автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Оптимизация по частям кузова крытого грузового вагона из условий минимума массы его элементов

Брянский ордена «Знак Почета» институт транспортного машиностроения

На правах рукописи КУЗНЕЦОВ Андрей Юрьевич

УДК 629.463.1.001.24:519.6

оптимизация по частям кузова крытого грузового вагона из условия минимума массы его элементов

Специальность 05.22.07 — Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянск — 1988

Работа выполнена на кафедре „Вагоностроение" Брянского ордена „Знак Почета" института транспортного машиностроения.

Научный руководитель — заслуженный деятель науки

и техники РСФСР, доктор технических наук, профессор Е. Н. НИКОЛЬСКИЙ

Официальные оппоненты—доктоо технических наук, доцент В. И. САКАЛО

кандидат технических наук А. А. ЮХНЕВСКИЙ

Ведущее предприятие — Алтайский вагоностроительный

завод

Защита состоится ,, / " 1988 года

в часов в аудитории № 220 на заседании специализированного совета К 063.28.02 Брянского ордена „Знак Почета" института транспортного машиностроения по адресу: 241035, г. Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан ,, Г-

Отзывы на автореферат (2 экземпляра), заверенные печатью, просим направлять в адрес специализированного совета.

Ученый секретарь ¡ПЫ А / №

специализированного совета П.

ТИХОМИРОВ

ОЕЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность темц» Решения ХШ съезда КПСС, последувдех пленумов ЦК КПСС, закон о Государокзснпсм плана на 198&-1990 года ставя? перед яэлезаодорсаным транспортом задата узеличеняя объемов н качества перевозок яародаохозяйсгзенкнх грузов при обеспечении их с охранное га и яовншвняя зяснсшчзсоти транспортировки. За гсды 1Ш пяталетаэ в вагоностроения необходимо оянзять удельную штай-. лоешость на Д2-1В %} себ&стсзкюэть продукция - на 9-11 %

Характерным для условий дхенлуатацвз грузовых загоноэ является возрастание нагрузок, дэйствущах на ях яесупэв конструкция, связанное о узеотчензем скоростей двияеняя лоэздоз я осевой натру зкя0 Статястяяэмтаэ данные ВНИИ яелезнодорошюго транспорта доказывают, что для иузозов, яратах грузовых загонов типична повреждения торцевых стен з эксаиуатацгз, возникающие в основном пря ооудареяия вагонов, груиеннх екпучим груэш, волэдетвнэ ярезыягэ-вия допускаемой рэочэтяоГ! зкероога соударшЕя на зодгорочннх яузгх сортировочных станций, Оовашвт дефектам« торцевых отер, являются изгаб з образ по свахио терцэв.чх стоек,

3 озяза о елям отедоюмвяяэ'язя актгеизянм исследование еял, йейотврадх за торцвшв .о*»ва} тесреетгесжая сцвэса ах яапркзоз- . н(ьдефсркарованваго воотгяетя з за 31'оЧ ооиовэ

вальянх конструкций торзевях зтря.. В зтгх ншфе?т*зях :хс2ствя ряд »кеяврвмвнтальннх я ?эс?ет«гсг:: работ зо ЩЯВэ, .'ЕЖв, ШШв, аа АВЗ, Одеако задот. по тггзя Епотаоота глб'.р? ж»- • мальвах хозструщзЗ гяпщгхп: тгзп К7зс~сч гэузсж-г загенев '¿гжва недостаточно яагко»

Для оцешш Еетр.т2рнео-Де,1чЗр1!3.р?2еаясх!0 осстозшя зягоесз 3 настоящее зрг:ш пзтркто зепояьзуегоя ШЭ, Шщчвяя развита© гэтода оптииальвого проеистротазия вагоннет гскогрунтщй» .Над эетш зон-

рею ада успешно работают во ВНИИЖГе, ВШИВе в его филиалах, ДИИТв, ЛИИЖГе, ШИТе, ШИе, СШИТе v других организациях.

Ввиду большой сложности указанных проблем в настоящее время ene не вое вопросы решены в полной хере. Слабо разработаны задачи оптимизации элементов конструкции крытых грузовых вагонов и особенно вх торцевых отея.

Эффективность оптимизационных расчетов неоуиих конструкций кузовов непосредственно зависит от степени детализации вх расчетных схем. Применение больших расчетных схем ЫКЭ я методов оптя -< мального проектирования для оптимизация жузовов ограничено значительной трудоемкостью, что сдерживает их внедрение в произволет-во. Решение этой задачи возможно на основе расчета напряженного состояния и оптимизации кузовов по частям.

В связи с этим ооновйая направледаооть диссертации, состоящая в разработке методики теоретических восаедований напряженйо-дефор-мироввнного состояния и оптимизации гяедшх конструкций крытых грузовых вагонов по частям, позволяющей снизить трудоемкость оптимизационных расчетов, представляется актуальной.

