автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Моделирование методов расчета несущих кузовов грузовых вагонов из стеклопластика

МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

На правах рукописи

Фролова Татьяна Александровна

МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА НЕСУЩИХ КУЗОВОВ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ Щ СТЕКЛОПЛАСТИКА

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент А.И. Быков

Москва-1998

СОДЕРЖАНИЕ

стр

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

1 КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ............................................................ 7

2 ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОБОЛОЧЕЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.............................. 13

3 МЕТОДИКА РАСЧЕТА И«***5 ОЦЕНКА НДС СТЕКЛОПЛАСТИКОВОГО КОТЛА В^ФМ-ЦИСТЕРНЫ... 23

3.1 Общие уравнения теории анизотропных цилиндрических оболочек............................................................... 23

3.2 Основные положения МКЭ....................................... 29

3.3 Выбор конечного элемента для стеклопластикового котла вагона-цистерны..................................................... 36

3.4 Выбор функций аппроксимирующих перемещения конечного элемента................................................. 38

3.5 Формирование поля перемещений панели оболочки........ 49

3.6 Построение матрицы жесткости гладкой панели............. 62

3.7 Построение матрицы жесткости шпангоутов.................. 67

3.8 Построение матрицы жесткости стрингера.................... 74

3.9 Вывод матрицы узловых сил, эквивалентных внешней нагрузке................................................................ 80

3.10 Вывод разрешающей системы уравнений для оболочки... 89

3.11 Определение напряжений и деформаций произвольной точки анизотропной оболочки.................................... 94

4 КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА ОЦЕНКИ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОТЛА ВАГОНА-ЦИСТЕРНЫ, ВЫПОЛНЕННОГО ИЗ

КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА..................................... 101

5 НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ КУЗОВОВ ВАГОНОВ, ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ СТЕКЛОПЛАСТИКА........ 107

5.1 Оценка НДС несущих элементов крыши весоповерочного вагона................................................................... 107

5.2 Оценка НДС котла цистерны для перевозки пропилена.... 115

5.2.1 Исходные данные для расчета............................ 115

5.2.2 Определение основных технических параметров..... 117

5.2.3 Нормы расчетных сил и расчетные режимы........... 119

5.2.4 Результаты расчета.......................................... 124

ВЫВОДЫ....................................................................... 128

ПРИЛОЖЕНИЕ А. АППРОКСИМИРУЮЩИЕ ФУНКЦИИ В 130

НАПРАВЛЕНИИ ПРОДОЛЬНОЙ КООРДИНАТЫ...................

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. МАТРИЦА ФУНКЦИЙ, ПРЕОБРАЗУЮЩИХ 131

УЗЛОВЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ В ДЕФОРМАЦИИ.....................

ПРИЛОЖЕНИЕ В. РАСПЕЧАТКА ИСХОДНОГО МОДУЛЯ 132 ПРОГРАММЫ ПО ОЦЕНКИ НДС КОТЛА ЦИСТЕРНЫ,

ВЫПОЛНЕННОГО ИЗ СТЕКЛОПЛАСТИКА..........................

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................... 134

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных задач, стоящих перед железнодорожным транспортом, является увеличение грузоподъемности за счет снижения массы тары. Применение стеклопластика в конструкциях подвижного состава позволяет решить эту задачу лучшим образом.

Проведенные оценки и опытные испытания для специализированных стеклопластиковых вагонов выявили ряд преимуществ по сравнению с существующими конструкциями. Высокая удельная прочность стеклопластиков позволяет обеспечить снижение тары вагона и при этом не только не снизить прочностные характеристики кузова, но и добиться существенно более высоких показателей по сравнению с эксплуатируемыми в данное время конструкциями. Так, использование этого материала при изготовлении крыши грузового крытого вагона мод. 11-270 постройки АВЗ привела к снижению массы тары вагона приблизительно на 700 кг.

К преимуществам использования стеклопластика можно также отнести: увеличение срока службы вагона за счет исключения повреждений коррозией, сокращение трудоемкости при изготовлении и обслуживании в эксплуатации.

Отмечаются также высокие демпфирующие свойства стеклопластиковых кузовов вагонов.

