Проекты

Расчет на прочность кассеты крепления газовых баллонов автотранспорта

В двигателях внутреннего сгорания традиционно в качестве рабочего продукта используются производные нефти – бензин или дизельное топливо. В целях повышения экономической эффективности транспортные средства подвергают переоборудованию под сжатый природный газ, особенно часто это происходит для грузовых ТС. Экономия от внедрения газобаллонного оборудования (ГБО) может достигать 40% по сравнению с использованием дизельного топлива.

Именно по причине экономической эффективности всё чаще топливные системы грузовых автомобилей трансформируются в системы, работающие на сжатом природном газе. Требования в отношении элементов крепления топливных баллонов регламентируются Правилами ЕЭК ООН №110.

Требования Правил ЕЭК ООН №110

Правила ЕЭК ООН №110 устанавливают требования к элементам специального оборудования механических транспортных средств, двигатели которых работают на сжатом природном газе (СПГ), а также к транспортным средствам (ТС) в отношении установки элементов специального оборудования официально утвержденного типа для использования в их двигателях на СПГ.

Сжатый природный газ используют в качестве топлива чаще всего на грузовых ТС. Топливные баллоны с газом располагаются на внешней части ТС (рисунок 1).

Рисунок 1 – Топливная система на сжатом природном газе

Конструкции, удерживающие топливные баллоны, бывают различных модификаций, однако чаще всего имеют основные общие конструктивные элементы: 

  • Стальные хомуты, прижимающие баллоны к несущей части конструкции.
  • Кронштейны, отвечающие за несущую способность конструкции.

Типовая конструкция, удерживающая топливные баллоны, представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Типовая конструкция для топливных баллонов

Подобные системы крепления баллонов разрабатываются и применяются, в т.ч. на тягачах и фургонах с двухтопливной системой питания марок ГАЗ, Камаз, УАЗ, Volvo, Scania, DAF, MAN, Mercedes-Benz, Iveco, Isuzu, Renault, FORD, Hino.

Обеспечение прочности кассеты для баллонов

Правила ЕЭК ООН №110 описывают основные требования, предъявляемые к ТС, работающим на СПГ. Обеспечение прочности конструкции для крепления топливных баллонов, является одной из ключевых задач проектирования. В подпункте 17.4.4 Правил предъявляется следующее требование к топливным баллонам и удерживающей их конструкции для различных категорий ТС:

«Топливный баллон (топливные баллоны) … должен быть установлен и закреплен (должны быть установлены и закреплены) таким образом, чтобы при полных баллонах могли поглощаться следующие нагрузки (без причинения повреждений):

Транспортные средства категорий M1 и N1:

а) 20g по направлению движения;

б) 8g по горизонтали, перпендикулярно направлению движения.

Транспортные средства категорий M2 и N2:

а) 10g по направлению движения;

б) 5g по горизонтали, перпендикулярно направлению движения.

Транспортные средства категорий M3 и N3:

а) 6,6g по направлению движения;

б) 5g по горизонтали, перпендикулярно направлению движения.»

Также в данном пункте Правил указывается, что разрешается вместо практических (натурных) испытаний на полигоне использовать расчетные методики. Соответственно, задачу испытания конструкции кассеты топливных баллонов на прочность возможно решить с использованием численного моделирования и инженерных расчетов в программной систее Ansys.

Ansys является программным продуктом, с помощью которого решается большой спектр задач с использованием метода конечных элементов (МКЭ). МКЭ – численный метод решения дифференциальных уравнений для решения практических инженерных задач динамики и прочности конструкций.

В качестве нагрузок, действующих на конструкцию, выступают: ускорение и собственный вес конструкции. Также при выполнении данной задачи учитывается:

  1. Последовательность монтажа топливных баллонов на конструкцию путем поочередного затягивания крепежных элементов.
  2. Трение между топливными баллонами и прилегающими элементами.

