автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Анализ напряженно-деформированного состояния и частот колебаний рам цистерн

.....•"'/ ' • у

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

ДОЛМАТОВ ВИКТОР МИХАЙЛОВИЧ

АНАЛИЗ

НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ И ЧАСТОТ КОЛЕБАНИЙ РАМ ЦИСТЕРН

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

ДИССЕРТАЦИЯ ■на. соискание ученой степени . кандидата технических наук

' ■■ /

Научный руководитель д.т.н., проф. Смольянинов А.В.

Екатеринбург - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

1. ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТНЫХ РАСЧЕТОВ КОНСТРУКЦИЙ ВАГОНОВ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ............................... 9

1.1. Краткий обзор теоретических исследований прочности и динамики конструкций вагонов.......................................... 9

1.2. Программные средства и их особенности.............................. 12

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РАМЫ ЦИСТЕРНЫ......................................................................... 19

2.1. Решение задачи напряженно-деформированного состояния

рамы цистерны методом конечных элементов................... 19

2.2. Создание расчетной модели и исследование напряженно-деформированного состояния рамы цистерны........................ 31

2.3. Разработка методики уточненной оценки напряженно-деформированного состояния рамы цистерны....... ................. 38

2.3.1. Расчетная модель рамы и граничные условия............... 40

2.3.2. Анализ результатов расчетов и сопоставление с 44 экспериментальными данными прочностных испытаний.

3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ СОБСТВЕННЫХ ЧАСТОТ КОЛЕБАНИЙ БАЛОК И ИХ ФОРМ НА ОСНОВЕ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ..................................................... 52

3.1. Анализ методов решения задач динамической нагруженности вагонов.................................................... 52

3.2. Матричные операции при исследовании собственных колебаний методом конечных элементов.....;....................... 55

3.3. Аналитическое решение задачи о собственных колебаниях

балки........................................................................... 63

3.4. Решение тестовой задачи о собственных колебаниях балки....... 75

4. ЧАСТОТЫ И ФОРМЫ СОБСТВЕННЫХ И ВЫНУЖДЕННЫХ

КОЛЕБАНИЙ РАМЫ ЦИСТЕРНЫ............................................ 90

4.1. Определение частот и форм собственных колебаний рам

цистерн............................................................!........... 90

4.2. Исследование вынужденных частот и форм колебаний рам цистерн........................................................................ 96

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ 117

ЛИТЕРАТУРА 119

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

К 2010 году железным дорогам России потребуется 7.8 тыс. локомотивов и 730 тыс. вагонов. Проектом федеральной программы обновления грузового подвижного состава уже с 2006 года предусмотрено ежегодно поставлять железнодорожникам 40 тыс. грузовых вагонов и 400 локомотивов /1/. Специалистами Министерства путей сообщений было подсчитано, что в условиях снижения перевозок и наличия избыточного парка подвижного состава целесообразно закупать электровозы и вагоны нового поколения. Их эксплуатация позволит значительно сократить расходы железной дороги на содержание и техническое обслуживание, сохранить имеющихся и привлечь новых грузоотправителей..

Глубокий кризис отечественной промышленности послужил причиной резкого спада производства в отрасли вагоностроения. Топливно-энергетический комплекс России благодаря своим стабильным экспортным возможностям оказался в более выгодном положении по сравнению с другими отраслями. Это и определило высокий спрос на ваг оны-цистерны по сравнению с другими типами грузовых вагонов. Особенно это относится к цистернам для перевозки нефтепродуктов. В связи с распадом в 1991 году СССР в России не осталось заводов по производству вагонов-цистерн. Исходя из этого, в сжатые сроки коллективами заводов (АО "Завод металлоконструкций", АО "Рузхиммаш", "СФАГ'-Рязань, ГУП "ПО Уралвагонзавод" и т.д.) была проделана большая работа по освоению выпуска новых цистерн.

В настоящее время на ГУЛ "ПО Уралвагонзавод" кроме полувагонов освоено производство железнодорожных цистерн широкой номенклатуры (около 15 типов цистерн) /2/. В 1992 году ГПО "Уралвагонзавод", как новому производителю, были предъявлены новые требования к рамам цистерн, а именно наличие сквозных боковых балок и возможность установки буфер-

ных устройств для обеспечения условий выхода на западноевропейские железные дороги.

