автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.01, диссертация на тему:Элементы автоматизации проектирования несущих конструкций кузовов вагонов с оптимизацией стержневых элементов (на примере крытого грузового вагона)

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. OF АВТОМАТИЗАЦИИ РАСЧЁТОВ НА ПРОЧНОСТЬ И ОПТИМИЗАЦИОННЫХ РАСЧЁТОВ НЕСУ1ИХ КОНСТРУКЦИЙ КУЗОВОВ ВАГОНОВ (СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА).

1.1. Развитие автоматизации расчётов на прочность при проектировании кузовсгв грузовых вагонов

1.2. Характеристика современных методов оптимального проектирования конструкций и развитие оптимального проектирования в вагоностроении.

1.3. Постановка задачи. Ограничения.

1.4. Объект приложения разработанных алгоритма и программы.

ГЛАВА 2. ОБЩЕЕ' ОПИСАНИЕ" МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Общая характеристика примененных методов.

2.2. Основной итерационный цикл в усовершенствованном методе образования дискретно равно-напряженных систем.

2.3. Внутренний итерационный цикл в усовершенствованном методе образования дискретно равнопрочных систем.

ГЛАВА 3. ОПИСАНИЕ ПРОГРАММЫ ОПТИМИЗАЦИИ СТЕШНЕВЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ КУЗОВА.

3.1. Общая характеристика программы.

3. 2. Головная (управляющая) программа (АМ7ЛО.

3.3. Ввод исходной информации о геометрических характеристиках элементов конструкции и характеристиках применяемых материалов. Ограничения. Вычисление моментов инерции, площадей, координат центров тяжести сечений стержней (подпрограмма DATAIK ).

3.4. Ввод информации об оптимизируемых элементах.

3.5. Ввод информации о нагрузках (подпрограмма LOAVIR).

3.6. Расчёт максимальных эквивалентных напряжений по всем режимам нагружений и формирование информации для оптимизационных расчётов.

3.7. Изменение сечений стержневых элементов конструкции из условий прочности для /7-го шага итерации (подпрограммы OPTIMM и 0PTIM1 )

3.8. Условия завершения итерационных циклов и особенности выдаваемой информации.

ГЛАВА РАСЧЕТЫ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННОЙ ПРОГРАММЫ.

4.1. Проверка алгоритма и программы на основе контрольных задач. Выявление некоторых особенностей алгоритма и программы

4.2. Описание расчётной схемы для натурного кузова цельнометаллического крытого грузового вагона.

4.3. Установление особенностей итерационного процесса оптимизации сложной системы на примере конструкции кузова крытого грузового вагона при одном варианте нагружения.

4.4. Оптимизация параметров сечений стержневых элементов кузова крытого грузового вагона при расчёте на эксплуатационные нагрузки

I и Ш расчётные режимы)

4.5. Описание расчётной схемы

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ. СОПОСТАВЛЕНИЕ

РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА И ЭКСПЕРИМЕНТА.Юб

5.1. Цель эксперимента. Описание исследуемой модели. Основные положения методики экспериментальных исследований

5.2. Сопоставление результатов расчёта и эксперимента. Выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработан новый вариант алгоритма и программы автоматически определяющие оптимальные размеры и форму поперечных сечений стержневых элементов кузовов вагонов из условия минимума массы кузова. По уровню автоматизации и быстродействию он существенно превосходит ранее применявшиеся в вагоностроении алгоритмы и программы. Программа написана на языке ФОРТРАН.

Этот эффект обусловлен применением в общем алгоритме метода конечных элементов и метода построения дискретно равнопрочных систем с двойным итерационным циклом оптимизации сечений. В литературе не встречаются ссылки на разработанные программы, построенные на указанном сочетании методов.

2. Разработан новый вариант подпрограммы, автоматизирующей трудоёмкую работу по вычислению интегральных геометрических характеристик сечений стержней. Это достигается представлением произвольного сечения совокупностью варьируемых прямоугольничков. Подпрограмма является органической частью общей программы оптимизации.

3. Доказано, что построенный алгоритм внутреннего итерационного процесса, осуществляющий изменения поперечных сечений стержней можно трактовать как разновидность градиентного метода нелинейного программирования.

