CC BY
0
УДК 004.413
DOI: 10.24412/2071-6168-2025-1-289-290
КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КАК КОМПОНЕНТ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОМОБИЛЯ В ПРОЦЕССЕ
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
И.А. Беляева, В.Н. Козловский, А.С. Подгорний, Е.В. Пантюхина
Проектирование электромобилей имеет свою уникальность по сравнению с традиционными автомобилями имеющие двигатель внутреннего сгорания. Главным отличием от последнего варианта является адаптация электромобиля к электронным блокам, учет специфики подключения, получение отклика и сами компоновочные работы, где технически грамотно должны располагаться компоненты в подкапотном пространстве. Для моделирования использовался метод конечных-элементов, по результатам которых уточнялись те или иные параметры, возможности несущей конструкции и другие специфичные расчеты необходимые для проверки электромобиля перед сертификационными испытаниями.
Ключевые слова: качество, электромобиль, математическое моделирование, метод конечных элементов.
От разработки и проработки первоначального этапа проектирования электромобиля с реализацией последующего моделирования зависит качество конечного продукта, который должен удовлетворять не только потребительским свойствам, но и всем установленным требованиям, правилам, стандартам, установленным для прохождения сертификационных этапов уже готовой продукции [1, 2].
Кузовной каркас электромобиля представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Кузовной каркас электромобиля
От правильного проектирования и проработки расчетных моделей кузовного каркаса зависит не только качество электромобиля, но и главное - безопасность, что является важным параметром при определении
эксплуатационных характеристик разработанного электромобиля. В идеале, качество проектирования, расчетов определяет дальнейшие успешные работы по улучшению характеристик электромобиля [3, 4]. Например, удаление или добавление конструктивных элементов в кузов электромобиля для повышения прочностных характеристик отдельных его частей (рис. 2).
«1» Моторный отсек.
Конструктивные изменения в области передних лонжеронов с добавлением отверстий под усилители
«2» Передний пол.
В панелях пола вырезать отверст^ под усилители и приварить их дуговой сваркой
«3» Задний пол.
1. В кронштейнах крепления левого/правого сиденья 2-го ряда, в поперечине заднего пола под сиденьем 2-го ряда выполнить отверстия
Рис. 2. Пример изменений в отдельных частях каркаса электромобиля
По сравнению с автомобилем с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), высокотехнологичный электротехнический комплекс электромобиля имеет способен заряжать не только аккумуляторные батареи, но и передавать информацию об общем режиме заряда электромобиля другим блокам, которые исходя от полученных сигналов передают уже свои данные
[5].
Рис. 3. Вариативность зарядных портов для электромобиля
Проектирование самих компонентов как для автомобиля с ДВС, так и для электрического варианта идентичен с точки зрения самого процесса. Отличием является - подбор расчетных компонентов, а также учет откликов относительно других блоков без возникновения ошибки, который в основном связан с правильным расчетом токовых характеристик. Простой
290
3
3
1
2
пример, возьмем зарядный порт (рис. 3). Необходимо, чтобы компонент не только установился на кузовной каркас задней части электромобиля в месте лючка автомобиля, но и выдавал определенные выходные данные [6].
На рисунке 3 показаны три варианта зарядных портов, с одной стороны точки фиксации данного компонента имеют небольшие отличия и, в принципе, можно было выбрать компонент по геометрическим характеристикам, но это была бы ошибка, которая напрямую влияет на конечное качество продукта, т.к. имеются определенные расхождения в токовых параметрах [7].
В первом варианте получаем:
- задний способ монтажа - задняя горизонтальная розетка;
- переменный ток: 2,5 мм2 однофазный;
- постоянный ток: 16 мм2.
Во втором варианте получаем:
- способ монтажа - хвостовой горизонтальный выход;
- переменный ток: 6 мм2 трехфазный;
- постоянный ток: 70 мм2;
В третьем варианте получаем:
- фронтальный способ монтажа - правый выход 90° на конце;
- переменный ток: 6 мм2 однофазный;
- постоянный ток: 70 мм2.
Любой электромобиль имеет подключение высокого и низкого напряжения, которые объединены на электрической схеме и при проектировании необходимо параллельно делать расчет на токовые выходные данные и адаптировать каждый компонент под определенный электромобиль [8, 9].
После того, как компоненты подобраны по выходным параметрам, необходимо проработать компоновочные работы, с покомпонентной деталировкой, вплоть до гаек и резинок, используемых на электромобиле. Главное, на что надо обратить внимание это то, как представлена 3Б модель, а также как должна осуществляться закупка либо изготовление компонентой базы. Например, на машиностроительных заводах за каждую группу компонентов отвечает свой периметр, имеющий определенный внутренний номер. Электромобиль разделен на подсборки, за каждую из них отвечает свой отдел. Каждая подсборка имеет свой набор компонентов. Примером могут быть как жгутовые соединения (низковольтные жгуты, высоковольтные жгуты, коннектора и т.д.) (рис. 4), так и компоненты, отвечающие за термоменеджмент (шланги, трубки, фитинги, защитные рукава и т.д.). Подход к разным подсборкам одинаков. Главное - деталировка и полная сходимость поставляемых компонентов с «замороженной» геометрией [10].