Первые опытные цистерны модели 15-145 (опытная партия 40 штук) были в своем роде уникальными. Котел цистерны имел 68 калибр, внутренний диаметр 3200 мм, полный объем 91.8 м3, что позволяет реализовать осевую нагрузку 245.25 кН (25тс), и удельный объем котла 1.4 м3/т для перевозки бензина. Длина по осям сцепления автосцепок составляла 14.2 метра. По таким параметрам, как осевая нагрузка, объем котла и грузоподъемность, конструкция цистерны отвечает перспективным направлениям развития грузовых вагонов и приближается к аналогичным цистернам производства США /3/. Из всех освоенных на сегодня типов цистерн это единственная конструкция, которая позволяет обеспечить трехгруппную специализацию цистерн, принятую коллегией МПС в 1969 году и до настоящего времени так и не реализованную. В связи с этим представляется не обоснованным прекращение Уралвагонзаводом выпуска цистерн модели 15-145. Причиной этому послужило требование МПС об обязательном соблюдении шага между люками для налива цистерн - 12 м.

Однако по результатам обследования наливных эстакад известно, что большая их часть обеспечивает сплошную перекрышу фронта налива наливными устройствами, а та часть эстакад, где это не обеспечивается, должна быть давно реконструирована. Отсутствие трехгруппной специализации цистерн, несмотря на ужесточившиеся требования экологов, приводит к большому количеству промывок котлов цистерн - примерно четыре промывки в год, что в современных условиях совершенно недопустимо /4/.

Первоначально ГУП "ПО Уралвагонзавод" освоил производство рам цистерн, так как котлы поставлялись с других производств и заводов. Первые натурные статические испытания, проведенные в 1992 году, показали, что конструкция отдельных узлов рамы не отвечает требованиям по условиям прочности (наблюдалось вспучивание верхнего и нижнего листа концевой

балки, раскрытие швеллеров в концевой части). При проведении ударных испытаний в некоторых элементах рамы возникают колебания звукового уровня ("звенят" как струны). Эти колебания в дальнейшем могут привести к появлению трещин в сварных швах, что, в свою очередь, приведет к разрушению отдельных элементов рамы. Отсутствие методик расчета и современных пакетов прикладных программ для проведения прочностных расчетов не позволило конструкторам отработать конструкцию рамы на стадии проектирования. Доработка конструкции осуществлялась только благодаря опыту и интуиции конструкторов и по результатам испытаний, требующих значительных материальных затрат на изготовление опытных образцов и проведение натурных испытаний.

В связи с этим важное значение приобретает совершенствование процесса проектирования рам новых цистерн с улучшенными эксплуатационными и техническими показателями. Данный процесс возможен при координации деятельности в проведении научно-исследовательских, опытно-конструкторских и технологических работ и созданию условий для ускоренного внедрения результатов научных исследований, разработок и технологий в практику вагоностроения. При этом важное значение придается повышению технического уровня и качества разработок. Это связано с тем, что в новых условиях производства и разработанной Министерством путей сообщения Системой сертификации на федеральном железнодорожном транспорте (ССФЖТ) вся продукция вагоностроения должна быть сертифицирована. Разработанные стандарты, основанные на моделях по обеспечению качества по ISO 9001, позволяют снизить на 10... 15% объемы "скрытого производства", т.е. заметна экономия средств, которые вынуждено тратить предприятие, чтобы устранить последствия поздно обнаруженного производственного брака, что не маловажно в современных рыночных условиях /5/.

Исходя из вышесказанного, формируется научная задача разработки методик для анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) рам

цистерн и исследования частот колебаний, которые бы позволяли уже на стадии проектирования осуществлять предварительный выбор конструкции, а результаты испытаний подтверждали бы теоретические исследования. Проведенные исследования и разработанные методики должны стать компонентами системы автоматизированного проектирования вагонов (САПР).

