Схема организации исследований при разработке нового изделия

 

В разделе 1.4 подробно проанализировано существующее положение в области прогнозирования поведения в эксплуатации шин вообще и резинокордных деталей шин, в частности. На основе проведенного анализа сформулированы задачи, решение которых должно позволить перевести процедуру прогнозирования в лабораторных условиях с качественного на количественный уровень. При этом основной упор сделан на то, чтобы в большей или меньшей степени учесть все основные факторы, оказывающие заметное влияние на работоспособность резинокордных деталей.

Первая задача состояла в том, чтобы с требуемой высокой точностью описать квазиупругие нелинейные свойства резины в условиях сложного НДС, соответствующего реальной ситуации в шине. Её теоретическое решение и экспериментальная проверка даны в главе 2, что позволило перейти ко

второй задаче: разработке методов расчета свойств резинокордных композитов, исходя из вида упругого потенциала резины и строения РКК. Её решение, осуществленное в главе 3, необходимо для расчета НДС, возникающего между нитями корда в слое и между слоями при известных средних деформациях в данной детали шины. Кроме этого, решение данной задачи позволило решить

третью задачу: предложить конструкцию и рассчитать характеристики специальных образцов для лабораторных испытаний, в которых реализуется НДС, с высокой степенью приближенное к НДС в данном месте шины. Эта задача предполагает более точное прогнозирование свойств резины и РКК в результате реального неизотермического процесса вулканизации, меняющегося от точки к точке в массе шины.

Наконец, четвертая задача, явным образом не сформулированная, но необходимая при решении всех названных проблем, предполагает повсеместное использование методов статистики. В результате этого все расчеты и эксперименты приведены с указанием погрешности при заданной доверительной вероятности.

После того, как решены перечисленные задачи, можно приступить к формулированию концепции прогнозирования работоспособности. Вернее, к развитию концепции, подробно проанализированной в главе 1.

Предлагаемая схема организации исследований при разработке нового изделия проиллюстрирована на рис. 5.4.1. Все, что в этой схеме новое, будет нами отмечено.

Работа над новым изделием начинается с определения его целевой функции (или функционала) R, который может быть выбран в виде (5.4.1). Показателями B_i (i = 1,…, M), от которых зависит R, являются выходные характеристики - масса шины, габариты, жесткостные характеристики, значения максимальной нагрузки на шину и максимальной скорости, сцепные свойства, потери на качение, гарантийный пробег, показатели шума, силовой и геометрической однородности, комфортности и проч. Сюда же входит и цена шины.

Показатели B_i зависят от переменных A_j (j = 1,…, N), которыми являются варьируемые параметры, характеризующие конструкцию шины и свойства ее материалов.

На основе целевой функции производится выбор исходного варианта в виде хорошо зарекомендовавшего себя аналога. Для построения нового изделия следует применить метод планирования компьютерного эксперимента. Изложим смысл этого этапа.

Будем исходить из того, что в нашем распоряжении имеется совершенная компьютерная программа (или пакет программ), которая, используя параметры конструкции шины и свойства составляющих ее материалов, а также условия работы шины, выдает интересующие конструктора характеристики (жесткость, потери на качение, пробег до разрушения, сцепные свойства, и проч.). Другими словами, заложив в программу исходные данные A_j (j = 1,…, N), на выходе получают значения выходных показателей B_i (i = 1,…, M) и другие требуемые характеристики готового изделия. Имеющиеся пакеты, их возможности и ограничения проанализированы в обзоре. Ниже будут указаны пути их усовершенствования с учетом результатов, полученных в данной работе.

Используя известные методы планирования эксперимента [276, 285, [288]], получим с помощью этого пакета требуемое число «экспериментальных» точек (слово «экспериментальных» мы взяли в кавычки, потому что это не реальный, а компьютерный эксперимент). Под точкой понимается один вариант шины, для которого определены (рассчитаны) B_i по заданным A_j. Далее применим методы регрессионного анализа и рассчитаем коэффициенты для выбранной модели связи B_i с A_j (например, в виде (5.3.1)). Задача состоит в нахождении величин A_j, обеспечивающих оптимальные значения величин B_i [[289]]. В качестве критерия оптимизации выберем функционал следующего вида:

(5.4.1)

Здесь:

m₃ – общее число показателей оптимизации,

m₁ – число показателей, входящих в m₃ и ограниченных сверху и снизу,

m₂ - m₁ – число показателей, входящих в m₃ и ограниченных снизу,

m₃ - m₂ – число показателей, входящих в m₃ и ограниченных сверху,

B_i^тpеб - середина интервала требуемых значений i -го показателя,

B_i^max – максимальное значение i -го показателя,

B_i ^min – минимальное значение i -го показателя

DB_i - полуширина интервала требуемых значений i -го показателя,

n₁, n₂, n₃ – степени, определяющие форму области допустимых значений показателей B_i (n₁ – четное число).