После решения статической задачи прочности, проводится оценка удовлетворения требованиям Правилам ЕЭК ООН №110. На рисунке 3 представлено распределение полных перемещений типовой конструкции при воздействии на нее ускорения перпендикулярно направлению движения ТС. Рисунок 4 демонстрирует возникающие эквивалентные напряжения в типовой конструкции при воздействии данной нагрузки.

Рисунок 3 – Полные перемещения конструкции, мм

Рисунок 4 – Напряжения по Мизесу, МПа

Нагрузки должны поглощаться без причинения повреждений, значит в качестве критерия удовлетворения конструкции нормам можно принять допустимые пластические деформации. Если в результате расчета пластические деформации оказались меньше установленного критерия, значит конструкция удовлетворяет требованиям ЕЭК ООН №110.

Заключение 

При проектировании конструкции крепления топливных баллонов к ТС для экономии средств и времени на натурные испытания и последующие конструкционные изменения, рекомендуется применять численное моделирование для проведения виртуальных испытаний конструкции и определения ее соответствия требованиям ЕЭК ООН №110, а также оптимизации. АО "ЦИФРА" имеет успешный опыт выполнения расчетов прочности с выдачей положительного заключения о соответствии требованиям пп. 17.4.4 Правил ЕЭК ООН №110.

 

Связанные новости
АО «ЦИФРА» и Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого заключили договор об организации стажировок для студентов по направлению «Механика и математическое моделирование». 16 апреля ведущий специалист АО «ЦИФРА» Мария Чуковенкова выступила в Высшей школе теоретической механики с презентацией о возможностях стажировки в компании. Студенты Политеха старших курсов смогут пройти летнюю практику в компании «ЦИФРА», применить знания для участия в реальных проектах под руководством опытных экспертов компании.
Сотрудники АО «ЦИФРА» приняли участие в заседании секции № 3 «Техническая эксплуатация и ремонт флота, охрана труда» научно-технического совета АО «ЦНИИМФ» (Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт морского флота). Инженер по динамике и прочности АО «ЦИФРА» Андрей Дмитриев выступил с докладом о предстоящем совместном выполнении НИР по расчетному обоснованию эксплуатации железобетонного судна согласно правилам Российского морского регистра судоходства (РС). Также участники заседания рассмотрели тему проектирования судовых конструкций с использованием технологий топологической оптимизации.
Связанные публикации в блоге
Ограждающие конструкции зданий и сооружений проходят проверку на звукоизолирующую способность. Соответствие бетонных/железобетонных перекрытий нормам по звукоизоляции оценивается путем проведения натурных или лабораторных испытаний на воздействие воздушного и ударного шума
Сегодня утром Ever Given на 80% сняли с мели в Суэцком канале. Контейнеровоз блокировал транспортировку грузов с 23 марта, в заторе оказалось 450 судов, по информации в СМИ. Каждый день перекрытия Суэцкого канала обошелся мировой экономике потерями в 9,6 млрд долларов (Bloomberg). Делимся взглядом на событие с точки зрения специалистов в области решения инженерных задач.
Связанные вебинары
В рамках Договора о научно-техническом сотрудничестве между АО «ЦНИИМФ» и АО «ЦИФРА» на данном вебинаре заведующий отделом конструктивной надежности и защиты судов от коррозии АО «ЦНИИМФ» Алексей Петров расскажет об имеющемся опыте и перспективах использования компьютерного моделирования для решения различных задач, связанных с ремонтом или модернизацией судов в эксплуатации.
АО "ЦИФРА" объявляет о проведении серии лекций-вебинаров от ведущих приглашенных экспертов в области численного моделирования. В ходе первого вебинара данной серии будут рассмотрены вопросы прочностного анализа «легких» (lightweight) композитных конструкций при динамическом нагружении с использованием явных решателей (сеточного и бессеточного) ПО LS-DYNA.

Закажите расчет

Команде профессионалов
Изменить файл
Поля, отмеченные звездочкой (*) обязательны для заполнения.