Целью настоящей работы явилось исследование напряженно-деформированного состояния рамы цистерны, её частот и форм колебаний и на основе их анализа - создание рациональной конструкции по условиям прочности и частотам колебаний. В плане общей постановки задачи в работе решался ряд вопросов:

- выбор и обоснование программного комплекса для проведения прочностных и динамических расчетов, с целью создания современной расчетной базы проектирования новых вагонов и их узлов (в данном случае применительно к УКБВ ГУП "ПО Уралвагонзавод");

- разработка методики уточненной оценки напряженно-деформированного состояния рамы цистерны и проведение многовариантных расчетов с целью определения рациональной конструкции по условиям прочности;

- разработка методики исследования собственных и вынужденных частот колебаний рам цистерн и поиск конструкции, менее склонной к появлению резонансного режима.

Для решения данных вопросов в диссертационной работе были проведены исследования, которые позволили сделать следующие предположения, взятые за основу:

- для анализа НДС и частот колебаний был выбран метод конечных элементов (МКЭ) как наиболее эффективный метод в современных условиях;

- анализом программных комплексов (ПК), реализующих МКЭ, было выявлено, что те комплексы, которые рекомендуются "Нормами для расчетов вагонов на прочность..."/6/ и ПК, которым обладает Уральское конструкторское бюро по вагоностроению, не отвечают современным требованиям;

- выбор современного программного комплекса был остановлен на комплексе ANSYS как наиболее совершенный и единственный сертифицированный стандартом ISO 9001;

- анализ напряженно-деформированного состояния проводился путем многовариантного моделирования, а также проведением натурных статических испытаний;

- исследование частот колебаний состояло из двух этапов: на первом этапе исследовались собственные частоты колебаний, на втором этапе частоты вызванные откликом конструкции от действия импульсных нагрузок, возникающих при продольных соударениях вагонов;

- при сопоставлении частот собственных и вынужденных колебаний делался вывод о склонности конструкции к появлению резонансного режима колебаний.

Результаты исследований и практические рекомендации, разработанные в диссертации, получили применение при создании и проектировании новых конструкций, а также экспертной оценки проектных решений вагонов. А разработанные методики были внедрены в УКБВ ГУП "ПО Уралвагонза-вод" (прил.).

Автор выражает искреннюю благодарность и глубокую признательность научному руководителю проф. Смольянинову A.B., проф. Ивашову В.А., доцентам Ефимову В.П., Камаеву О.Б., а также всем сотрудникам кафедры "Вагоны" УрГАПС и Уральского конструкторского бюро по вагоностроению ГУП "ПО Уралвагонзавод" за содействие, консультации и обсуждение результатов исследований, представленных в диссертации.

1. ПРОБЛЕМЫ ПРОЧНОСТНЫХ РАСЧЕТОВ КОНСТРУКЦИЙ ВАГОНОВ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ

1.1. Краткий обзор теоретических исследований прочности и динамики конструкций вагонов

Руководствуясь понятиями строительной механики, конструкции несущих кузовов вагонов представляются как оболочки, подкрепленные набором стержневых элементов, или пространственными стержневыми системами.

Большое влияние на развитие методов расчета несущих кузовов вагонов оказали работы в области теории балок, оболочек и пластин. Весомый вклад в развитие этих теорий внесли отечественные ученые А. Ляв, И,Г. Бубнов, Б.Г. Галеркин, С.П. Тимошенко, В.3. Власов, В.В. Новожилов, А.Л. Гольденвейзер, А.И. Лурье, А.П. Филин и др. /7... 11/.

Большой вклад в теоретическое и экспериментальное решение задач прочности и динамики рельсовых экипажей внесли ученые: Е.П. Блохин, Ю.П. Бороненко, М.Ф. Вериго, C.B. Вершинский, Л.О. Грачева, В.Н. Данилов, В.Д. Данович, В.Н. Котуранов, В.А. Лазарян, Л.Н. Никольский, Л.А. Ма-нашкина, М.М. Соколов, В.Н. Филиппов, В.Д. Хусидов, И.И. Челноков, Л.А Шадур и многие другие/12.. .19/.

