автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Моделирование и выбор рациональной конструкции цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов с учетом новых нормативных требований



МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(ШИТ)

На правах рукописи

Плотников Игорь Валентинович

Моделирование и выбор рациональной конструкции цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов с учетом новых нормативных требований

Специальность 05.22.07 — Подвижной состав железных дорог1 и тяга поездов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Канд. техн. наук, доцент Азовский А.П.

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................4

1. СХЕМЫ ПРИЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ НАГРУЗОК ПРИ ОЦЕНКЕ ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КУЗОВОВ ВАГОНОВ ПО НОВЫМ НОРМАТИВНЫМ РЕЖИМАМ...............................................................................10

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ КОТЛОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ЦИСТЕРН, РЕАЛИЗОВАННЫЕ В ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЕ «АС-ТП ЦИСТЕРН»........................................24

3. БИБЛИОТЕКА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА «МКЕ»..........................................................................36

3.1. Общие формулы определения матрицы жесткости и вектора эквивалентных узловых нагрузок............................................................................36

3.2. Плоскопространственный изопараметрический четырехузловой КЭ............37

3.3. Пространственный треугольный КЭ....................................................46

3.4. Пространственный стержень............................................................54

3.5. Пространственная упругая вставка.....................................................57

3.6. Определение напряжений в КЭ и оценка прочности конструкции...............57

4. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА «МКЕ»: ФАЙЛ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ, ЭЛЕМЕНТЫ МЕНЮ, БАЗОВЫЕ АЛГОРИТМЫ.......59

4.1. Файл исходных данных и элементы меню............................................59

4.2. Алгоритм ввода расчетных нагрузок...................................................72

4.3. Метод [ Ь ][В ][ Ь ]т - факторизации, прямая и обратная подстановки.........78

5. ОЦЕНКА ОШИБОК ДИСКРЕТИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИЙ И КАЧЕСТВО ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ............................................................82

-36. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЦИСТЕРН С КОТЛОМ, УСТАНОВЛЕННЫМ НА РАМЕ.....................................91

6.1. Характеристика расчетной модели и результаты статических исследований..........................................................................................91

6.2. Некачественная подгонка брусков в опорной зоне котла.........................103

6.3. Методика определения частот и форм собственных колебаний груженых цистерн с универсальной и усиленной рамами.....................................109

7. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ

ЦИСТЕРН БЕЗРАМНОЙ КОНСТРУКЦИИ.............................................120

7.1. Цистерна безрамной конструкции (вариант I)......................................121

7.2. Цистерна безрамной конструкции (вариант II)....................................125

7.3. Цистерна безрамной конструкции (вариант III)....................................131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................................145

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................................148

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ОСНОВНЫЕ ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТОВ

ЧЕТЫРЕХОСНЫХ ЦИСТЕРН ПРИ УДАРНОМ

ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ВАГОНОВ 3.5 МН...........................154

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ

ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ «АС-ТП ЦИСТЕРН».............. ....157

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НДС ЦИСТЕРНЫ БЕЗРАМНОЙ КОНСТРУКЦИИ (ВАРИАНТ I) ПРИ УДАРНОМ

ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ВАГОНОВ 3.5 МН...........................161

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА НДС ЦИСТЕРНЫ БЕЗРАМНОЙ КОНСТРУКЦИИ (ВАРИАНТ II) ПРИ УДАРНОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ВАГОНОВ 3.5 МН...........................171

ВВЕДЕНИЕ

С 1989-1990 годов ввиду начала спада производства в народном хозяйстве объемы перевозок на железных дорогах СССР резко сократились. Распад СССР и экономический спад значительно ухудшили ситуацию с обеспечением железнодорожного транспорта подвижным составом. Так, например, по данным ВНИИЖТ в 1992 г. выпуск грузовых вагонов в странах СНГ уменьшился до 38000 единиц при потребном количестве 61300 вагонов. В связи с ухудшением условий эксплуатации вагонов на сети с 1996 года ужесточены нормативные требования к новым вагонам. В частности, введены новые расчетные режимы, увеличены расчетные нагрузки. Вместе с тем на 10-15% снижен уровень допускаемых напряжений в несущих элементах грузовых вагонов.