После того как геометрия всего электромобиля готова, компоновочные работы завершены и получены первые результаты по откликам электрических блоков, необходимо подготовить электромобиль к сертификационным испытаниям и пройти все правила необходимые для обеспечения безопасности всего электромобиля [11, 12]. С этой точки проекта начинаются работы по математическому моделированию как отдельных узлов, так
и всего электромобиля по разным правилам и расчетам (от статических вариантов до динамических). По результатам полученных данных должна идти обратная связь инжинирингу, которая занималась компоновочными работами и сориентировать их по итогам полученных данных со сравнением с результатами натурных испытаний [13]. С одной стороны подход идентичен с расчетами автомобиля с ДВС версией, но с другой стороны, необходимо помнить, что для электромобиля применяются дополнительные сертификационные испытания, например, правило Я85, специфичное для электродвигателей со своими параметрами, которые не применяются в стандартных видах автомобилей.
Рис. 4 деталировка жгутового соединения (общий вид и частные случаи)
Длительные и дорогостоящие натурные тесты заменяются виртуальными расчетами, и в случае корректных вычислений (а степень их адекватности напрямую зависит от уровня компетенций исполнителя и валидаци-онных корректировок) финальное натурное испытание перед изготовлением итогового изделия лишь подтверждает результаты цифрового моделирования [14, 15].
Математическое моделирование начинается с проектирования компонента и соединения их в одну модель. На данном этапе проекта объединяются несколько служб - конструктора, технологи и сами расчетчики. Благодаря полученным результатам, можно сделать вывод о пригодности того или иного изделия, о его прочностных характеристиках. Если при расчетах выявлены моменты, например, кронштейн не выдерживает нагрузку, то
компоненты усиливают и передают технологам для расчета на технологичность, конструктора проверяют изменения в общей компоновке автомобиля и возвращают расчетчикам для перепроверки нагрузочных характеристик (таблица 1).
первая сторона вторая сторона компонента Рис. 5, Результаты расчетов на прочность кронштейна электромобиля
Далее формируется каркас электромобиля, где используются уже итоговые изделия. На этой стадии необходимо проверить, как ведет себя конструкция при объединении всех конструктивно годных компонентов (рис. 6).
Рис. 6. Каркас электромобиля, подготовленный для математических
расчетов
На рисунке 6 показан общий вид каркаса электромобиля. Для инженеров - расчетчиков этот файл является исходным, который в дальнейшем используется для определенного вида расчета, например, на жесткость и кручение. Данный тип моделирования считается стандартным как для автомобилей с ДВС версией, так и для электромобилей. Но, для проверки точности полученных результатов конечно- элементного моделирования в случае электромобиля, используют два этапа.
Первый этап, проверяется точность соответствующих результатов моделирования базовой конструкции; второй шаг - проверка статической жесткости кузова с блоком тяговых батарей, чтобы уточнить коэффициент отклонения от натурных испытаний (рис. 7). В результате получили незначительное увеличение статической жесткости, отличные данные по вопросам кручения и модального анализа.
Рис.7. Натурные испытания на жесткость кузова
На этапе натурных испытаний при использовании предписанной нагрузки, близкой к заданной в расчетных задачах, показания результатов записываются через условные точки и передаются в файле для сравнения результатов. Полученные данные отображаются через графики и, если отклонение не более 10 % считается, что расчёт корректный и удовлетворяет всем параметрам, а полученная математическая модель может использоваться для дополнительных расчетных случаев и рассматриваться как инструмент для повышения качества как отдельных частей конструкторской деятельности по проектированию компонентов, так и общего математического подхода ко всему электромобилю. Корреляция между конечно-элементными моделями и экспериментальными данными испытаний имеет решающее значение для обеспечения точных прогнозов в решениях необходимых задач.
Проектирование и конечно-элементный анализ напрямую влияет на конечное качество изготавливаемого продукта. Благодаря полученным результатам имеется возможность спрогнозировать поведение конструкции под разными нагрузками. При обнаружении несоответствий между результатами конечно - элементных моделей и натурными испытаниями имеется возможность заранее провести процесс корреляции различных расчетных методов, повысив при этом качество и надежность продукта на этапе проектирования. При этом появляется возможность принимать соответствующие технические решения и контролировать весть жизненный цикл электромобиля.
Список литературы
1. Козловский, В.Н. Мониторинг удовлетворенности потребителей качеством автомобилей / В.Н. Козловский, Д.В. Антипов, Д.И. Панюков // Стандарты и качество. 2016. № 6. С. 100-105.
