Numerical analysis of the torsion bar as a part of a tracked vehicle suspension system

Ovaj diplomski rad se bavi konstruiranjem i kontrolnim proračunom torzijskog štapa kao elementa ovjesa gusjeničnog vozila. Opisan je razvoj ovjesa kroz povijest te su navedene različite vrste ovjesa, pri čemu je za svaki opisan princip djelovanja. Također, prikazani su i objašnjeni matematički modeli za opisivanje gibanja gusjeničnog vozila po zahtjevnom terenu koji zapravo pokazuju važnost ovjesa te specifičnosti koje su vezane za njegov odabir i dizajn. U radu je naveden ISO standard koji se odnosi na raspone frekvencija vibracija te je opisan njihov utjecaj na putnike u vozilu, što je zapravo i početak dimenzioniranja ovjesa nakon odabira početnog matematičkog modela. U radu su također navedeni materijali koji su kroz povijest korišteni za dizajn i izradu torzijskih štapova te kako su se s vremenom mijenjala njihova mehanička svojstva, s obzirom na zahtjeve naručitelja sa naglaskom na što veću mobilnost i što udobniju vožnju. Također, navedeni su i neki proizvodni postupci pomoću kojih su poboljšana mehanička svojstva materijala od kojih je jedan detaljnije opisan uz pomoć teorije očvršćivanja materijala. Dimenzioniranje štapa je provedeno s obzirom na geometriju trupa vozila, koja je određena alatom koji se montira na vozilo te analizom pojedinih parametara mobilnosti vozila čiji proračun nije prikazan u radu. Numerička analiza je provedena u programskom paketu Abaqus za fenomen očvršćivanja materijala prilikom proizvodnog postupka kojim se mijenja stanje materijala iz elastičnog u elastoplastično. U programskom paketu Catia je izrađen trodimenzionalni model torzijskog štapa, dok su drugi programski paketi poput AutoCAD-a, Excel-a i Mathcad-a korišteni za izradu materijalnog modela, koji će biti korišten u analizi, te opterećenja koje će biti uspoređeno sa rezultatima numeričke analize. S obzirom da se tijekom školovanja studenti strojarstva baš i ne susreću sa elastoplastičnom analizom, ovaj rad je zahtijevao proširivanje zananja na području nauke o čvrstoći te izradu manjih i pojednostavljenih modela pomoću kojih su dugotrajnim postupkom iteracije utvrđivane postavke analize. Tijekom analize je povećana gustoća mreže konačnih elemenata kako bi se pratila konvergencija rješenja te kako bi na kraju bilo moguće prezentirati i interpretirati dobivene rezultate. Rad završava zaključkom koji daje osvrt na proces analize te su na kraju komentirana dobivena rješenja i njihovo značenje.This master’s thesis deals with the design and calculation of a torsion bar as an element of a tracked vehicle suspension. The development of suspension systems is described throughout the history and different types of suspension systems are listed with the description of principle of operation for each one of them. Also, mathematical models for describing the movement of a tracked vehicle on rough terrain are presented and explained, which actually show the importance of the suspension systems and the specifics related to its selection and design. The paper presents an ISO standard related to vibration frequency ranges and describes their impact on the passengers in the vehicle, which is actually the beginning of the design calculation of the suspension system after selecting the initial mathematical model. The paper also lists the materials that have been used throughout history in design and production of torsion bars and how their mechanical properties changed over time due to requirements given by client with an emphasis on greater mobility and more comfortable ride. Also, there are listed some of the manufacturing processes by which the mechanical properties of the material are improved, one of which is described in detail with the help of the theory of material hardening. The design calculation of the rod was carried out with regard to the geometry of a vehicle body, which is determined by the tool mounted on the vehicle and the analysis of individual parameters of vehicle mobility for which calculation is not shown in the paper. Numerical analysis was performed in Abaqus for the phenomenon of material hardening during the production process which changes the state of the material from elastic to elastic-plastic. A three-dimensional torsion bar model was designed in Catia, while other software, such as AutoCAD, Excel and Mathcad, were used to define material model, which would be used in the analysis, and the loads to be compared with the numerical analysis results. Since mechanical engineering students do not encounter elastic-plastic analysis during their education, this paper required the expansion of knowledge in the field of material strength and development of smaller and simplified models by which the analysis setting were determined during a time-consuming iteration process. During the analysis, the density of finite element mesh was increased in order to monitor the convergence of the solution, and finally, to be able to present and interpret the obtained results. The paper ends with a conclusion that gives an overview on the analysis process, and at the end the obtained solutions and their meaning are commented