Работа выполнялась в соответствии с заданием 40.И "Создание в освоение производства универсального крытого грузового вагона в габарите Г^, увеличенной емкости вздели II-27I" Научно-техни-чеокой программы на 1986-1990 гг. 0.54.01. "Создать и освоить в эксплуатации высокоэффективные технические средства и технологические процессы на железнодорожном транспорте" Всесоюзной тучно-технической программы 028. "Транспорт" л целевой комплексной программой "САПР Минвуза РСФСР".

Деда диссертационной работы соотоит в развитии метода оптимизации по частям кузова крытого грузового вагона из условия минимума масоы его влементов в рамках поняли о дискретно-равнопрочных системах на основе сочетания МКЭ и метода чередования основных оис-

тем (МЧОС).

Обкая метелка исследований. В диссертации теоретические irc-сдедовагая выполнены на базе алгоритмов, разработанных на основе своеобразного сочетания трах методов: конечных элементов, чередования ооновных систем и образования дискретно-равнопрочных слотом при двойном итерационном цикле. Для внутреннего цикла оптимизации используется вариант градиентного метода нелинейного программирования. Достоверность разработанных алгоритмов, расчетных схем а результатов теореетческнх исследований подтверждена экоперешен -тальным путем в проведением численных экспериментов.

Научная новизна работы. Разработаны алгоритм в программа оптимизации по частям кузова крытого грузового вагона иэ условия iflramjym массы его елеьюнтов; вариант алгоритма и программы автоматизированного расчета напряаенно-дефордарованного состояния кузова вагона и его узлов на- основе сочетания МКЭ и МЧОС. Построена расширенная уточненная расчетная схема кузова крытого грузового вагона о подробный представлением торцевой стены, позволяющая выполнять прочноекша я оптимизационные расчеты от нагрузок, регламентированных "Нормами для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог ШО колеи 1520 т (несамоходных"^ Практическая ценность работа. Разработанные алгоритмы и программы позволяют расширить область применения ЩЭ и методов оптимального проектирования, существенно снизить трудоемкость прочности ных з оптимизационных расчетов. Osa могут применяться как для автоматизации многоваряантннх расчетов, так и для определения оптимальных параметров сечений стераизвкх элементов из условия штв-мука массы конструкции. Предложенная расширенная расчетная схема МКЭ дает возможность выполнять расчеты различных вариантов конструкции кузова крытого вагона, повышая эффективность проектирования. Разработанные программы и результаты расчетов по ним исполь-

зованн на Алтайском вагоностроительном заззод<э <АВЗ) пря проокта-ровании крытого грузового вагона модели 11-371 о увеличенным объемом кузова.

Аотюбашгя работы. Основные положения диссвртапаи докладава- . лиоь и обсуждалась ка 45, 46, 47 ваучно-техничвоких конференциях профессорско-преподавательского ооотава ШМ (оекция "Еагоностро-. ; еяие") в 1986-1988 годах; на Ш каучио-твхшгчвёкой конференций "Вопроса качеотва, надета ос та, прочности в долтовечноотз ыашяно-

' I ? '

строительной продукта", Калинин » 198? г.; на ХУЛ конференция ью-лодех ученых л опецяагаотов ВНИИВ, Кременчуг, 1987 г.; на Всеоовд-ной конференций "Проблемы иахшшки железнодороаного транспорта",'• Днепропетровск, 1988 г.; на Доеданиях кафедра "Вагоностроение" ; ШШ и Совета НТО АБЗ (протокол К 6 от 06.07.88) в 1988 году.

Публикация. По результатам работы имеется 6 публикаций.

Объем -работы. Диссертация объеме/и 141 страши» состоит из введения, четырех глав, результатов-работки заводов, бийлжхЬ-рафтчеокого сшока из 99 наименований* приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение включает обоснование актуальности решаешх гадая по разработке методов проектирования оптямаяша конструкцай кузовов вагонов.

В первой главе содержатся краткое ожогшие особенностей :-:ов-сгрукцют крытых грузовых унзверсаЕШш:-estohcs, да-зтея сраяззвиа гвашко-зкояомячеокнх показателей раелэтжж отечзогвендлх к зарубежных моделей. Отмечаемся вклад б paspaôosay ьгах йокструкззЙ ' . ВНИИВ и его филиалов, ШйНИ, МНИТ, Ш, ШШ, 'ШУ, Празсдагся овадвшя о методах расчета и эксперядантах» прянавязетхоя пш проектировании гратах грузовых вагонов.

Отмечается, что по своим техник о-эк ономическим показателям краж$ грузовой Батон модели 11-270, выпускаемый в настоящее время на АВЗ серийно, не отвечает уровню зарубежных аналогов. Учитывая это, АВЗ совместно с ВКИИвагокостроегош приступили к разработке нового крытого грузового вагона модели 11-271 с увеличенным объемом кузова к грузоподъемностью 72 т при нагрузке от оси на рельсы до 245 кН. Кузов этого вагона к бил принят в качестве объекта исследований в настоящей диссертации.

