автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.01, диссертация на тему:Особенности силовых воздействий сыпучих грузов на торцевые стены крытых грузовых вагонов и анализ напряженного состояния торцевых стен

ВВЕДЕНИЕ.

ШВА I. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ СЫПУЧИХ ГРУЗОВ НА ТОРЦЕВЫЕ СТЕНЫ КУЗОВОВ ВАГОНОВ. МЕТОДЫ РАСЧЕТА НАПРЯ1ЕНИЯ В КУЗОВАХ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ. ОГРАНИЧЕНИЯ

1.1. Методы определения силовых воздействий сыпучих грузов на торцевые стены вагонсгв.

1.2. Методы расчёта напряженного состояния кузовов вагонов.

1.3. Формулировка (постановка) задачи.

1.4. Объект исследования

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДАВЛЕНИЯ СЫПУЧЕГО ГРУЗА НА ТОРЦЕВЫЕ СТЕНЫ КРЫТОГО ГРУЗОВОГО ВАГОНА ПРИ ОДНОСТОРОННЕМ УДАРЕ В АВТОСЦЕПКУ. ЭМПИРИЧЕСКИЕ ФОРМУЛЫ.

2.1. Основные положения методики экспериментального исследования давления сыпучего груза на торцевые стены крытого грузового вагона при ударе в автосцепку.

2.1.1. Факторы, определяющие выбор схемы датчика давления и его параметры.

2.1.2. Конструкция-датчика давления. Тарировка

2.1.3. Размещение датчиков для измерения давления, напряжений и ускорений.

2.1.4. Сопутствующие синхронные измерения. Регистрирующая аппаратура. Тарировка тензодатчиков и датчиков ускорений.

2.1.5. Общий порядок проведения испытаний.46"

2.1.6. Методика обработки осциллограмм

2.2. Результаты экспериментального исследования.

Выводы.

2.2.1. Методика обработки результатов эксперимента.

2.2.2. Результаты экспериментального исследования.

2.3. Предлагаемая эмпирическая формула

ГЛАВА 3. ОБЩЕЕ ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМА И ПРОГРАММЫ РАСЧЁТА КГ ЗОВА КРЫТОГО ГРУЗОВОГО ВАГОНА МЕТОДОМ ЧЕРЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ СИСТЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

3.1. Описание методики расчёта напряженного состояния торцевой стены кузова. Принятые варианты основных систем

3.2. О сходимости итераций.

3.3. О приемлемости линейной постановки задачи

3.4. Краткое описание программы расчёта.

3.4.1. Общая характеристика программы.

3.4.2. Формирование вектора узловых сил, статически эквивалентных действительным внутренним усилиям

ГЛАВА 4. РАСЧЁТЫ ТОРЦЕВОЙ СТЕНЫ И КУЗОВА НА ПРОЧНОСТЬ.

СОПОСТАВЛЕНИЕ С ЭКСПЕРИМЕНТОМ.

4.1. Расчётная схема

4.2. Проверка сходимости алгоритма. Контрольные расчеты на отдельные схемы нагрузок.

4.3. Расчёт торцевой стены при одностороннем ударе в автосцепку. Расчёты на схемы нормативных сил ЮЗ