4.Сходимость итерационного процесса оптимизации на основе разработанной программы проверена на большом числе характерных сравнительно простых расчётных схемах, представляющих кузов крытого грузового вагона. Во всех случаях установлена достаточно быстрая сходимость (4.7 итераций) как при однорежимном, так и при многорежимном нагружениях.

5. Проверена возможность путём варьирования ограничений в виде неравенств для размеров отдельных элементов сечения стержня определять направленный характер изменения формы сечения наиболее удобный по конструктивным и технологическим соображениям.

В программе предусматривается ввод управляющей информации, которая позволяет в любых комбинациях выбирать оптимизируемые элементы и ограничения для них.

6. Построенный алгоритм и соответственно программа обладают той особенностью, что они ищут дискретно равнонапряжённую конструкцию и поэтому проявляют тенденцию вырождать (если такая возможность имеется) статически неопределимую систему в статически определимую, сводя к нулю площади элементов, не несущих нагрузку. В связи с этим такие элементы или должны быть исключены из числа изменяемых или для них нужно ввести ограничения на размер сечения.

7. Разработанная программа может использоваться не только для оптимизационных расчётов, но и для проверочных расчётов на прочность кузовов вагонов типа подкреплённых оболочек (определение напряжений при заданных силах). Достоверность расчётов напряжённого состояния определяется достоверностью расчётной схемы, принимаемой для конкретного объекта, поэтому для рассматриваемого в диссертации кузова приемлемость (достоверность) выбранной расчётной схемы специально проверялась методом физического моделирования.

Сопрставления результатов расчёта и эксперимента подтвердили достоверность расчётной схемы.

8. Достоверность оптимизационных расчётов следует из того, что на каждой итерации производится расчёт напряжённого состояния кузова по одной и той же расчётной схеме, достоверность которой проверена, меняются только размеры сечений некоторых стержней.

9. Существенным достоинством рассматриваемых алгоритма и программы является возможность оптимизировать конструкции независимо от того, недогружена она или перегружена. Программа выявляет резервы снижения массы кузова, уменьшая сечения недо-напряжённых стержней, и вместе с тем снижает напряжения до допускаемых в перенапряжённых стержнях, в частности путём увеличения размеров сечений. В последнем случае разработанная программа даёт минимально необходимое увеличение.

Отмеченное достоинство характерно и для всех других алгоритмов и программ, использующих метод построения дискретно равнопрочных систем.

10. Принятый алгоритм даёт локальный экстремум целевой функции - массы кузова. Это проверяется варьированием предельных параметров проектирования.

11. Примеры расчётов показывают, что разработанная программа позволяет сравнительно быстро и удобно готовить исходные данные для расчётов и в результате найти резервы снижения массы и слабые места конструкций и получить машинные рекомендации по изменению сечений.

1. Аверин В.Н. Вариант применения метода конечных элементов к расчёту оболочки котла от динамических нагрузок. - В кн.: Вопросы строительной механики кузовов вагонов. - Тула, 1977, с.47-54.

2. Александров A.B. и др. Строительная механика. Тонкостенные пространственные системы: Учебник для вузов / А.В.Александров, F.Я.Лащеников, Н.Н.Шапошников. Под ред. А.Ф.Смирнова.- М.: Стройиздат, 1983. 488с.

3. Аоки М. Введение в методы оптимизации. М.: Наука, 1977.- 343 с.

4. Баничук Н.В. Оптимизация форм упругих тел. М.: Наука,1980.- 255 с.

5. Быков А.И. Исследование и применение специализированных элементов для расчёта несущих кузовов грузовых вагонов: Автореферат дисс. . канд.техн.наук. М, 1981. - 22 с.

6. Быков А.И. Применение метода конечных элементов к расчёту кузовов вагонов. В кн.: Вопросы строительной механики кузовов вагонов. - Тула, 1977, с.28-33.

7. Вагоны: Учебник для вузов ж.-д. транспорта / Л.А.ГОадур, И.И. Челноков, Л.Н.Никольский, E.H.Никольский, В.Н.Котуранов, П.Г.

8. Прескурнев, Г.А. Казанский, А.Л.Спиваксгвский, В.Ф.Девяткой; Под ред. Л.А.Шадура. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Транспорт, 1980. - 439 с.