Вопросы, связанные с оценкой напряженного состояния конструкций экипажей, нашли свое отражение в работах И.П. Исаева, В.П. Лозбинева, A.A. Львова, Л .А. Манашкина, E.H. Никольского и др. /20... 22/.

В расчетах несущих конструкций вагонов широко используются многие разработки крупнейшей российской школы специалистов строительной механики МГУПС (МИИТа). Труды А.Ф. Смирнова, A.B. Александрова, H.H. Шапошникова, A.B. Даркова, В.П. Мальцева /23...25/ способствовали и про-

должают способствовать развитию методов моделирования задач прочности и динамики в различных областях техники, включая вагоностроение.

Проведя анализ вышеперечисленных трудов, можно заметить, что решение всего спектра задач прочности и динамики сводится к пяти основным направлениям: статический анализ, модальный анализ (свободные колебания), динамический анализ переходных процессов, гармонический анализ (вынужденные колебания от действия гармонически изменяющейся силы), спектральный анализ (рис. 1.1). При выполнении статических или динамических анализов исследуются как линейное, так и нелинейное поведение конструкции. В качестве нелинейности могут использоваться как физическая, так и геометрическая нелинейность. Автором, исходя из поставленных во введении целей, были проведены исследования по первым трем направлениям.

В последнее время в связи с бурным развитием вычислительной техники возросла роль численных методов решения задач строительной механики. Наиболее распространенным из них является метод конечных элементов. Его по праву можно отнести к наиболее перспективным численным методам исследования, так как в нем реализовано решение широкого класса задач не только механики твердого деформированного тела, но и теплопроводности, электромагнетизма, гидро-газодинамики и др. благодаря своей универсальности, ясности инженерной интерпретации и присцособленности для эффективного применения в современных ЭВМ. Его широкому применению способствовали работы О. Зенкевича, К. Бате, Е. Вилсона, Л. Сегерлинда, Л.А. Розина, В.А. Постнова, М. Секуловича и др. ученых /26.. .30/

Успешное развитие МКЭ получил в работах ученых Н.В. Колкунова, П.М. Варвака, В.И. Мяченкова, В.П. Мальцева, В.Н. Котуранова, В.П. Суслова, Ю.Н. Аксенова, И.В. Бруякина и др. /31...35/. Решение ряда важнейших прочностных и динамических задач в данных работах показали эффективность этого метода. Он нашел отражение в "Нормах для расчета и

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЧНОСТИ ЧД И ДИНАМИКИ ВАГОНОВ

а)

Статический анализ

ил

Модальный анализ

(свободные колебания)

Анализ переходных процессов

Гармонический анализ

(вынужденные колебания)

Спектральный анализ

Рис. 1.1

проектирования вагонов..." издания 1996 года /6/, где говорится о том, что оценку НДС состояния узлов и деталей вагона рекомендуется проводить методом конечных элементов. Однако те пакеты прикладных программ (Прочность, Спринт, Лира), которые приведены в качестве примера, на сегодняшний день являются морально и физически устаревшими. Применение метода конечных элементов при проведении прочностных расчетов на данном этапе развития программных и технических средств позволяет совместно с автоматизацией конструкторско-чертёжной работы создать Систему автоматизированного проектирования вагонов нового поколения, что и делается в настоящее время в Уральском конструкторском бюро вагоностроения и отражено в работах /36, 37/. Поэтому далее в главе проведен анализ пакетов прикладных программ, реализующих МКЭ с целью выбора наиболее рационального, современного пакета, который бы соответствовал новым требованиям при проектировании вагонов и позволял решать задачи всех направлений.

1.2. Программные средства и их особенности

За последние три десятилетия метод конечных элементов получил исключительно широкое применение для решения задач теории упругости, термодинамики, гидро- и аэродинамики, электромагнетизма и в др. благодаря своей универсальности, ясности инженерной интерпретации и приспособленности для эффективного применения ЭВМ.

Метод конечных элементов, широко применяемый в настоящее время для расчета практически всех типов конструкций, является обобщением хорошо известных методов расчета стержневых систем /38/.

Основная идея МКЭ состоит в том, что рассматриваемая конструкция разделяется на ряд простейших по форме �