Необходимость дальнейшего совершенствования вагонов, улучшение их технико-экономических показателей с учетом обеспечения сохранности перевозимого груза, связана с непрерывным ростом производства и потребления продуктов нефтяной, химической, газовой, пищевой и других видов промышленности. Эта проблема

может быть решена внедрением в эксплуатацию новых специализированных вагонов.

На сети железных дорог страны эксплуатируется большое количество специализированных цистерн для перевозки химических продуктов, применение которых сохраняет качество перевозимого груза, ускоряет погрузку и выгрузку, обеспечивает ускорение оборота вагона.

Основные технико-экономические показатели различных цистерн приведены в работах [1-5]. Вагоны-цистерны, перевозящие агрессивные продукты, в частности, соляную кислоту, имеют недостаточную эксплутационную надежность и технико-экономические показатели. Возникает необходимость частого ремонта гуммированного покрытия внутренней поверхности котла, что приводит к значительным затратам и простою вагонов. Применение стеклопластиков для изготовления котлов цистерн позволяет увеличить полезный объем каждой подвижной единицы на 3-г5%, при этом снижается показатель эксплутационных расходов за счет повышенной коррозионной стойкости стеклопластика и более низкой теплопроводности по сравнению со сталью. Надо отметить, что оболочка котла может формироваться из слоев, обладающих различными свойствами, которые в совокупности обеспечат наилучшие характеристики последнего. Так, для внутреннего слоя необходимо обеспечить, отмеченную выше, чистоту поверхности с высокими антикоррозийными свойствами, а конструкционные слои должны обладать требуемыми прочностными характеристиками.

Важным аспектом использования стеклопластиков на железнодорожном транспорте является также повышение скорости движения поездов, в условиях требований по увеличению

безопасности и надежности, а также увеличение сроков службы вагонов.

Широкому применению стеклопластиков способствует и факт их увеличивающегося производства и снижения цены. За последние 10 лет в странах с развитой химической промышленностью оптовые цены снизились от 10 до 40%.

Благодаря перечисленным преимуществам композитных материалов за последние годы был выполнен ряд интересных научных работ в области совершенствования прикладных методов оценки НДС моделей и конструкций выполненных из композитных материалов.

В предлагаемой работе поставлена проблема применения суперэлементов в конструкции котла цистерны, выполненного из стеклопластика. Решение задачи построено с использованием различных аппроксимирующих функций в направлении продольной координаты. В качестве суперэлемента выбрана цилиндрическая панель, имеющая переменную жесткость, как в окружном, так и в продольном направлениях. Панель может быть многослойной и иметь продольные и поперечные подкрепления. Длина конечного элемента равна длине цилиндрической части котла цистерны.

1 КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Композиты, несмотря на ряд интересных свойств, долгое время не могли конкурировать с такими материалами, как металлы и древесина. Применялись они в основном для изготовления различных малоответственных изделий, как заменители металлов в машиностроении и для изготовления изоляции в электротехнике.

Только в послевоенные годы появился новый тип пластмасс, где одним из компонентов является стекловолокнистый наполнитель. Этот тип пластмасс, получивший название «стеклопласты», «армированные» или «упрочненные» пластики, охватывает группу материалов с различными физико-механическими характеристиками, технологическими свойствами и возможными областями применения. Благодаря высоким физико-механическим свойствам, прекрасным электроизоляционным и радиотехническим характеристикам стеклопластики находят все большее и самостоятельное применение.

Среди многочисленных синтетических материалов (наполнителей, пластификаторов, смазочных веществ, красителей и др.) стеклопластические являются наиболее перспективными. Выпускаемые в настоящее время стеклопластики в зависимости физико-механических свойств, номенклатуры и внешнего вида можно классифицировать на следующие группы:

- стеклотекстолиты;

- анизотропные стеклопластики типа СВАМ;

- стекловолокниты;

- жесткие листовые и фигурные стеклопластики.

Сырьевым материалом для стеклопластиков является стеклянное волокно и изделия из него, а также полиэфирные, эпоксидные и другие смолы.