Для оптимизации элементов кузова крытого грузового вагона С.В.Сороканой разработаны программа з расчетная схема МКЭ, в которой, однако,, торцевые стены вклотенн упрощенно. В.А.Атрощенко дай уточненного расчета торцевой стены применен МЧОС в сочетания о ККЗ, но оптимизация элементов не проводилась. Вопрос разработал методов .оптимизации параметров торцевой станы и выбора ее рациональной конструкции не исследован достаточно полно в остается актуальным.

На основании вышеизложенного основная задача дассбркщзз состоит в развитии метода оптишзэцее по частям кузова кривого грузового вагона с увеличенным объемом из условия минимума массн его элементов в рамках метода образования даскрэтио равяопротзшх опо-тем ка основе сочетания МКЭ и метода чередования оснозгшх систем.

Исходя из указанной общей задача, ставятся оледугацяе чао вага задачи:

1. Разработать вариант алгоритма и программы автсагзетзнрсван-ного расчета напряженно-дефоршровэнного оостоякгя вооущей когот-.рукдвн кузова по частям на оозовэ сочетания МКЭ и МЧОС. В часдаос-

тн, обеспечнть автоматизацию передачи информация о результатах расчета при перехода от одной основной свстеш н другой.

2. Разработать алгоритм я программу оптамизацемшнх раочзтов нзоущих конструкций кузовов вагона по чаотям на основе метода обра-

зования дискретно равнопрочных оиотем в сочетании с 1ЛКЭ и МЧОС.

3. Разработать расчетную схему кузова крытого грузового вагона модели Ц—271 о уточненным представлением торцевой отены для раочета на нагрузки, предусмотренные "Нормами,.,", а также на новый вариант распорной нагрузки, полученный экспериментально.

4. Выполнить проверку разработанных алгоритмов и программ определения напряженно-деформированного состояния и оптимизации , по частям конструкции путем численных экспериментов на тестовых примерах.

6. На моделях основных систем выполнить экспериментальную проверку условия сходимости алгоритмов ЫЧОС и оптимизации по чаотям,

6. Провести оценку достоверности разработанной расчётной схе-Ш) и результатов расчетов на основе экспериментального исследования напряженного состояния моделей, кузова с исходными и расчетными оптимальными размерами сечений, '

7. Выполнить прочностные и оптимизационные расчеты кузова ис~ оледувмого вагона а объемом грузового помещения 165 м3. '

Ввиду сложности задач, исследования'выполняются при следующих ограничениях. . ,

1, Исследования проводятся в рамках линейной зависимости мек-ду напряжения*« и деформациями.

2. Раочетние нагруака принимаются квазистатическиш в соответствии о "Нормами...".

Во Bfoppit главе дается общее описание разработанных алгоритмов и программ и примеров расчетов по ним. Отмечается, что с^эдст-вушцио итерационные методы оптндававдш конструкций по массе требует накавдом шаге раочета напрясенно-деформированного состояния (ВДО) воего объекта, что оуществвнно^увеличзвавт время счета»

Для раочета №0 наиболее удоднш предотавляатся исдольаотать ШШ. Однако втот ивтод сет по оебе для таках слояннх конструкций,

как кузовавагонов, становятся громоздким и трудоемким. Известны способы"расширения возможностей применения МКЭ: метод оуперэлемен-тов (ЫСЭ), способ последовательного выделения областей с возраставшей .густотой сетки конечных элементов (алгоритм Кожевниковой). В диссертации используется метод чередования основных систем (МЧОС), который, как и М.СЭ, основан на идее разделения общей системы на бояее простые подсистемы (оуперэлементы), называемые "основные енотами"» Пря этом узловые усмлия контактирующих супарзлементов он- ■ йеделяют не из решений систем линейных уравнений равновесия, а итерационным путем. . 1 .

Своеобразным является и выделение суперэлементсв. Используется идея построения, основных систем, известная в строительной меха*» кике. МЧОС можно рассматривать как трактовку и обобщение известного в математике алгоритма Шварца решения краевых задач.

В сяатой форме вся процедура расчетов по МЧОС мажет быть представлена аналитически в виде последовательности измонения грагзч-ецх условий в основных системах ОС-1 л 00-2 (рис. i): ь первой основной систем:

щ « пЩ Г Р. *-о 1-91Р '/г, ' ¡р'"1 :

"I"

во второй основной системе:

где р - вектор полного напряжения по произвольной площадке внутри тела Д ; ^ - заданная нагрузка на внешней поверхности тела I) •» X - помер итерации.

На каждой итерации рассчитывается не вое тело В . а лишь его чаотЪ I)/ или .

