автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Расчет панелей крыш вагонов на устойчивость с учетом начальной погиби методом конечных элементов

ЕНШСКИЙ ОГДЕНА "ШК ПОЧКТА" КНС'ГИТУТ /

. ТРАНСПОПЙОГО ШШШОСТГОИШ 1

На правах рукописи

Кохан Нелли Алексеевна

1'АСЧЕТ ПАНКЛЕЙ КРШ ВАГОНОВ НА • УСТОЙЧИВОСТЬ С УЧЕТОМ • НАЧАЛЬНО'! ИОПШ1 ШОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

05.22.07 - Подвижкой состав аелезиых дорог и тяга поездов

А В Т О Р Б ФЕ Р А Т

диссертации на соискаме ученой степени кандидата технически* наук

Брянся-1990

Работа выполнена в Омском институт« инженеров железнодорожного транспорта

ИШШЙ ШСШСгЩТЕДЬ - доктор технических наук,

профессор В;В. ЛУКИН.

СШЦИАЛЬИЫЕ ОПИСЙШШЗ - доктор технических наук,

npcfeccop Б.И. КОТУРАНОВ; » кащпяяг технически* наук, доцент B.C. ЛУКШУК.

БЕДУирГЕ ПРВД1РЙЯТИЕ - брянский машиностроительный завод.

Защита состоится IQ екткерз ' 1990 г. в 10.ПО час на заседании спепиализировагшаго сове та К 063.20.02 при Брянском ордена "Знак Почета" институте трлтюртн&го мжнянострое-нил по адресу: £41035, г.Ьрянеи-3;>, £-ул»г8р км. 50-л чти/г Октября. 7, еуд.Й20.

С диссертацией нояно ознакомиться в О'йблиптекэ Брянского ордена "Знак Почета" института транспортного ичзиностроагия.

Автореферат раз о слон ?CPtf^xct/j/r mo г.

Ученый секретарь .

специелизировашгаго совета pji'cM- v Тихомиров В.П.

овда ХАГАКГЕГЙСША гштга

Актуальность проблемы. Перспектива дальнейшего увеличения обгона перевозок требует совериенстъэтлтш работы железнодорожного транспорта. Одной ия оалнейштсс задан решения этой проблемы является, попотеше надежности поэтичного состава путем соверяенствования утегаггжкх методов расчета проекткрова-

1ПГЯ.

Одной из причин, въпмвампих повреждение кузова, является потеря устойчивости крыжи. Такое повреждение приводит к дополнительному изгибу Есего куэовв я увеличении ввиду'этого ежкмаодич напряжений в верхней' обвязже и других элементах конструкции.

Как и для всех •тонкостенных конструкций, определяющим критерием несущей способности является 'критическая нагрузка. Для крыки вагона она существенно зя тент от конструкции крши V различного вида начальных несовершенств, основным из которое является начальная ттогмбъ технологического происхождения.

Для ргциотшлъного'Пройстарования вагонов необходимо рас-"^д'агать «егодгзевяги расчетов всех их элементов, в том числе V. р&ечгетоэ кр^тичегких "нагрузок для оболочек крка вагонов с ■ вознозкио белее полтям -учетом всех факторов, определяющих их работоспособность. Разнообразие и сложность конструкций крыи прииели к тому, что существующая п настоящее время методика ' оценки их несущей способности ке учитывает ряд факторов.

Широкое применение для расчетов на прочность и жесткость метода конечных элементов, позволяет ставить задачу деформационного'расчета в достаточно общем виде, с учетом различных конструкционных особенностей, а также начальных деформаций элементов крши.

Все вышеизложенное позволяет считать поставленную автором задачу определения критических нагрузок панелей хрыш вагонов с учетом начальной погиби методом конечных элементов актуальной.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка

4 ■

методики расчета кригичесггих нагрузок для крыж вагонов с учетом начальной погиби.

В соответствии с этой целью поставлены и решены следующие задачи:

- создание методики замеров.и обработки на ЁВМ начальной погиби оболочки крьти вагона;

- составпете алгоритма и программы обработки данных результатов оамеров начальной погиби для использования кх в MKS;

- разработка алгоритма и пикета программ для расчета нп ЭВМ деформаций, нннрлзгний и критической нагрузки панели оболочки крышк с учетом начальной погиби;

- проведение экспериментальных исследований моделей крыа с иельи изменяя и* деформированного состояния и оценки применимости методов расчета критических напряжений по предлагаемой методике;

- оценка расчетным путем влияния нач&пькой погиби на предельное состояний конструкция;

- выработка рекомендаций по ограничении начальной погиби для стрингеров и гофров крыши.