Прочность стеклянных волокон очень высока и превышает прочность натуральных и синтетических волокон [6]. Механические свойства различных волокон приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Механические свойства различных волокон

Волокно Предел прочности при растяжении, МПа х10 Модуль упругости, МПа *103

Стеклянное 12,5-7-25,0 200ч-700

Крафтцеллюлозное 9Д 785,0

Вискозное 7,56 86,9

Нейлоновое 5,04 46,0

Хлопчатобумажное 4,7 77,0

Стеклянные волокна плавятся, но не сгорают. Благодаря отсутствию клеточного строения, волокна не поглощают так влагу, как волокна органического происхождения, и не подвергаются гниению.

В качестве наполнителя в производстве стеклопластиков широко используются различные стеклянные ткани. В основном это ткани гарнитурового и сатинового переплетения толщиной 0,04-^0,4 мм. Кроме стеклянной ткани получили распространение рубленые стеклянные пряди и ровница, которые пригодны для изготовления анизотропных стеклопластиков - изделий, получаемых методом намотки.

Вторым основным компонентом стеклопластиков является связующее, обеспечивающее одновременность работы волокон. В качестве связующего используются фенольные, полиэфирные, эпоксидные и другие смолы, дающие возможность формовать изделия при сравнительно низких давлениях и температурах.

Наиболее часто в производстве применяют полиэфирные смолы. Стеклопластики на их основе обладают хорошими физико-механическими характеристиками. Недостатком полиэфирных смол является их горючесть и недостаточная теплостойкость.

Использование полиэпоксидных смол позволило получить материалы с более высокой прочностью, чем стеклопластики на основе полиэфирных смол. Полиэпоксидные смолы характеризуются высокой смачивающей способностью, малой объемной усадкой при отвердении, хорошей совмещаемостью с другими смолами. Недостатком стеклопластиков на полиэпоксидных смолах также являются недостаточная теплостойкость (120ч-170°С), и чувствительность к колебаниям влажности.

В фенолформальдегидных смолах лучше, чем у других связующих, сочетаются термостойкость и механическая прочность.

Кремнийорганические соединения благодаря высокой термостойкости, хорошему поведению в условиях влажности и отличным диэлектрическим свойствам представляют большой интерес для производства стеклопластиков.

В зависимости от требований, предъявляемых к стеклопластикам самых различных назначений, их получают многими способами, среди которых самым производительными и высокомеханизированными являются непрерывные методы

формования. Производством стеклопластиков занимаются Северодонецкий и Санкт-петербургский заводы, Мытищинский комбинат синтетических строительных изделий и материалов и другие предприятия.

Для приготовления листовых и фигурных стеклопластиков используются различные методы: контактный метод, метод напыления рубленых стеклянных нитей и связующего на форму и др.

Механическая обработка композитов заключается в распиловке материала. Листовые пластики толщиной до 2,5-ьЗ мм распиливают ножовками, а более 3-х мм используют стационарные механические пилы диаметром не более 350 мм. Фрезеруют стеклопластики при помощи фрез с винтовым зубом и углом наклона винтовой линии 30^60 градусов.

Особенности технологии стеклопластиков, а также их физико-механических свойств определяют большие экономические преимущества их применения по сравнению с применением других строительных материалов. Прежде всего наблюдается значительный эффект от снижения объема капитальных затрат: капитальные вложения на создание производственной мощности, необходимой для выпуска 1 тонны стеклопластиков будет по предварительным данным примерно в 1,5 раза меньше, чем для 1 тонны стали, а также значительно меньше, чем для производства 1 тонны алюминия, меди и других металлов.

Стеклопластики обладают высокой механической прочностью. Удельная прочность, т.е. прочность отнесенная к удельному весу материала, стеклотекстолита и анизотропных стекловолокнистых пластиков, не уступает, а иногда и превышает

удельную прочность стали, дюралюминия и титана. Недостатками стеклопластиков являются сравнительно небольшая жесткость и небольшое значение предела прочности при сжатии вдоль слоев. Для сравнительной оценки механических свойств стеклопластиков в таблице 1.2 и в диаграммах на рисунке 1.1 представлены данные по другим конструкционным материалам.