Условием сходимости алгоритма является применимость для частей Д и 1)г принципа Сев-Венана. Доказательство оходимоопг МЧОС в

и

оочетании с МКЭ дЛя Граничных усл№йй и вид» узловых см нелу--

чено В.В.Кобищановым. '

ОС-! ос-г

Ь 9;

Ь(0. I

Алгоритм оптимизации конструкций по частям из условия минимума массы их элементов, осношнный на объединении метода чередования основных систем (МЧОС), МКЭ и метода образования дискретно равнопрочных систем позволяет существенно снизить трудоемкость оптимизационных расчетов.-Е.Н.Никольским доказана сходимость такого объединенного алгоритма.

Доказательство сходимости итерационного процесса оптимизации по чаотям сводится к построению оценок погрешностей душ макоишль-Ш1х полных напряжений по сечениям .5/ и , изменяющихся в алгоритма, и составлению майорантного ряда, сходимость которого исследуется. Сумма втого ряда стремится к нулю с увеличением числа итераций " Н ", а приближенное решение стремится к точному.

. В диссертации используется двойной итерационный цикл оптимизации. Во вйошнем цикле проводятся расчеты напряжений и внутренних узловых усилий Мх, Му , М^, 0Г , 0„ , /V отераней поочередно в областях В/ и меняющихся геомеграческих характерисгак сечений отергкневых элементов о'учатш граничных уаалнй по свчакияы и ." Во внутрен-нвы втерацнонном цикле производится измене|Ше гэоиегреческих ха -. рактернсшз одчанай отервдарах алшз|тов, исходя из подученных Мх, Му и условия тах Ц =» [(о]- прз ШНЕШЗаЦИИ цдо-

, , .г в сечениях ¿ля последовательно из-

щадей сечений стершей за счет изменения форт/ и размеров оечекий.

, Используотоя модернизированный автором зариант разработанной

- 0.В.Сорокиной программы, роализуэдей своеобразную разновидность

. градиентных методов, првдлохенную В.П.Яоэбиневым.

Еяск-схека алгоритма оптимизации по частям показана на рио. 2,

В начале расчета ( К « 0) рассматривается первая основная

оиотема (ОС-1). По сечению в ОС-1 (рио. I) прикладывав тоя

комбинация сил р^ , отатичеокз эквивалентная дэйотвнтелшш

внутренним усилиям в атом, сачвязв в тале В , определяемая из •

' условия равновесия части Л^ . Выполняется расчет напряженного

ссотоягош часта Д ОС-1 от действия внешней нагрузки ^ и

сил при доходной значении параметров проектирования X т X»

и сяредэляотся максимальные напряаения в оптимизируемых элементах.

В качестве параметров проектирования принимаются размеры оечений

отарвневых элементов.

Определяется очередное приближение размеров X -

дая элементов ОС-1, при котором целевая функция (объем металла)

С/ (X,*4)" т1П Сг (х) I т.е. вшочшяется внутренний итвраци-

к*/

сгний цикл оптимизации. При найденных значениях X/ раосчи-

Зг

гяваэтая внутренние усилия по сечению в А

00-1, которые преобразуются во внешнюю нагрузку р***г по в ОС-2.

Осуществляется переход к рассмотрению ьторой основной «шагами (ОС-2). При значениях размеров сечений стержневых элементов ' Х= Хг . выполняется расчет части основной системы 2 Вг от ■ действия соответствующей внешней нагрузки Ц цо поверхности $ и узловых оил р2г по ог .С учетом полученных максимальных напряжений проводится внутренний итерационный цикл для основной системы 2 и определяется очередное приближенна . X * Х2**' ,

. При КОТОРОМ Сг (X**') = ГП1П С(Х),

хео

Блок-схема осильного варианта алгоритма оптимизации по частям на основе МЧОС

Сначало)

/

Определение сил Р,' по 6 Д ОС-! статическизквидалснт -. ных действительным, при ларам.

X, - X'

итерационный цшл(к

Расчет НДС Л, 0С-(. от Внешних сил О по 5 и сил р^' по сечению 5/ б А при значении сптимитр. парап. Х-Х*

X

Расист НАС 4 ОС-г от бнешних сил 0 по 5 и си» рггг"' ло сечению $1 6 Ьг ори значении Оптинизир. парам. Хгт X*

Определение одного очередного привилегии» X.» X'" Сектора оптимизируемых параметров 6 Д (один £нутр. итерац.

Чикл)

X

I

Определение одного очередного придли>иени.я Хг " Л*," бектара рлти-нимруемых парапетроб 61), (один £нутр. отс-рац. цикл)

внутренних

Определена, /рлабых усилий (£* по сечению & 6 Ь,

при X,

0>!