По прогнозу специалистов ВНИИЖТ [ 1 ] на основе анализа кризисных явлений в ряде стран мира к 2008-2010 годам при увеличении объемов производства потребность вагонов в России может в 2 раза превысить численность вагонного парка. Особенно острый дефицит будет ощущаться в полувагонах и цистернах. В настоящее время производство цистерн в России разворачивается на предприятиях военно-промышленного комплекса, химической промышленности, вагоно- и локомотиворе-монтных предприятиях. Освоение серийного производства цистерн этими предприятиями сопряжено с решением ряда технологических проблем, главной из которых является отсутствие трехвалковых прокатных станов, способных вальцевать обечайки котлов необходимых типоразмеров. Это потребовало возврата к царговым вариантам котлов, то есть цилиндрическая обечайка котла российских цистерн состоит из двух крайних и средней царг. Среди технических проблем следует выделить отсутствие

опыта проектирования цистерн, отсутствие экспериментальной базы. В этих условиях повышается роль расчетной оценки качества проектных решений, технического уровня и надежности поставляемых на рынок котлов новых и модернизированных цистерн. Особую актуальность приобретает комплексный подход, применяемый ранее на стадии проектирования цистерн. В 1986-1990 годах кафедрой «Вагоны и вагонное хозяйство» МИИТ'а была создана автоматизированная система проектирования «САПР-цистерна», позволявшая автоматизировать до 50% проектных работ на Мариупольском заводе «АЗОВМАШ». Для того чтобы избежать диктата завода-монополиста при обосновании параметров цистерн новых моделей, учитывая, что 98% всех цистерн в СССР выпускались этим предприятием, ЦВ МПС также имел свою автоматизированную систему «АС-ТП цистерн», разработанную в 1990-1991 годах тем же научным коллективом. Такой всесторонний анализ проектируемой конструкции на стадии предпроектных исследований, эскизного, технического и рабочего проектов цистерн новых моделей способен приносить значительные выгоды для железных дорог за счет ускорения внедрения вагонов с улучшенными технико-экономическими параметрами.

Цели исследования:

1. Совершенствование действующей автоматизированной системы экспертизы технических проектов цистерн («АС-ТП цистерн») за счет пополнения её современными методами моделирования прочности на основе метода конечных элементов (МКЭ), разработка уточненных расчетных схем для оценки прочности 4-осных цистерн с различной конструкцией несущих элементов при действии комплекса нормативных нагрузок.

2. Изучение и оптимизация механизма передачи нагрузок от котла на другие несущие элементы 4-осных нефтебензиновых цистерн при действии комплекса нормативных расчетных нагрузок и с учетом различных конструктивных решений.

3. На основе направленного поиска разработать конструкцию 4-осной цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов с наименьшей массой тары, отвечающей новым нормативным требованиям прочности и учитывающей технологические возможности заводов-изготовителей РФ. Снижение металлоёмкости (массы тары) позволит уменьшить цену цистерны, повысить её грузоподъёмность.

Научная новизна Автор защищает следующие научные положения:

1. Технологию расчетного моделирования нагруженности цистерн с различной конструкцией несущих элементов и учетом новых нормативных требований, реализованную в виде программного комплекса «МКЕ» автоматизированной экспертной системы «АС-ТП цистерн». При этом в качестве базового предложен плоскопространственный изопараметрический четырехузловой конечный элемент (КЭ). Им могут аппроксимироваться цилиндрическая обечайка котла (прямоугольная форма КЭ), днища (трапецеидальная форма КЭ) и т.п. Предлагаемые расчетные зависимости прошли комплекс проверок на простейших моделях, в расчетах сложных конструкций котлов цистерн со сливными устройствами типа «ЮНИ-ТЕМП», в расчетах конструктивных вариантов котлов конусо-цилиндрической и У-образной форм.

2. Уточненные расчетные схемы 4-осных цистерн с рамами и безрамной конструкции при действии комплекса расчетных нагрузок в соответствии с новыми «Нормами».

-73. Детально проработанный конструктивный вариант 4-осной цистерны безрамной конструкции для перевозки нефти и нефтепродуктов, удовлетворяющий условиям прочности в соответствии с новыми нормативными требованиями и обеспечивающий существенное снижение металлоемкости в сравнении с существующими конструкциями цистерн. 4. Методику на базе программного комплекса "МКЕ" для определения частот и форм собственных колебаний цистерн с различной конструкцией несущих элементов.