Методика исследования. Б работе использован комплексный подход к решению поставленной задача. Основными элементами методики исследования являлись: математическое моделирование объекта исследования, физическое моделирование, а также различные экспериментальные исследования как натурных крыж, так и гсе моделей. На основе разработанной методики определения критических напряжений проверены численные эксперименты. На всех этапа« математического моделирования и численного эксперимента использовались ЭВМ.

Научная новилна. Впервые, применительно к оболочкам крыш вагонов, детально разработана идея С.П. Тимошенко о способе учета начальной погиби в пластинах путей введения фиктивной поперечной нагрузки, йто оказалось возможным, благодаря аппроксимации крыли вагона пластинчатыми и стержневыми элементами. Предложен способ решения геометрически нелинейной задачи устойчивости панели крышм вагона путем организа-

ции итерационного процессе ступенчатым приложением нагрузки. Разработанная методике расчета позволяет учитывать практически ль-буп форму начальной погиби.

Практическая ценность. Основнши практическими результатами, полученными в процессе исследований являются; разработка, изготовление и применение комплекса измерительной аппаратуры, позволявшей проводить измерение начальной логиби обшивы и гофров на кризах вагонов различной конструкции; разработка пакета програич для определения критических напряжений с учетом реальной начальной погиби для панелей крыш вагонов, поэволящего учитывать различные конструкт»вине осо-бенностн.

Реализация роботы. Разработанная иетодина и оригинальный профияограф для измерения начальной логиби панелей крыш ваго-, нов использованы на Римской вагоностроительном заводе. Результаты проведенных исследований использовать Брянским маши-ностроителыйй! заводом (ЕМЗ) при разработке методики контроля волнистости обпиви вагона 340-РС.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсувдалясь на XXX, XXXI, ХХХ1У научно-технических конференциях Омского института инженеров аелазнодорожпого транспорта (Оыск, 1980, 1984, 1989 гг.); на заседаниях научного семинара кафедры "Вагоностроение" Брянского института транспортного машиностроения (Брянск, 1985 г., 1990 г.), XII научно-технической конференции областного правления НТО маии-ностроительной промышленности (Калинин, 1987 г.); ХХХУ1 научно-технической конференции Хабаровского института инженеров яелезподорожного транспорта (Хабаровск, 1989 г.); на заседании секции научно-технического совета Омского института инженеров железнодорожного транспорта (Оиск, 1988 г.).

Публикация. Материалы диссертации опубликованы в 9 печатных работах. Кроме того, отдельные разделы теоретических исследований, результаты натурных экспериментов и особенности конструктивных разработок приведены в трех научных отчетах.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение,

пять глав, основные результаты и выводы, приложения. Содержит 135 страниц машинописного текста. Список использованных источников насчитывает 116 наименований.

ОСНОВНОК СОДИиЛИНЕ РАБОТУ

Введение. Посвящено характеристике задач, стоящих' перед вагоностроением. Раскрывается актуальность работы и краткая характеристика её содержания.

• Первая глава. Посвящена анализу современного состояния вопроса теоретических и экспериментальных исследований несущих конструкций кузовов вагонов.

Отмечается, что конструкция вагона является сложной системой, состоящей из множества разнородных элементов. Вследствие этого теоретическая и экспериментальная оценка его проч -ноerи и устойчивости представляет собой сложную задачу. Работы, связанные с анализом точности и устойчивости вагонных конструкций проводятся в ШИТ, ЛИШГГ, ДИКТ, ЕКГМ, ШИИВ, БШШ1 и других научно-исследовательских организациях и вузах.

Применение вычислительной техники обеспечило разработку новых методов расчета, обладающих большой универсальностью,но базирующихся на фундаментальны* трудах ученик: E.II. Блохина, В.В. Болотина, Й.П. Бороненко, С.В. Вертинского, В.З. Власова, A.C. Вольмира, В.Н. Данилова, И.П. Исаева, М.А. Колтуиова, И.А. Костенко, В.Н. Котуранова,. В.П. Лозбиневз, E.H. Никольского, H.H. Овечникова, В.К. Окишева, А.П. Приходько, А.И. Речкалова, С.П. Тимоиенко, В.И. Феодосьева, А.П. Филина, Л.А. Шадура, H.H. Шапошникова, Ю.М. Черкашина .