 

Первый член выражения (5.4.1) описывает показатели, ограниченные и сверху, и снизу. Например, длина заготовки протектора, ширина брекера и другие геометрические размеры.

Второй член описывает показатели, ограниченные снизу. К ним относятся: число километров до разрушения каждой детали (это могут быть разные величины с учетом, например, многократного восстановления протектора); сцепные свойства.

Третий член описывает показатели, ограниченные сверху. Например: потери на качение; силовая и геометрическая неоднородность; масса; шумообразование; вибрация.

Кроме указанных, могут быть показатели, не имеющие количественного выражения. Например: внешний вид, комфортность при езде, экологическая безопасность, способность к утилизации. Для них может быть использована балльная оценка, сводящая данные показатели к описанным трем типам.

Однако условия (5.4.1) недостаточно. Задача оптимизации будет решенной, если будут выполнены неравенства

(5.4.2)

Вид целевого функционала (5.4.1) при его минимизации с соблюдением условий (5.4.2) позволяет отобрать множество вариантов, показатели B_i которых находятся в заданных областях значений, характеризующих конструкцию шины и свойства ее материалов. Чем больше n, тем ближе R к нулю внутри области допустимых значений и тем быстрее возрастает за границами этой области.

Для небольших значений m₃ минимум R находится простым перебором всех возможных вариантов с определенным шагом, не превышающим точность измерения соответствующих показателей. Для числа факторов m₃ > 5 используют различные алгоритмы нахождения минимума функции многих переменных (см. раздел 2.7, а также [[290]]).

Описанная процедура выбора и минимизации функционала R может быть положена в основу процесса оптимизации конструкции и материалов шины, с учетом того, что связь выходных показателей B_i с параметрами технологического процесса A_j задана уравнениями (5.3.1 – 5.3.4).

Рассмотрим более детально введенное выше понятие «совершенного пакета программ».

Реально имеющиеся расчетные средства не могут в полной мере решить задачу прогнозирования выходных характеристик шины. Мы не будем останавливаться на том, что в настоящее время не решена динамическая задача расчета катящейся шины, нет адекватного метода расчета шумообразования, и проч. В данной работе акцент сделан на резинокордных деталях. Но и здесь, даже если бы позволяли вычислительные возможности компьютеров, имеющиеся программные средства не дали бы результатов, адекватных реальности, по причине неточного задания свойств материалов шины – резины и корда. В начале раздела перечислены четыре задачи, которые решены в данной работе для частичного преодоления указанных недостатков. Исходя из этого, совершенным мы будем называть пакет, основанный на МКЭ и использующий достаточно близкие к реальным вязкоупругие свойства резины и корда.

Но если основным, наиболее информативным признается МКЭ, то нужны ли другие расчетные методы? Безусловно, нужны. Они, с одной стороны, часто оказываются достаточными при решении задач геометрии шины и внешней механики при воздействии статических нагрузок (внутреннее давление, осевая и боковая нагрузки, и др.), с другой – поставляют исходные данные при использовании программных средств более высокого уровня. К таким программным средствам относится, например, пакет АПР [141].

Итак, совершенный пакет программ предназначен для расчета выходных характеристик с учетом всех допустимых их значений. Важнейшими выходными характеристиками являются НДС и температура. Их значения требуется знать с максимальной степенью детализации только в критических зонах – там, где происходит разрушение. Например, по кромкам брекера, между резинокордными слоями, в зоне борта. В этих областях требуется особая прецизионность вычислений. Повторим, что это может быть достигнуто на современном этапе только с использованием МКЭ, при условии, что заложены адекватные свойства материалов.

Для определения НДС применяются как расчетные, так и экспериментальные методы. Расчетных методов перечислено пять, но их больше (см. обзор). Существенным является то, что в расчетные методы самой высокой степени детализации следует включить свойства материалов, определенные с учетом их физической нелинейности. На данном этапе удалось решить задачу деформационной нелинейности (глава 2). Нелинейность вязкоупругого поведения, проявляющаяся в виде отклонения временных зависимостей механических свойств от предсказаний, основанных на принципе суперпозиции Больцмана [[291]], в данной работе не учтена и нам не известны публикации по решению этой задачи для больших деформаций в сложном НДС, в которых решение задачи было бы доведено до практического применения (о попытках решения см. гл. 1).

В верхней части рис. 5.4.1 схематически показано, что выбор исходного варианта делается для целевой функции (или функционала) изделия с учетом свойств материалов, конструкции и технологии изготовления шины. Далее исходный вариант дополняется возможными отклонениями от норм, в результате чего получается исходный «реальный» вариант. Для этого варианта и следует определить с помощью совершенного пакета программ выходные характеристики для случаев максимального допустимого отклонения от исходного варианта.