10 нить разнообразные сыпучие тела единой расчетной моделью с небольшим числом постоянных, определяемых опытным путем (плотность,угол естественного откоса, угол внутреннего трения).Методика определения этих постоянных уже достаточно хорошо отработана. Используется, в частности, расчётная модель идеально сыпучей среды, которая хорошо соответствует действительной природе таких сыпучих грузов, как зерно, мука, крупа, цемент, песок и др., то есть грузов, частицы которых связаны только контактами 14, 32, 35, 36, 92 Жискретная модель, учитывающая действительную структуру сыпучего тела и позволяющая изучать поведение отдельных его частиц и их совокупностей, до настоящего времени не получила достаточного развития и не может быть рекомендована для практического использования- при определении давления сыпучих тел на подпорные стенки 16, 22, 31, 47 Это объясняется тем, что требуется введение ряда ограничений и допущений относительно идеализации формы частиц, условий их контактирования и других,причем определить погрешность, вносимую этими допущениями,весьма затруднительно. Кроме того, отсутствует методика экспериментального определения величин, характеризующих механические свойства сыпучих тел, как дискретной среды. Методам определения статических усилий в сыпучем грузе и давлению его на оораждение посвящен ряд работ 36, 92 Остановимся на некоторых из них. Впервые стройную теорит) давления сыпучего груза на вертикальТ7, Т9, 27, 29, ную стенку при учете трения и сцепления дал Ш.Кулон в 1773 году при следующих исходных допущениях: 1) активное давление сыпучего тела на стенку определяется как давление сползающей призмы (или клина обрушения), принимаемой за твердое тело; 2) поверхности скольжения плоскости; IT 3) давление определяется в момент, когда клин обрушения сдвинулся относительно основной массы сыпучего тела (в первый момент обрушения стенки) и остановлен ограждением, при этом результирующая реакция со стороны каждой плоскости сползания отклоняется от нормали к плоскости на угол внутреннего трения 3 4) давление зависит от наклона плоскости скольжения ВС р и с Т Л Л Принимается такое положение плоскости (угол G определяется из условия максимума силы й при котором давление на подпорную стену будет наибольшим 17, 36", 89, 92, 93 При этих условиях Tinp-Pi-g где (I.I.I) Чпр Pi предельное сдвигающее напряжение; давление сыпучего тела; угол внутреннего трения; угал трения сыпучего тела по стенке ограждения; угол наклона стенки к вертикали; вес призмы обрушения; реакции подпорной стены и остальной части сыпучего тела. РйсЛ.1.1.12 Соотношение (I.I.I) является основной прочностной зависимостью для сыпучих тел. Эта зависимость в механике сыпучих тел носит название закона Кулона. При расчете давлений и напряжений в сыпучем теле Кулон приближенно заменял угол внутреннего трения углом естественного откоса. Метод Кулона получил широкое распространение на практике при расчётах подпорных стенок для укрепления грунта от сползания и для стационарных хранилищ сыпучих тел 36, 80, 89 Несмотря на свою простоту и некоторую условность исходных гипотез, метод Кулона в большинстве случаев обеспечивал достаточный запас прочности рассчитываемых объектов, работающих в стационарных условиях. Однако более тщательно поставленные опыты обнаружили расхождение результатов расчёта по методу Кулона с опытными данными 36, 37, 89, 93/. Это привело к появлению теорий, построенных на других допущениях. Наиболее общим методом определения давления сыпучего тела на стенки в условиях статики является метод Соколовского В.В. 36, 37, 92, 93/. Соколовский в.в. рассматривает сыпучее тело как сплошную несвязную или связную сыпучую среду и принимает за основу допущение, принятое в теории Кулона, а именно: определяется давление сыпучего тела на стенку в первый момент её обрушения. Однако, если в теории Кулона призма обрушения, выделяемая в сыпучем теле, рассматривается как твердое тело, то в методе Соколовского В.В. выдвигается гипотеза о том, что по всему объему призмы обрушения появляется предельное состояние, что означает начало скольжения частиц сыпучего тела по всему объему призмы обрушения. Условие, которому при этом должны подчиняться напряжения внутри призмы обрушения при плоском напряженном состоянии, Соколовский В.В. определяет зависимостью {6-<5,f*4C-sinf[ee,* zx t/ гд e (рис. 1.1.2); IP угол внутреннего трения; давление связности; (1.1.2) /T напряжения no элементарным площадкам С удельное сцепление, то есть сцепление, приходящееся на единицу площади, по которой происходит сдвиг [МПа]. 0 шт\\р1\ш[у мч б; 2Х (3:, XZ dx Чг дх UzW ди 1 Рис.1.1.2, Определение напряжений в призме и давление сыпучего груза на стенку производится путем совместного решения условия предельного состояния I I 2 и дифференциальных уравнений равновесия, где де dTzx -Г дЬг ч- д Q z дх р объемная масса сыпучей среды; го падения. (1.1.3) О ускорение свободно- Устанавливается та форма поверхности обрушения, которая дает максимальные давления.14 В настоящее время по результатам численного интегрирования уравнений (I.I.3) с учетом условия (I.I.2) составлены таблицы для различных значений углов внутреннего трения сыпучих тел, наклона подпорных стенок и коэффициента трения сыпучега тела о стену. Давления определяются по следующим простым формулам: (1.1.4) в которых UQ и йд берутся из таблиц /37, 93/. решение задачи определения давления сыпучего Графическое тела на ограждение на основе теории, разработанной В.В.Соколовским, выполнено С.Голушкевичем /18,19/. Уравнения (I.I.2), (I.I.3) решаются строгими математическими методами, в том числе численными. В связи с этим в литературе метод Соколовского В.В. часто называют строгим. Вместе с тем его нельзя назвать точным. Для случая вертикальной гладкой- подпорной стенки и горизонтальной поверхности засыпки он, как и теория Кулона, дает результаты, совпадающие с экспериментом, но в ряде других случаев теория В.В.Соколовского даёт существенные расхождения с данными опытов, особенно в нижней части ограждения. Методы Ш.Кулона, В.В.Соколовского и С.Голушкевича, несмотря на их приближенность, в настоящее время широко используются на практике для определения величины давления сыпучего груза на ограждение в различных отраслях техники. Как отмечает Цытович Н.А. .93/, "...допущения, впервые предположенные ещё Кулоном, являются широко используемыми и не вносящими недопустимых погрешностей в величину определяемого расчетом активного давления грунта на вертикальные подпорные стенки". В вагоностроении Нормами 6 0 максимальное активное

