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
19 апреля 2022 года состоялось заседание секции №6 «Прочность и надежность строительных конструкций зданий и сооружений» Экспертного совета по аттестации программ для ЭВМ при Научно-техническом центре по ядерной и радиационной безопасности (ФБУ «НТЦ ЯРБ») Ростехнадзора.
АО «ЦИФРА» приняла участие в треке «Математическое моделирование» в рамках образовательного форума "Phygital universe", который проходил в Санкт-Петербургском политехническом университете Петра Великого. 27 апреля руководитель инженерной группы АО «ЦИФРА» Юрий Лавров, а также инженеры Рубцов Иван и Васильева Дарья выступили в Высшей школе теоретической механики с презентацией проектов из инженерной практики. 29 апреля Юрий и Дарья оценивали навыки математического моделирования и инженерного мышления участников форума при решении практического кейса от АО «ЦИФРА». По результатам защиты кейсов выбрано 5 победителей, которые получат дополнительные 10 баллов при поступлении в магистратуру в СПбПУ.
Связанные публикации в блоге
Бронеодеждой или БО согласно ГОСТ 34286-2017 называют средства индивидуальной броневой защиты, выполненные в виде пальто, накидок, плащей, костюмов, курток, брюк, комбинезонов, жилетов и т.п., предназначенные для периодического ношения с целью защиты туловища и (или) конечностей человека (за исключением стоп ног и кистей рук) от воздействия холодного оружия и огнестрельного стрелкового оружия, а также поражения осколками (далее - средства поражения). БО применяется тогда, когда может потребоваться защита жизни и здоровья человека. Она классифицируется и для нее проводятся испытания согласно назначенным классам.
Основной эксплуатационной характеристикой судна, определяющей возможности работы судна в ледовых условиях, является его ледовый класс. В прошлом каждое классификационное общество имело свою уникальную систему классификации судов ледового плавания, и, как следствие – свои нормативные требования к таким судам, однако в начале 2000-х годов Международной ассоциацией классификационных обществ (МАКО) была проведена работа по унификации этих требований, результатом которой стало введение двух систем классификации судов ледового плавания: системы балтийских ледовых классов (для плавания в Балтийском море и схожих по ледовым условиям морях) и системы полярных классов (для плавания в полярных водах), при этом требования каждого классификационного общества-члена МАКО остались в силе. Со вступлением в силу в 2017 году Международного кодекса для судов, эксплуатирующихся в полярных водах (Полярного кодекса) особенно актуальным стал вопрос присвоения судну полярного класса. Несмотря на то, что МАКО была определена приблизительная эквивалентность ледовых классов различных систем классификации (см. рис. 1), на практике для получения полярного класса необходимо подтверждение соответствия судна требованиям IACS UR I – requirements concerning Polar Class. Эти требования разделяются на корпус и механические установки. Рассмотрим пример выполнения анализа соответствия механических установок судна полярному классу.
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.