9. Виноградов А.И. Проблема оптимального проектирования в строи. тельной механике. Харьков, 1973, - 1£7 с.

10. Гулаков В.К. Некоторые пути повышения эффективности расчёта по МКЭ вагонных конструкций. В кн.: Повышение прочности узлов и элементов вагонов. - М.: 1983. с. 42-47 (ЦНИИТЭИТШМАШ, 5-83-18).

11. Дарков A.B. Строительная механика; Изд. 7-е, перераб и доп.- М.: Высшая школа, 1976, 599 с.

12. Доклу 1. Метод конечных элементов: Пер. с фр. Б.И.Квасова / Под ред.Яненко H.H. М.: Мир, 1976. - с.96

13. Зенкевич 0. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. - 541. с.

14. Кобшцанов В.В., Гулаков В.К. Расчёт дискретно подкрепленной оболочки типа кузова вагона на основе метода конечных элементов и метода чередования основных систем. В кн.: Вопросы строительной механики кузовов вагонов. - Тула, 1978, с. 14-17.

15. Кожевникова Л. Л. Особенности реализации метода конечных элементов при наличии особых точек и зон концентрации напряжений. В кн.: Вопросы механики полимеров и систем. -Свердловск, 1976, с.3-11.

16. Комаров A.A. Основы проектирования силовых конструкций. -Куйбышев, 1965. 260 с.

17. К оценке прочности натурных литых деталей / Н.А.Костенко, В.И.Сакало, А.В.Чечетов и др. В кн.: Проблемы прочности, № 9, Киев, 1979, с. II0-II5.

18. Лазарев И.Б. Математические методы оптимального проектирования конструкций : Учебное пособие. Новосибирск, 1975.- 186 с.

19. Лозбинев В.П. Алгоритм уточненного расчёта кузовов грузовых вагонов открытого типа на силы распора сыпучим грузом.- В кн. : Вопросы строительной механики кузовов вагонсгв. -Тула, 1976, с. 42-56.

20. Лозбинев В.П. Методика расчёта оптимальных параметров сечений несущих элементов кузавав грузовых вагонов. Тула, 1980. - 70 с.

21. Лозбинев В.П. Методика параметрической оптимизации несущих элементов кузовов грузовых вагонов. В кн.: Вопросы строительной механики кузовов вагонов. - Тула, 1978, с.17-33.

22. Лозбинев В.П., Сорокина C.B. Влияние несущих торцевых стен на напряженное состояние элементов кузова четырёхосного полувагона. В кн.: Повышение прочности элементов кузовов вагонов. - M., 1981, с.7-8 (ЦНИИТЭИТЯШШ, 5-81-20).

23. Лозбинев В.П., Кузьменко Н.И. Уточнённый расчёт кузова цельнометаллического полувагона на силы распора сыпучим грузом.- В кн.: Вопросы строительной механики кузовов вагонов, Тула, 1976, с.56-62.

24. Лукин В.В. Разработка методов оптимизации параметров и оценка эффективности использования грузовых вагонов габарита. Т: Автореферат дисс.на соиск.ученой степени докт. техн. наук. - М., 1975, с. 47с.

25. Лукин В.В. Исследование зависимости тары от конструктивных параметров вагонов. В кн.: Вопросы строительной механики кузовов вагонов. - Тула, 1977, с.109-129.

26. Малков В.П., Угодчикгв А.Г. Оптимизация упругих систем: Пер, с англ. М.: Наука, 1981. - 286 с.

27. Малкоз В.П., Стронин Р.Г. Оптимизация конструкций по весу из условий прочности: Уч.зап.Горьковского ун-та, вып.234, 1971, с.18-32.

28. Малков В.П., Тарасов В.Л. Дискретно равнонапряженная тонкостенная конструкция минимального веса. В кн.: Механика твердого тела. № 5, 1974, с.124-129.

29. Мажид К.И. Оптимальнее проектирование конструкций / Под ред.Колтунова М.Л. М.: Высшая школа, 1979, - 232 с.

30. Методы расчёта стержневых систем, пластин и оболочек с-использованием ЭВМ / А.В.Александров, Б.Я.Лащеников, H.H. Шапошников, В.А.Смирнов. Под ред. А.Ф.Смирнова. М.: Стройиздат, 1976, чЛ - 248 е., ч.П - 237 с.