8

Определение Внутренних ерлобых усилии

по сеченин> Б, ОС-? при

б Д,

Лг - лг

л

Преодршидание бнутрен -них усилии О'.',- по 5,

^ Г* Р "

о Д оо онешнис силы

ргк"по 5„ о 4 ос-г-

(Ь

Преадразоооние бнутргм -них усилии (¡¿"''по 51 3 Л, 6о бнешчис сила/ р**'г по 5, 6 и, ОС-1

О

Рис. к

. При полученной хг находятся внутренние усилия Ц г,

2к * /

по St в Di ОС-2 % преобразувтся во внешние силн ри . Переменное цикла " К " присваивается очередное значение и начинается выполнение олодупцей итерации. Вновь рассматривается ÛC-I, во вместо -сил р° прикладываются найденные на предыдущем шаге силы pf' . Итерационный процеоо расчета продолжается,пока изменение массы оптимизируемых элементов на двух последовательных итерациях не станет меньше заданной величины.

Разработана автоматизированная программа, реализующая данный алгоритм. В основном варианте алгоритма, представленном на блок-охеме, раскрывается проотейший и, по-нашему мнению, наиболее удобч вый олучай, когда в общем итерационном алгоритма на каждом его ваге после одной итерации расчета напряженного состояния основной системы по МЧОС и определения соответствующих внутренних силовых факторов Мх , Мц , Мкр, Ох , Qg , N совершается переход к выполнению одной итерации внутреннего цикла, в котором по найденным Мх , Му ,... определяется очередное приближение исковых параметров проектирования - новые размеры сечений стершей из условия m ах (3^ ""[&){■

Разработанная программа позволяет использовать и другие варианты алгоритма, общим для которых является осуществление на каждом шаге " и " итераций МЧОС и " V " итераций внутреннего цикла оптимизации.

Для расчета на каждой итерации напряженного состояния одной нз основных систем исаользуетоя модифицированный автором вариант "Комплекса программ для расчета вагонных конструкций методом конечных элементов" *, разработанный на кафедре "Вагоностроение"

» Никольский E.H., Сорокина C.B., Крахмалева Г.Г., Мвоютин А.П., Атрощенко В.А., Бобров М.В., Кузнецов А.Ю. Комплекс программ для расчета вагонных конструкций методом конечных элементов , 7/Инв. » М87253 0ФАП от 2$Л2<87.

А«

ШМ под руководство« профессора Е.Н.Нвкольского { г£М1Я1 )„ Переход одной основной систему к другой, то еоть преобразование внутренних усилий по сечещш ^ ь основной свотеме X в граничную яагруэиу по свченкю осиощш& свсхвш 2 в ваутрэшшх усилий но 5» а 00-% э нагрузку во в ОС-1, полностью автоматаэа- , ровая, В пра^раша еспсшьзу8?ся развитая локальная файловая сзстэш* Обладав, ирограш ш все расчете проводи ли с ь к& шезкох ЕС 1035, ИЗб г 1061, Для шполнещш расчетов требуется 550 Кбайт опвраяш-саадть ь" внешнее устройстве- хранения кнформащш - иаштшй дао«.. Еаочяо~-кодульгг&Е 0£рухед>г црзз^ага?, .пошаговое вкаодаацгэ'' задайся о контролем рвву-тагоз квадого аага, бошшоо*ь вйаз&язяьотаа 'вальвовагаки в прсцвоо внчгеланий в залоговой рбяяы»г 'рачение • информацгш на внешних носителях позволяв? прерывать работу програы-сохраняя какопнекную информации продолжать шчиаиенкя о разры~ вом во срзкенк йс при необходимое та е на другой ЗШ. Отдельные йшкв грограыьш могут использоваться автономно.

Для яроввркг рабоуоспоообвоов? р&зраббгаккнх адгоритиоЕ и программ в оценки детговгрнос-кг псздтаеиых результатов было' выполнено башки кштестве зккя'оеке ргсчатоз, в г-ои та еле раочатн дедш нонцавой чао из кузова йрктогс грузоааго вагоне., Раочоу-н напряженного осс2оплек выполнялась по каксс?» раз«стйо£ ехекз по увазая-■ воЛ. прогреют /•/ ЛШМ % изтодск чередования основных систем пс разработанной программа „ Б тгбл, I пряводены величины

налретедвЁ й аокошпп. квоущх ыюмевтах. торцевой стены модели, определенные различными способами.

По разработанным «рогращам были выполнена и оптимизационные расчетн ьтсё. же у.оделг0 Гра£ак изменения массы несущих элементов ко втеращш показан г.а рас, 3. Как видно, сходимость достигнута ужа ка второЁ'гтврада» ■ ■

Таблица I

. Багзчзны напряженна в неодах &йев"штах корневой стены, ЫПа

Нвнкеназанве . элемента ■ й Значения напшяений

ТО1®® потная РоО, мчоа ...... <3 зт,. > йкспери-

Обвязка верхняя : п ' г 3 -га,7 '10,5 -26,8 • 18,3 . -37,3 12,7

Стойка ЕС® • . ' '.п. I' '3 3 . 4 76,5 - г-19,5 '-30,6 74,9 75,8 -17,6 -18,5 73,4 гг.5 -18,6 -18,1

йевекангв наосы, .злемзнтоз

но

190

•да

т

70

'и, »_

\

\ \ .

