju 3.2.1 za vsak nosilec inkrement obremenjevanja po korakih po 5 kg do približno 50 kg (za pridobitev kar največ podatkov), kar ustreza skupnemu navoru pribl. 1000 Nm na primarno strukturo. Nosilec bi radi dimenzionirali do meje tečenja pri približno 150 kg za primer, če bi recimo na nosilec kaj padlo ali bi se na njega kdo spotaknil ali usedel.

Po raziskovanju različnih presekov nosilcev ugotovimo, da bo glede na trdnost, dostopnost, ceno in zahtevnost montaže najbolj primerna pohištvena cev 80 mm x 40 mm z za zdaj še neznano debelino stene. Iskanje najbolj primerne cevi bomo ločili na 3 primere dolžine cevi (ker dolžina od vseh količin najbolj vpliva na poves), za katere bomo s pomočjo analitičnega računa in simulacije na primarni strukturi določili, katera je najbolj primerna za uporabo.

Kriteriji za to bodo:

 skupna masa ročice (pri maksimalni obremenitvi nosilca s 500 Nm),

 poves,

 maksimalna nosilnost in tudi

 maksimalna dolžina, saj smo nekoliko omejeni s prostorom v delavnici.

Slika 23: Diagram upogiba in prerez nosilca Enačbo upogibnice izpeljemo iz diferencialne enačbe upogibnice.

𝑦´´(𝑥) = −𝑀(𝑥) 𝐸⁡𝐼_𝑧

(3.9)

𝑦^′′(𝑥) = 𝐹⁡𝑥 𝐸⁡𝐼_𝑧

∫𝐹⁡𝑥

𝐸⁡𝐼_𝑧⁡𝑑𝑥 = 𝐹⁡𝑥²

2⁡𝐸⁡𝐼_𝑧+ 𝐶₁= 𝑦′(𝑥)

∫ (𝐹⁡𝑥²

2⁡𝐸⁡𝐼_𝑧+ 𝐶₁) 𝑑𝑥 = 𝐹⁡𝑥³

6⁡𝐸⁡𝐼_𝑧+ 𝐶₁𝑥 + 𝐶₂= 𝑦(𝑥) Robni pogoji:

𝑦(𝑥 = 0) = 0

Metodologija raziskave

Maksimalna sila, s katero lahko obremenimo nosilec z dano dolžino in presekom:

𝐹𝑚𝑎𝑥=σ𝑑𝑜𝑝⁡I𝑧

𝑦⁡𝐿

(3.12)

Pri čemer je 𝑦 = 40⁡mm in 𝜎_𝑑𝑜𝑝 = 200⁡MPa.

Za pomoč si spišemo program v Wolframu Mathematici, ki nam za dano dolžino in debelino stene nosilca izračuna že omenjeno največjo nosilnost, največji poves, maso celotne ročice z nosilno ploščo vred in skupno maso ročice z utežmi za skupni navor 1000 Nm. Maso nosilca na enoto dolžine najdemo na spletni strani inpos.eu.

Primerjali bomo cevi z dolžino 750 mm, 1000 mm in 1250 mm. Za vsako bomo tudi spreminjali debelino stene in opazovali, katera se bo na podlagi naštetih kriterijev izkazala za najbolj primerno.

Količina/dolžina (t = 2 mm) 750 mm 1000 mm 1250 mm

Max. poves [mm] 2,34 4,17 6,51

Max. obremenitev [kg] 264,92 198,65 158,91

Masa ročice [kg] 9,3 10,19 11,08

Masa uteži [kg] 53,65 42,47 35,15

Skupna masa [kg] 62,95 52,66 46,23

In document Merjenje togosti primarne strukture dirkalnika Formule Student (Strani 33-47)