Таблица 1.2 - Механические свойства конструкционных материалов

Материалы Уд. вес, г/см3 Предел прочности, МПах102 Модуль упругости, МПах104

растяжение сжатие

Стеклопластик анизотропный 1,9 484-95 42 354-58

Стеклопластик КАСТ-В 1,75 26-ь27 104-12 20

Дельта древесина ДСП 1,25 214-25 36 20

Текстолит ПТК 1,35 11 - 10

Сосна ДРС 0,55 94 4 12

Дюралюминий Д16 2,8 42-46 44 72

Титан ОТ4 4,5 80 80 115

Сталь ст5 7,85 384-47 42 210

Сталь ЗОХГСА 7,85 160 160 210

Стеклопластики обладают высокой способностью поглощать энергию вибрации, превышающую таковую для металлов в 3-ь4 раза. Это качество выгодно отличает их от металлов [7].

1234 56 78

1 2 3 4 5 7 8

а) б)

Рисунок 1.1 - Удельная прочность конструкционных материалов:

а) при растяжении; б) при сжатии;

1-сталь ЗОХГСА; 2-дюрагпоминий; З-титанОТ-4; 4-сосна ДРС;

5-дельта-древесина листовая ДСП; 6-текстолит ПТК;

7-стеклотекстолит ЭФ-32-301; 8-СВАМ.

Стеклопластики хорошо противостоят действию ударных и динамических нагрузок и обладают большой демпфирующей способностью.

В вагоностроении наиболее целесообразным является применение стеклопластиков на основе эпоксидных смол, обладающих относительно небольшим объемным весом при высокой прочности. Они трудновоспламеняемы, негигроскопичны, не поддаются гниению.

Также отмечается высокая атмосфероустойчивость эпоксидных пластиков, что подтверждается эксплуатацией этих материалов в реальных условиях.

2 ОБЗОР МЕТОДОВ РАСЧЕТА ОБОЛОЧЕЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВЫПОЛНЕННЫХ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Одной из первых работ, связанных с исследованием прочности тонких слоистых анизотропных оболочек с учетом межслоевых сдвигов и поперечной деформации, является монография С.А. Амбарцумяна [8]. В ней представлен вывод фундаментальных уравнений теории тонких слоистых оболочек. Отмечено, что при незначительной разности соответствующих жесткостных параметров слоистого материала учет поперечной деформации дает весьма несущественную поправку.

В книге В.И. Королева [9] излагаются основы технической теории анизотропных пластин и оболочек, изготовленных из жестких армированных пластмасс. Получено решение многочисленных технических задач, наиболее часто встречающихся в инженерной практике, с рекомендациями по рациональному конструированию упругих деталей из армированных пластиков. Некоторые разделы целиком посвящены вопросам выбора структуры материала. В ней также отмечается, что упругие характеристики связующих материалов заметно ниже соответствующих упругих характеристик армирующих наполнителей. Возникающие при изгибе слоистых оболочек межслоевые сдвиги могут существенно исказить картину деформированного состояния, оценка которого базируется на широко используемой в теории оболочек гипотезе прямых неудлиняемых нормалей. Установлено, что, если влиянием деформаций можно пренебречь, то считать нормаль после деформации перпендикулярной срединной поверхности оболочки, не представляется возможным.

Несколько глав книги посвящено расчету цилиндрических оболочек. Рассматриваются краевые эффекты в асимметрично - нагруженных цилиндрических оболочках, указана область возможного применения без моментной теории оболочек. Приводятся уравнения для расчета оболочек вращения с переменной толщиной в зонах их сопряжения.

Большой вклад в решение вопросов, связанных с прочностью деталей, изготовленных из анизотропных материалов, внес С.Г. Лехницкий. В его книге [10], вышедшей в 1947 году, изложены вопросы теории НДС анизотропных пластинок. В книге изучено плоское напряженное состояние пластинчатых элементов, их изгиб и устойчивость. Основное внимание обращено на практическую сторону решений, где это возможно - результаты доведены до расчетных формул, таблиц и графиков. Автором рассмотрен изгиб анизотропных балок, кривых брусьев и пластинок.

В 1970 году вышло из печати учебное пособие [11] под редакцией И. И. Го