Практическая ценность работы Проведенные исследования использовались в экспертизах технических проектов цистерн с усиленными рамами ПО «Туймазыхиммаш», на Среднеазиатской железной дороге, ЦВ МПС России. Предлагаемый программный комплекс «МКЕ» может поставляться заинтересованным организациям как самостоятельный программный продукт на компакт - диске вместе с подробным описанием меню и базы входных и выходных данных. При необходимости на компакт - диск могут быть перенесены базы данных с наиболее характерными расчетными схемами конструктивных вариантов цистерн, что позволит значительно сократить затраты времени на отладку моделей и отработку конструкций опытных образцов. Предлагаемые расчетные схемы и программный комплекс «МКЕ» могут быть использованы при проектировании предприятиями химической, авиационной, автомобильной промышленности, а также при разработке крупнотоннажных контейнеров.

Некоторые результаты диссертации используются в учебном процессе в виде пособий по курсовому и дипломному проектированию по специальности 150800 (вагоны):

-81. Котуранов В.Н., Азовский А.П., Плотников И.В. Автоматизированная система экспертизы технических проектов цистерн (АС-ТП): Подсистема «Прочность». Программный комплекс для оценки прочности рам цистерн. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по дисциплинам «Автоматические рабочие места и экспертные системы в вагоностроении», «Строительная механика НРПС» для студентов специальности 150800 (вагоны). М.: МИИТ, 1995,68 с.

2. Котуранов В.Н., Азовский А.П., Плотников И.В. Автоматизированная система экспертизы технических проектов цистерн (АС-ТП): Подсистема «Контроль параметров котлов цистерн». Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по дисциплине «Автоматические рабочие места и экспертные системы в вагоностроении» для студентов специальности 150800 (вагоны). М.: МИИТ, 1996,60 с.

3. Азовский А.П., Плотников И.В. Оценка прочности и герметичности загрузочных люков цистерн. Методические указания к курсовому и дипломному проектированию по дисциплине «САПР - вагонов» для студентов специальности 150800 (вагоны). М.: МИИТ, 1998, 52 с.

Реализация результатов работы Разработанный программный комплекс «МКЕ» реализованы в автоматизированной экспертной системе «АС-ТП цистерн», используемой департаментом вагонного хозяйства МПС РФ.

Аппробация работы Основные материалы диссертации доложены и обсуждены:

1. На отраслевой конференции по фундаментальным и поисковым НИР МИИТ'а в 1997 году (тема 37/97) и в июле 1998 года (тема 47/98).

2. На И-ой международной научно-технической конференции «THE URGENT PROBLEMS OF RAILWAY TRANSPORT DEVELOPMENT» в 1996 году.

3. На научно-техническом совете в транспортной компании «СФАТ» в 1997 году.

4. На студенческой научной конференции с международным участием «Проблемы железнодорожного транспорта» в МИИТ'е в 1993 году.

По теме диссертации опубликованы 3 статьи:

1. Азовский АП., Плотников И.В. Исследование напряженно-деформированного состояния конструктивных вариантов котлов рамных цистерн. Тезисы докладов И-ой международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы железнодорожного транспорта», М.: МИИТ, 1996, - с. 91.

2. Котуранов В.Н., Азовский АП., Плотников И.В. Технологические основы расчетной экспертизы проектных решений по выбору характеристик элементов ходовых частей вагонов. М.: Труды МИИТ, вып. 916,1997, - с. 106-108.

3. Котуранов В.Н., Азовский АП., Плотников И.В. Предпроектные иссследования по разработке технико-экономических параметров цистерн для перевозки нефтепродуктов с учетом новых нормативных ограничений. М.: Труды МИИТ, вып. 921, 1999,-с. 116-119.

1. СХЕМЫ ПРИЛОЖЕНИЯ РАСЧЕТНЫХ НАГРУЗОК ПРИ ОЦЕНКЕ

ПРОЧНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ КУЗОВОВ ВАГОНОВ ПО НОВЫМ

НОРМАТИВНЫМ РЕЖИМАМ

В данной главе рассмотрим схемы приложения нагрузок, учет которых необходим при оценках прочности элементов кузовов вагонов по режимам новых "Норм" [2]. Для большей наглядности будем условно представлять кузов вагона как пространственную проекцию вертикальной плоскости, проходящей через пятниковые сечения кузова.

а) Продольная квазистатическая сила сжатия.

Здесь 2Ьзу — расстояние между опорными поверхностями задних упорных угольников.

б) Продольная квазистатическая сила растяжения.

Здесь 2Ьщ - расстояние между опорными поверхностями передних упорных уголь-

ников.