2. Козловский, В.Н. Цифровизация и проблемы трудовых коллективов: роли и ответственность / В.Н. Козловский, Д.И. Благовещенский, Д.И. Панюков, Р.Р. Гафаров // Стандарты и качество. 2022. № 1. С. 94-98.
294
3. Николаев П.А. Оценка соответствия автомобилей требованиям помехоустойчивости к внешним электромагнитным воздействиям / П.А. Николаев, В.Н. Козловский, А.С. Подгорний // Грузовик. 2017. № 10. С. 44-48.
4. Панюков Д.И. Моделирование процедуры FMEA: анализ рисков / Д.И. Панюков, В.Н. Козловский, Д.В. Айдаров // Методы менеджмента качества. 2019. № 9. С. 34-43.
5. Панюков Д.И. Программное обеспечение для поддержки метода FMEA / Д.И. Панюков, В.Н. Козловский, Д.В. Айдаров // Методы менеджмента качества. 2019. № 6. С. 42-49.
6. Слукин А.М. Имитационное моделирование электронной системы определения вязкости масла в силовом агрегате автомобиля / А.М. Слукин, В.В. Дебелов, В.Н. Козловский, В.В. Иванов // Электроника и электрооборудование транспорта. 2014. № 5. С. 2-4.
7. Саксонов А.С. Расчетно-статистический эксперимент по методу Монте-Карло как основа инструмента управления качеством транспортных электромеханических преобразователей / А.С. Саксонов, В.Н. Козловский, А.В. Крицкий // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 6. С. 286-292.
8. Панюков Д.И. Моделирование процедуры FMEA: методология и стратегия / Д.И. Панюков, В.Н. Козловский, Д.В. Айдаров // Методы менеджмента качества. 2019. № 7. С. 30-38.
9. Панюков В.Н. Моделирование процедуры FMEA с ИТ-поддержкой в нотации BPMN / В.Н. Панюков, В.Н. Козловский, Д.В. Айдаров / Методы менеджмента качества. 2019. № 12. С. 28-35.
10. Козловский В.Н. Оценка реакции автопроизводителя на запросы потребителей / В.Н. Козловский, Г.Л. Юнак, Д.В. Айдаров, С.А. Шанин // Стандарты и качество. 2017. № 6. С. 80-85.
11. Козловский В.Н. Имитационная модель зарядного баланса автомобильного электрооборудования / В.Н. Козловский, Д.И. Гурьянов, А.Д. Немцев // Автотракторное электрооборудование. 2002. № 5-6. С. 12
12. Козловский В.Н. Прогнозирование потребительской ценности качества автомобилей / В.Н. Козловский, Д.В. Айдаров, Д.И. Благовещенский, Д.И. Панюков // Стандарты и качество. 2021. № 2. С. 96-103.
13. Панюков Д.И. Моделирование процедуры FMEA: структура и функции / Д.И. Панюков, В.Н. Козловский, Д.В. Айдаров // Методы менеджмента качества. 2019. № 8. С. 36-41.
14. Aydarov D. Remote monitoring system for quality assessment of car service enterprises / D. Aydarov, V. Kozlovskiy, V. Vakhnina, S. Kleymenov // Quality - Access to Success. 2019. Т. 20. № 170. С. 85-89.
15. Панюков Д.И. Анализ системы оценивания риска на основе приоритета действий в методе FMEA / Д.И. Панюков, В.Н. Козловский, Д.В. Айдаров, М.В. Шакурский // СТИН. 2022. № 8. С. 45-49.
Беляева Ирина Александровна, канд. техн. наук, доцент, научный сотрудник, toe fp@ samgtH.rH, Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Козловский Владимир Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Подгорний Александр Сергеевич, канд. техн. наук, научный сотрудник, [email protected], Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
Пантюхина Елена Викторовна, д-р техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
FINITE ELEMENT MODELING AS A COMPONENT OF ELECTRIC VEHICLE QUALITY
ASSURANCE IN THE DESIGN PROCESS
I.A. Belyaeva, V.N. Kozlovsky, E.V. Pantyukhina
The design of electric vehicles has its own uniqueness compared to traditional vehicles with an internal combustion engine. The main difference from the latter option is the adaptation of the electric vehicle to electronic units, taking into account the specifics of the connection, receiving feedback and the layout work itself, where the components in the underhood space should be technically correctly located. For modeling, the finite element method was used, based on the results of which certain parameters, the capabilities of the supporting structure and other specific calculations necessary for checking the electric vehicle before certification tests were clarified.
Key words: quality, electric vehicle, mathematical modeling, finite element method.
Belyaeva Irina Alexandrovna, candidate of technical sciences, docent, toe_fp@,samgtu.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Podgorny Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Samara, Samara State Technical University,
Pantyukhina Elena Viktorovnа, doctor of technical science, docent, e. v.pant@,mail.ru, Russia, Tula, Tula State University