•

Ий!$уЧ9ННЫ8 данный ПОД®" йврздаат правильность работы разработанных програ»®«, йгоя-руа оходамость алгоритмов МОС в оптимизации конструкций' по частям, а также доотовер ~ нссть получаемых результатов, В третьей главе взлатаят-

Рйс.

итерации СЯ К0ТОДИКа К ПРИВОДЯТСЯ рб-

зулыаты экспериментальных ио-олэдовавай нэпряяоикогс состояния моделей основных систем.

Сходимоогь алгоритма оптимизации по'частям имеет место, если к основным системам применим пришит Оен-Венана, признаком чего является убывание напряжений, вызванных самоуравновешешшми силами (статически эквивалентны?.® нулю), по мере удаления от места приложения последних. Теоретический анализ этого вопроса представляется весьма трудным. Наиболее убедительным является экспогщмок-тальноа исследование напряженного состояния основных систем - час-тзй реального кузова. Одновременно'такой эксперимент позволяет .' '

оценить приемлемость построенных расчетных схем. окопераментальные : исследования проводились на специально изготовданкыхмаделях час- ' гей куаова крытого грузового вагона, геометрически подобных о ¿ответе твувдим чаотям ватураого кузова. Первая основная оистема пред-отавляла соб^й концевув часть кузова, включая ¡шворневые бадщу и отойхи, вторая основная система - средает часть кузова (без толевых стен в концевых балок).

На первом этапе проверялось, выполняется ли условие сходимости алгоритма: убывание напряжении в основных оистемах по сечениям кузова до мере удаления их от участка приложения оаыоуравновешен- ;' ных сил по граничному сечении, образующему ооновную овотЦу, '

На втором этапе анализировалось напряженное состояние объекта о исходны« в расчетными оптимальными характеристиками. Еапряжения определялись на основе- закона 1^ка по замерам компонентов деформа- .: ций в обшивке и подярепляпцих элементах. Измерение деформаций проводилось методом электротензометрароваяия. Для исследования величин компонентов нормальных срединных напрякений обдавка обклеивалась ; датчиками о двух сторон в продольноыи поперечном направлениях. Наклейка датчиков по отерхневым элементам осуществлялась таким образ сш, чтобы оценить максимальные напряжения. Нагружение осущэств- : лалооь статически на специальная отенде трехкратно для каждого датчика. Одновременно о экспериментом были выполнены расчеты моделей по разработанным программам. На рис. 4 показаны эяюры срединных напряжений по сечениям основной системы 2. Цифрами обозначены номера сечений. Первое сечение расположено вблизи места приложения нагрузки, второе - за шкворневой балкой, третье - в средней части

кузова. Сплошной линией обозначены расчетные кривые, а звездочка-• ■ -

ми,- соединенными прерывистой линией, - экспериментальные.

На втором этапе были определены оптимальные размеры подкреп-

дяюцях элементов я построена модель о подученными параметрами. Ее испытания показали,'что напряжения в эгях алемеятах йляакя « принятым допускаемым. ' *. ' .

8пюрн орединннх напряжений

В результате проведенных исследований в обоях основных сиотемах было отпечено ярко выраженное убивание налряяений по мера удаления от места приложения самоуравнозешенных сил, что говорит о охадимоотн предложенного алгоритма. Достаточно хоровое качественное совпадение теоретических я экспериментальных результатов на обоих этапах подтвердило .достоверность выбранных расчетных схем, результатов расчетов, и применимость разработанных алгоритмов и програш. 2_2â32âES2âJû2âEâ приводят оя рэзуяьтаты раочетов кузова нратого грузового вагона модели II-

о

271 с обьемом 165 м по разработанным программам.

Для проведения прочностных я оптимизационных расчетов била разработала расширенная уточненная расчетная схема (рис. 5) кузова исследуемого вагона, позволявшая анализировать различные варианты конструкции. В ней учтены все основныо несуода элементы. Й соответствии с -задачами диссертации наиболее детально представлена консольная часть кузова (включая торцевую стену).

Расчетная схема кузова в виде основных систем I и 2 показана на рио. 5, Основная оиотема I (pic. 5 а) представляет аойой консольную часть кузова, включая шкворневую балку и стойки, основная

система 2 (рис. Ь б) - среднюю часть кузова (без торцевой стены и концевой балки). Расчеты кузова выцолнялись от действия нагрузок, предусмотренных Т и Ш режимами '-'Норм...", а также от раопорной нагрузки на торцевую стену, распределенной согласно экспериментальному закону, полученному В.А.Атрощенко.