31. Метод суперэлементов в расчётах инженерных сооружений / В.А.Постнов, С.А.Дмитриев, Б.К.Ялтышев, А.А.Радионов. Под общ.ред.Постнова В.А. Л.: Судостроение, 1979, - 288 с.

32. Никольский E.H. Оболочки с вырезами типа вагонных кузовов. М.: Машгиз, 1963, 312 с.

33. Никольский E.H. Итерационные и точные методы расчёта статически неопределимых стержневых систем. Научно-технический сборник - 2. - Брянск, 1972. - 7 с.

34. Никольский E.H. Расчёт кузовов вагонов по методу конечных элементов на основе применения нерегулярных расчётных схем, составленных из разнородных элементов. В кн.: Вопросы строительной механики кузовов вагонов. - Тула, 1977, с.4-18.

35. Никольский E.H. Анализ алгоритмов, получаемых при совместном использовании метода чередования основных систем и метода конечных элементов для расчёта сложных конструкций вагонов. Тула, 1978, с.4-13.

36. Никольский E.H. Расчёт кузовов вагонов на прочность: Учебное пособие. Тула, 1978. - 46 с.

37. Никольский E.H. Анализ сходимости алгоритма Кожевниковой XJT. при расчёте сложных конструкций кузовов вагонов по методу конечных элементов. В кн.: Вопросы строительной механики кузовов вагонов. Брянск, 1983, с.3-10.

38. Никольский E.H. Расчёт несущих конструкций вагона noi методу конечных элементов. Брянск, 1983.-94 с.

39. Нормы для расчётов на прочность и проектирование механической части новых и модернизированных вагонов железных дорог МПС колеи 1524 мм (несамоходных) М.: ВНИШТ; 1971. - 180с.

40. Овечников H.H. и др. Расчёт несущего кузова тепловоза как стержневой системы с использованием ЭЦВМ / Овечников H.H., Бунин Б.Б., Кузнецова Н.В.: Труды ВНИТИ, вып.29, Коломна, 1968.

41. Овечников H.H., Арсенькина Т.И. Анализ форм поперечных сечений рам тепловозов и методы их расчёта. В кн.: Исследование прочности и динамики узлов тепловозов. - Коломна, 1970, с. 53-67.

42. Оден Дж. Конечные элементы в нелинейной механике сплошных сред: Пер.с англ. А.М.Васильева. Под ред.Э.И.Григолюка.-М.: Мир, 1976. 464 с.

43. Оптимизация и математическое обеспечение САПР: Межвузовский сборник; Вып 2 / Горьковский гос.ун-т Горький, 1980.227 с.

44. Подлитов Н.И. Оптимизация параметров комбинированных цель-нонесущих кузовов пассажирских вагонов. В кн.: Вестник Всесоюзного научно-исследовательского ин-та ж.-д.транспорта, № 4, 1967.

45. Подлитов Н.И. Метод оптимизации цельнонесущих однородных или комбинированных кузовов пассажирских вагонов, выполняемых из различных конструкционных материалов: Автореферат дисс.на соиск.ученой степени канд.техн.наук.- М., 1970. 19 с.

46. Полак Э. Численные методы оптимизации. Единый подход: Пер. с англ. М.: Мир, 1974. - 376 с.

47. Постнов В.А., Хархурин И.Я. Метод конечных элементов в расчетах судовых конструкций. JI.: Судостроение, 1974.- 344 с.

48. Пригоровский Н.И. Экспериментальное определение деформаций напряжений и усилий и применение вычислительной техники. Справочник машиностроителя. Т.3.- М.: Машгиз, 1963, с. 542-573.

49. Пригоровский Н.И., Прейс А.К. Исследование напряжений и жёсткости машин на тензометрических моделях. М.: Изд-во АН СССР, 1958. - 231 с.

50. Проскурнев Н.Г. Прочность вагона: Технический справочник железнодорожника. Т. 6. Подвижной состав. Трансжелдор-издат, 1952. - 955 с.

51. Разани Р. Поведение равнонапряженной конструкции и её отношение к конструкции минимального веса. Ракетная техника и космонавтика. № 12, 1965, с.115-123.