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. Атрощенко В.А. Автоматизация расчёта сложных конструкций кузовов вагонов на основе метода чередования основных системс использованием метода конечных элементов. В кн.: Вопросы строительной механики кузовов вагонов. Брянск, 1983, с. 172-179.

3. Атрощенко В.А., Селинов В.И. Расчёт на прочность торцевой стены грузового вагона. В кн.: Повышение прочности элементов кузовов вагонов. - М., 1981 (ЦНЩТЭИТШАШ, 5-61-20),с.19-20.

4. Баранов Д.С. Выбор основных параметров грунтовых мессдоз из условий наименьшего искажения измеряемых давлений. М.: Труды ЦНИИСК, вып. 14, 1962, с.40-84.

5. Баранов Д.С. Измерительные приборы, методика и некоторые результаты исследования распределения давлений в песчаном грунте. -М.: ЦНЙИСК, Научное сообщение, вып.7, 1959, 62с.

6. Баранов Д.С. и др. Метрологические испытания мессдоз ЦНИИСК и их результаты / Д.С.Баранов, В.Ф.Сидорчук, В.Е.Карамзин. -В кн.: Тензометрические приборы для исследования строительных конструкций. М.: Изд-во литературы по строительству, 1971, с. 52-85.

7. Баранов Д.С. Общие метрологические требования к датчикам давлений (мессдозам) и методы испытаний. Труды ЦНИИСК. Тензометрические приборы для исследования строительных конструкций.-М.: Стройиздат, 1971.

8. Бенерджи П., Баттерфилд Р.Метод граничных элементов в прикладных науках: Пер.с анг. Мир, 1984. - 494с.

9. Битюцкий A.A., Петров О.Н. Применение метода суперэлементов для расчёта сварных элементов кузовов полувагонов. В кн.: Повышение прочности и надёжности подвижного состава. - М., 1983, № 14, C.II-I3 (ЦНИИТЭИТЯЖМАГС, 5-83-14).

10. Быков АЛЛ. Применение метода конечных элементов к расчёту кузовов вагонов. В кн.: Вопросы строительной механики кузовов вагонов. - Тула, 1977, с.26-33.

11. Вайнберг Д.В., Вайнберг Е.Д. Пластины, диски, балки, стенки.- Киев: Государственное издательство литературы по строительству и архитектуре УССР. I960. -1050с.

12. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1958. -464с.

13. Гениев Г.А., Лейтес B.C. Вопросы механики неупругих тел. -М.: Стройиздат, 1981. -160с.

14. Гениев Г.А., Эстрин М.И. Динамика пластической и сыпучей сред. М.: Стройиздат, 1972. -216с.

15. Гольдштейн М.Н. Механические свойства грунтов. М.: Стройиздат, 1979. -304с.

16. Гольдштейн М.Н. и др. Механика грунтов, основания и фундаменты / М.Н.Гольдштейн, А.А.Царьков, И.И.Черкасов М.: Транспорт, 1981. - 320с.

17. Голушкевич С.С. Плоская задача теории предельного равновесия' сыпучей среды. Л.: ОГИЗ, 1948. -148с.

18. Голушкевич С.С. Статика предельных состояний грунтовых масс.- М.: Гостехиздат, 1957. -288с.

19. Григорян С.С., Кошель Л.И., Рыков Г.В. Некоторые вопросы динамики грунтов при естественных кратковременных нагрузкахПод ред.проф.Г.К.Клейна. Научн.твуды МИСИ, 1971.

20. 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 (ЦНИИТЭИТЯЖМАШ, 5-83-18).

21. Гячев Л.В. Движение сыпучих материалов в трубах w бункерах, м.Машиностроение, 1968. -184с.23