еРЩ

с**а

tie*

U

Afe

"'S*,

**

ÏZ

2g /тфтг

ttpft

щ

4 Ц

Ч,

*****

Ра,

Ъ

tiäff

Ущ

ч

О?

Яр.

еР#0

Pao

■Vetti

-Уел

Щ

К

//

Ъо

> б

ccif

*<>Л/

Ъе „

Величина Ь выбирается по расчетной схеме, соответствующей конкретному вагону. В частности, это может быть расстояние от оси скользуна до оси пятника, з) Удар.

На этой схеме силы инерции, уравновешивающие силу Ы, представлены распределенной нагрузкой и. При расчетах по МКЭ схему необходимо закрепите в одной из точек. Если это точка А (опора на тележку), то в точке В надо приложить силу инерции от второй тележки, то есть N=17 • 2Ьр + щ. Величина С определяется по формуле:

-13£ _ - 21/зу 2

и) Рывок.

Рассмотрев приведенные схемы нагружений, можно сформулировать суммарные нагружения Р^ при оценке прочности элементов кузовов вагонов по режимам "Норм":

1. Оценка прочности по 1-му режиму квазистатического сжатия требует наложения схем:

Р£ = а) + г) + е); Р1-а)±в) + г) + е).

Примечание: первая формула - для центрального приложения продольной силы И, вторая - с учетом понижения или повышения оси автосцепки по отношению к оси автосцепки соседнего вагона.

2. Оценка прочности по 1-му режиму квазистатического растяжения будет получаться наложением схем:

Р1 = б) + д) + е); Р1 = б)±в) + д) + е).

3. Оценка прочности по Ш-му режиму квазистатического сжатия:

Р£ = а) + г) + е*) + ж); Р£ = а) ± в) + г) + е*) + ж). Примечание: е*) предполагает, что вертикальная нагрузка увеличивается в ( 1 + кт + + £Дб ) раз, где кт - коэффициент вертикальной динамики; кф - коэффициент, учитывающий влияние боковых сил инерции (&Дб равен 10% или 12%, то есть 0.1 или 0.125).

4. Оценка прочности по Ш-му режиму квазистатического растяжения:

Р£ = б) + д) + е*) + ж); Р£ = б)± в) + д) + е*) + ж).

5. Оценка прочности по 1-му режиму - удар:

Р£ = е) + з); Р£ = ±в*) + е) + з). Примечание: ± в*) — на схеме учитывается сила Р лишь со стороны удара.

6. Оценка прочности по 1-му режиму - рывок:

Р£ = е) + и); Р£ = ±в*) + е) + и).

7. Оценка прочности по Ш-му режиму - удар:

Р£ = е*) + ж) + з); Р£ = ± в*) + е*) + ж) + з).

8. Оценка прочности по Ш-му режиму — рывок:

Р£ = е*) + ж) + и); Р£ = ±в*) + е*) + ж) + и).

-15В каждой из приведенных схем для каждого конкретного вагона должны быть учтены дополнительно нагрузки, обусловленные спецификой конструкции (внутреннее давление, распор, крепления и т.д.).

Таким образом, чтобы оценить прочность элементов кузова вагона по режимам "Норм", требуется рассмотреть 24 сочетания нагружений и выбрать точки с наибольшими напряжениями, которые должны быть сравнены с допускаемыми для каждого расчетного режима.

Перечислим основные нагрузки, учитываемые в рассмотренных расчетных схемах:

а) Вертикальная статическая нагрузка от массы груза и собственной массы для грузовых вагонов. В расчетах кузовов из этой нагрузки надо исключить массу ходовых частей. Если масса ходовых частей и тормозного оборудования, установленного на них, обозначить 2Р0, то вертикальная статическая нагрузка Рвст на кузов будет определяться как

PbCI=m0q0-2P0. (1.1)

б) Вертикальная динамическая нагрузка, обусловленная силами инерции из-за колебаний элементов вагона при движении по рельсовому пути, учитывается посредством коэффициента вертикальной динамики кт. Среднее вероятное значение этого коэффициента для скоростей движения V< 15 м/с определяется по формуле:

V

а для скоростей V> 15 м/с

£да = а+3.6-1(Г4г>^-^, (1.3)

fes

где а - коэффициент, равный для элементов кузова 0.05, для обрессоренных частей тележки - 0.10, для необрессоренных частей тележки -0.15; Ь - коэффициент, учитывающий влияние числа осей т0 в тележке или группе тележек под одним концом вагона:

2 т0

V— скорость движения в соответ