Нагрузка, распределенная по обшивке, представлялась как суша • двух компонентов: система сосредоточенных сил, статически эквивалеи-■ тных распределенной по обшивке, нагрузке, приложенных в узлах стерх-

г

невых конечных элементов, обрамляицих участок обшивки, и оамоуразно-. вешенная сиотема сил, включающая распределенную нагрузку по обшивке

я уравновешивающие ее сосредоточенные силы, противоположные силам " первой системы. '

Характерной особенностью кузовов крытых грузовых вагонов постройки АВЗ является съемная крыша, крепящаяся к стенам при псмчн болтов и гаек. На основе численных экспериментов путем соответствую, щего подбора жесткостей и приведенных модулей упругоета проанализированы предельные случаи восприятия крышей внешней нагрузки. В первом случае болтовое соединение обеспечивает передачу нагрузок.на несущую конструкцию крыши. Большая податливость крйш в продольном направлении вследствие поперечной гофрировки учтена соответствуй®,*« приведенным модулем упругости. Во втором случае обшвка крыши не воспринимает нагрузку и не Бключэна в несущую схему кузова. В расчетной схема это учтено малыш модуля;® упругое иг обшивкч 2 двух направлениях. Реальные напряжения в элементах конструкции з процессе эксплуатации могут оказаться больше определенных по первому варианту расчетной схемы, но меньше рассчитанных по второму варианту. Расчеты показали, что напряжения в верхних обвязках, дугах существенно зависят от несущей способности обшивки крыша, а напряжения в элементах рамы,, боковых и торцевых стен в обоих олучаях отличаются незнрчн-тельно. Все расчеты кузова выполнялись по МЧОС. Сходимость итераци-,.

онного процесса оценивалась по изменению узловых усилий в сечениях Si к Sg с На рис» б показано изменение отеоеигель-кой разности A Fi между теку-

щеп значением й —го узлового

1- «г

усилия Fi , полученным на . /'-той итерации; и предельным значением, этого узлового, уск- -лия» Кривые состроена для eqcte '

, силовых ^кторов ( ry,

My, At,) в произвольно взятом узле 62 (сечение ). Для- ' остальных узлов расчетной схе- . ш получены аналогичные зависимости. Во всех случаях сходимость достигается уже на четв.ертой-пя- ■ той итерациях.

Проведенные расчеты капрякенного состояния исходного варианта кузова показали, что максимальные напряжения превышают допускаемые в отсйках боковой стеки и в поперечных балках -ремы в узлах их сое-даенвя с продольной обвязкой я стойками для Ш расчетного режима» ' Параметрической оптимизации бшш подвергнуты пять вариантов конструкции торцевой стены. Первый - две стойки постоянного по высоте стены оечения} второй - два стойки переменного сечения; третий - четыре горизонтальных пояса; четвертый - два пояса и две по-, луотоСкя; лягай - четыре пояса и две .стойки. Для каждого варианта яри заданной структуре были получены оптимальные размеры сечений , подкреплений. В процессе оптимизации положение несущих элементов не яамвняяооь, однако етервни, твомвтрические характеристики кото-

График сходимости МЧОС

Рас. 6

pax стремилась к нулю, исключались кз расчетной схемы, Х'рефгаа изменения массы оптимизируемых элементов по итерациям для всех пяти

вариантов конструкции показаны на рис. 7. Наибольшее снижение металлоемкоега позволяет получить использование стоек переменного сечения (вариант 2), имеющих массу 92 кг на одну стеку. Из вариантов с элементами постоянного сэчения предпочтительным является вариант 4 (108 яг). В конструкции, предложенной заводом (вариант I), возможно снижение метаплоешости стоек на 31,8 кг с доведением их массы до 124,8 кг. Резуль-Рис. 7 итерации таты прОЧНОСТКЫХ И ОПТИЛИ38ЦИОННЫХ рЭС-

четов использованы при проектировании кузова грузового вагона модели , 11-271 на АВЗ.

■ ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

Разработан вариант алгоритма и программы расчета напряженно. дефёрмированйЬго состояния кузовов вагонов на основе сочетания методов чередования основных систем и конечных элементов о автомата, зацией передачи граничных условий в основных системах. Алгоритм дает возможность расширить область эффективного применения МКЭ. При расчетах мотет рассматриваться две в более основные, системы.

2. Разработана расширенная расчетная схема кузова; крытого грузового универсального вагона и основные системы метода чередования с подробной'детализацией торцевых стен, позволяющие выполнять расчеты кузова по частям от деЛатвия нагрузок, предусмотренных "Нормам*.. включая различные случаи распределения давления сыпучего груза, • 3. Экспериментальным путем подтверждена достоверность примтой ■ раочетной охемы, основных систем в получаемых результатов. Выполне-

'. Масса оптимизируемых элементов ^

щ -г

л — •--

\1

---

Дд

1 -«в-. ---•

— 1 ** '---1

' í •'■ ! i Ч ---

ны численные эксперименты, подтвердившие работоспособности «рограм-■ мы и быструю сходимость алгоритма чередования основных .систем.