После того, как рассчитаны напряжения, деформации, теплообразование, температура, необходимо оценить, сколько километров пройдет исследуемая деталь шины при рассчитанных нагрузках и температурах. Здесь следует использовать усталостные кривые, построенные экспериментально для тех условий, которые реализуются в данной детали шины. Конечно, можно для усталостных кривых построить аппроксимирующие гиперповерхности, учитывающие разные НДС, температуры, материалы.

Еще раз напомним, что в данной работе не рассматриваются вопросы износа и сцепления шины с дорогой. Нам неизвестны расчетные методы, которые позволили бы для заданных свойств резины протектора, конструкции шины, по виду рисунка протектора, условиям эксплуатации прогнозировать указанные характеристики. Для включения сцепных свойств и износостойкости в целевой функционал на современном этапе необходимо использовать не компьютерный, а реальный эксперимент.

Конечно, экспериментальные методы нужны и для тех задач, которые решаются методами компьютерного моделирования. Они также указаны в общей схеме на рис. 5.4.1. Эксперимент требуется для настройки расчетных схем, однако его применение предусматривается в существенно меньших объемах, чем при создании шин существующими методами.

В результате применения этих методов получаем размеры, НДС реальной шины, ее тепловое состояние и жесткостные характеристики.

Параллельно с расчетом НДС проводится анализ условий вулканизации шины. Здесь также применяются расчетные и экспериментальные методы. В этой части существующие методы с удовлетворительной точностью описывают временные зависимости температуры при вулканизации в разных точках. Результаты этого этапа необходимы для воспроизведения реальных режимов вулканизации при изготовлении лабораторных образцов типа ОКН для проведения усталостных испытаний.

На следующем, завершающем этапе разработки новой шины проводятся усталостные испытания резинокордных образцов, причем условия испытаний (НДС резины между нитями корда и между резинокордными слоями, температура испытаний, условия старения) с высокой точностью воспроизводят реальные условия, возникающие в шине при ее эксплуатации. На основе результатов этих испытаний определяется основная выходная характеристика, характеризующая работоспособность резинокордных деталей шины – число циклов (или число километров, если каждый цикл рассматривать как один оборот колеса), которые выдержит данная деталь до разрушения.

Практически всегда оказывается, что связи в соотношениях (5.3.1 – 5.3.3) недостаточно точны. Поэтому описанную процедуру разработки нового изделия следует при необходимости повторить с учетом результатов стендовых или эксплуатационных испытаний.

В схему на рис. 5.4.1 добавлены квадратики, требующие определения на этой стадии сцепных свойств и износостойкости. Комментарии по этим этапам даны выше.

После окончания описанной процедуры моделирования новой шины, оптимизированной по геометрическим, технологическим и конструктивным параметрам и свойствам материалов, следует провести оценку условия «равнопрочности». Последнее слово дано в кавычках, т.к. важна не прочность, а усталостная выносливость, или работоспособность. Например, если каркас выдерживает триста тысяч километров, а брекер разваливается при ста тысячах, то нет необходимости усложнять конструкцию, улучшать свойства материалов и тем самым удорожать шину для обеспечения таких свойств каркаса. Можно рассмотреть более дешевый вариант, который будет обеспечивать требования заказчика.

Подчеркнем, что предложенная схема разработки нового изделия с требуемыми характеристиками работоспособности основана на использовании совершенного пакета программ. Создание такого пакета не представляет собой принципиально неразрешимую задачу. Это техническая проблема, и на современном этапе она вполне может быть реализована.

 

		Рис. 5.4.1 Схема организации исследований при разработке нового изделия

Перечислим то новое, чем отличается предложенная концепция разработки нового изделия.

1. Предложен вид целевой функции (или функционала) (5.4.1), минимизация которой с соблюдением условий (5.4.2) даст решение задачи построения оптимального варианта шины при заданных требованиях к выходным характеристикам, связь которых с параметрами технологического процесса и свойствами используемых материалов задана в виде (5.3.1).

2. Расчет НДС, геометрических и жесткостных характеристик, показателей неоднородности следует проводить для реального варианта, имеющего наиболее неблагоприятную комбинацию допустимых отклонений всех учитываемых параметров. Допустимые отклонения не являются жесткими, а определяются исходя из системы связанных допусков.

3. Определение НДС, теплового состояния и жесткостных характеристик шины следует проводить с учетом нелинейных упругих и термовязкоупругих свойств резины и РКК, определенных в сложном НДС, характерном для условий эксплуатации.

4. Образцы для лабораторных механических испытаний должны испытываться в тех же НДС, которые реализуются в шине.

5. Вулканизацию образцов для испытаний следует проводить в неизотермических условиях, реализующихся в процессе вулканизации шины.

6. Работоспособность следует оценивать по результатам усталостных испытаний в условиях, приближенных эксплуатационным.

 

Указанные требования отличаются от того, что до настоящего времени составляло основу концепции создания новой шины (см. обзор).