52. Разработка методики и программ расчёта кузовов грузовых вагонов типа "Хоппер" из алюминиевых сплавов: Отчёт / Брянский ин-т транспортного машиностроения, Брянск, 1979.- 146 с.

53. Расчёт машиностроительных конструкций на прочность и жёсткость / Н.Н.Шапошников, Н.Д.Тарабасов, В.Б.Петров, В.И.Ме-ченков. М.: Машиностроение, 1981. - 333 е.

54. Расчёт вагонов на прочность / Вершинский C.B. и др.; Под ред. Л.А.Шадура. 2-е изд. - М.: Машиностроение,1971.- 432 с.

55. Рейтман М.И. Шапиро Г.С. Методы оптимального проектирования деформируемых тел. М.: Наука, 1976. - 264 с.

56. Розин Л.А. Метод конечных элементов в применении к упругим системам. М.: Стройиздат, 1977. - 128 с.

57. Розин Л.А. Стержневые системы как системы конечных элементов. X, 1975. - 237 с.

58. Рыжов Э.В. и др. Решение контактных задач релаксационным методом конечных элементов / Рыжов Э.В., Сакало В.И., Под-леснов Ю.П. В кн.: Машиноведение - M.; 1980, с.64-69.

59. Сиразутдинов Ю.К. О равнопрочном сечении балки. В кн. : Оптимальное проектирование конструкций. Вып.168.-Казань, 1974, с.II-18.

60. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1981. - 447 с.

61. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов / Пер. с англ. A.A.Шестакова. Под ред. Б.Е.Победри. М. : Мир, 1979. - 388 с.

62. Сорокина C.B. Оптимизация поперечных сечений стержневых элементов кузова вагона. В кн. : Повышение прочности узлов и элементов вагонов. - M., 1982, с.12-14 (ЦНШТЭИТЯ11. МАШ, 5-82-19).

63. Сорокина C.B. Автоматизация определения оптимальных параметров сечений элементов конструкций кузсгвов вагонов на основе метода конечных элементов. В кн.: Вопросы строительной механики кузовов вагонегв. - Брянск, 1983, с. 51-65.

64. Сорокина C.B. Расчёт кузова крытого грузового вагона методом конечного- элемента. В кн. : Повышение прочности элементов кузовов вагонегв. - M., 1983, (ЦНЖТЭИТШШAl, 5-83-19).

65. Тензометрия в машиностроении: Справочное пособие / Под ред.Р.А.Макарова. Машиностроение, 1975. - 288 с.

66. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1970, - 544 с.

67. Филин А.П. Гуревич Я.И. Применение вариационного исчисления к о-тысканию рациональной формы конструкции: Научн. труды / ЛИШТ, вып. 190, 1968, с.161-187.

68. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование: Пер.с англ.- М.: Мир, 1975. 534 с.

69. Хог Э., Apopa Е. Прикладное оптимальное проектирование': Пер.с англ.- М.: Мир, 1983, 480 с.

70. Царапкин В.А. Некоторые вопросы оптимального проектирования каркасов рам и кузовов подвижного состава: Дисс. на соиск.ученой степени канд.техн.наук.- Днепропетровск, 1979. 140 с.

71. Царапкин В. А. Оптимальные параметры сепчений элементов че~ тырёхасногтг полувагона. В кн.: Транспортное машиностро-е^ ние. - М., № б, 1973, с. 32-35.

72. Царапкин В.А., Бабаев A.M. Методика определения оптимальных параметров сечений стержневых систем вагонов. В кн.: Исследование условий эксплуатации и ремонта вагонов. -Ташкент, вып.82, 1976, с. 152-158.

73. Шац Я.Ю. Основы оптимизации и автоматизации проектно-кон-структорских рабсгт с помощью ЭВМ. М.: Машиностроение, 1969, - 400 с.

74. Radoíf F.j ШЕтап Р. Beitrag zur Optimierung von xStaéwerken. Ваирбаппипд -Bautecfrnik, №5, 1972, c. 207-2/0.

75. RudoEf F■ Jtutomotenoestützte Optimierung iron Trag iv er ken. ßoupCannuna - ßoutechnik, №19Д c. 217.