4. Проведены экспериментальные исследования напряженко-деформиг рованного состояния моделей двух основных систем к крытого грузового вагона. На их основе доказано соблюдение условия сходи- : мости метода чередования основных систем, для пластинчато-стержневых конструкций. Выявлены особенности сходимости алгоритма чередования в сочетании с МКЗ применительно к кузовам вагонов.

5. На основе объединения методов конечных элементов, чередования основных систем и построения дискретно равнопрочных конструкций. Разработана.алгоритм и программа параметрической оптимизации по частям кузовов вагонов из условия минимума массы их элементов, позво-яяххцзе снизить трудоемкость оптимизационных расчетов. Проведенные экспериментальные исследования подтверждают работоспособность программы и достоверность получаемых результатов.

6. Выполнен расчет напряпенно-деформированного состояния заводского варианта кузова крытого грузового вагона с объемом грузового

я 1

ПОШЦбЬВЯ 165 м . ' ,

7„ Путем численных экспериментов проанализировано влияние конст-рукмпжис особенностей крыш (гофрировки, болтового крэплбнмя со сшашш) на вдццше&шя в ыгамактах рамы, боковых я торцевых стен.

8. Выполнена параш трическая оптимизация несущих элементов пяти Еаргеляов конструкции торцевой стены, определены размеры к форма идашаяьньл атваиЁ. педкренляащьх элементов. Наименьшую массу при .оданЕКОвсй прочноога имеет вариант с двумя горизонтальными поясами к даумя колустойншли в нишей части торцевой стены,, Выявлена возможность сюгжеиия масон заводского варианта кузова с двумя вертикальными стойкаш на торцевой стене на 63,6 кг, Предлакена конструкция онтешльиой стойки переманного сечения по высоте стены.

9. Совместно о АВЗ в ВШИВ на основе результатов расчетов разра-

doTGra реломевдацап по совершенствовании конструкции кузова крытого грузового вагона. Результаты исследований использованы на Алтайском вагоностроительной заводе при проектировании кузова вагона модолн II-27I. Эконошчеокий эффект от внедрения разработанных программ а результатов расчетов составляет 25-30 руб. на один вагон.

Ооновяов оодеряание дасоэртацяы опубликовано в работах:

1. Кузнецов А.Ю. Автоматизация расчетов сложных проогреног-венвых конструкций типа кузовов вагонов по методу конечных алемев-тов в сочетании о методом чередования основных систем // Бопрооы срочности 'з опстиальяого проектирования вагонных конструкций. -Брянск, IS86. - С, 60-68.-Доп. в ЦНИИТИГГлииш 17.12.86» ä I8I8-TU.

2. Атрсаденко В.А., Кузнецов A.B., Рогова H.H. Алгоритм внчио-лензя эквивалентных напряаеквй в подкрепляющих элементах кузовов вагонов // Вопросы прочное ist г оптимального проектирования вагон-ннх конотрукцай. - Брянск, 1986. - С. 102-109. - Деп. в ЦНИИТЭИТяя-тв 17.12.86, Д I8I&-TM.

3. Шкельокяа E.H., Кузнецов A.D. Развитие оттяыазационннх расчетов несущих конструкций вагонов з рамках принципа дискрэтлоА равнопрочноетз на основе метода чередования ооновннх систем

// Вопросы качества, надеянсоет, пророста и долговечности щлшно-cip свальной продукции. - Калзннз, 1987. - С. II2-II3.

i, Кузнецов A.B., йгкольокяй E.H. Еарзалт йлгерзтиа я црог-раша параметрической оптшнзгцзгп несущих конотрддодий кузовов вагонов зо частям // ПрогЕоззроваЕтв прочное та н надеаяооет вагон-Них нонотрукцва. - М., 198?, 3 0, - С. 4. (ЦШШЗЙТяяшш 5-07-33).

5. Никольский E.H., Атрсченво Б.А. „ Кобищаноэ В.З., Кузнецов А.»., Сорокина C.B. Разшгаго :ютодоз оптвшзацвн кузовов вагонов по частям // Проблема ггежавтз железнодорожного транспорта.-

ДввЕропетровоя, 1986. - 0.145.

6. Кузнецов А.Ю. Вариант алгоритма в програыын шиызаацва . по частям несущих конструкций шшшоограи*альпнх изделий .на условия минимума массы их элемвэтов // Ыолодао учение и овециалио- .. та - развязав промышленного производства обдаога. - Брянск", 1368.-С. 16-Г7. . ■ , _