Вопросами исследования устойчивости кузовов вагонов занимались E.H. Никольский, D.M. Ломброэо, 0.С. Дукашук.

Анализ ранее выполненных работ показал, что оценка напряженного и деформированного состояний оребренных панелей крыш вагонов осудестааяется как на основе уравнений ортотроп-дах оболочек, так и с помощь» численных методов, в частности, '..'■ методом конечных элементов. Применение ШЭ -дает определенные

преимущества перед аналитическим решением лостаилсшгой пацачи. Главное кэ пик - учог действительного рлепололонил ребер лес*- ' кости, поскольку при отоа ребра иогут рассматриваться, как са-иостоятелыше элементы.. ¡>го позволяет исследовать различима конструкции крип с учетом к< действительного строения, не се-реднян свойства ребер и г.болочки. Кроме того, начальная погибь при рскении задачи МНй мо^ог бить учтена ь такси виде, в какой она образовалась при иэготоптэкш вагона.

Учитнепл, что обычно элементы »5™г-н работают » предела* упругости,. целесообразно лести расчет напряженного и деформированного состояний по Ш(0 с учетом геометрической нелинейности, вызванной ростои прогибов, ото мпнрапт необходимость создания соотеетствутг^его программного обеспечения, которое дает возможность использовать в расчете реальную начальную погибь, эаыереннуи рааработанным измерительным комплексом.

На основании вшзеиялойенного, в диссертации били постав-леки следующие задачи:

1. Создать методику замеров и обработки на ЭВМ начальной погиби оболочки крили в пределах одной панели.

2. Составить алгоритм и программу обработай данных он перо в начальной погиби для использования их в МКЭ.

3. Разработать алгоритмы и программ для расчета на сВМ деформаций и напряиений панели оболочки крдаи с учетом начальной погиби.

.4. Провести экспериментальные исследования моделей крыши с цельв изучения их деформированного состояния и оценки при-иешшости ыатвдов расчета критических напряжений предлагаема способом.

. 5. Расчетным путем оценить влияние начальной погиби на предельное состояние конструкции.

6. Выработать рекомендации по ограничению начальной погиби.

Вторая глава. Посвящена обоснования способа учета начальной погиби при оценке напряженного и деформированного состояний панелей крш! вагонов, а также излонеиия алгоритма ряс«*то

сребренных панелей.

В практических расчетах с использованием метода конечно« олеыенгов оболочки оппроксимируются прямоугольными плоскими . элементами. Отклонение в положении реальных конечных элементов от кдеахыюй формы, связанное с начальной погибы?, иоает Зыть учтено введением в .идеальную схему некоторой фиктивной поперечной нагрузки, как ато предложено С.П. Тимошенко;

Изложенный способ учета начальной погиби ыоано реализовать, если будет известна функция начальной погиби.

Таким сбрааом, задача о сяагой цилиндрической оболочке с начальной погибы может быть сведена к поведение оболочки без начальной погиби с фиктивной поперечной нагрузкой. Фиктивная нагрузка на каждый конечный элемент пропорциональна кривизне соответствующего участка оболочки. Такой же подход можно применить к к расчету сжатых стрингеров. Два.етих обстоятельства позволяют представить кршу вагона практические лобой конструкции в виде конечно-элементной модели с фиктивной поперечной нагрузкой. .

В целях удобства вычисления фиктивной нагрузки функция начальной погиби представлялась в виде ряда Фурье.

Разработанный алгоритм позволяет решать задачу о перемещениях и напряжениях в линейной постановке. Чтобы использовать его для оценки устойчивости панели был использован метод последовательного нагружения, суть которого сводится к следу- ;. вдему,

Рассматривая панель с начальной погябьи 7//с под действием сжимающей силы Р , будем прикладывать эту нагрузку сту- . пенями.

Пусть панель первоначально нагружена силой/7/ . Под действием этой силы при начальной погиби И/а панель получит дополнительный прогиб ЪУ{ - Таким образом, полная погибь па-

нели будет предстамять сумм^двух величин:

иг 3 ИГо * . Принимая её за исходную, определим ково^ значение фиктивной нагрузки. Повторяя такой прием иожно учесть геометрическую нелинейность. Критическая сила будет сооу?етегвовпть той ступени нагруяения, при которой нпрукитея пропорциональность яекду приращение« нагрузки и прирадекием прогибов.

Такой подход к определенно критической силн, .в некотором смысле, является аналогом метода Саусгедла, используемого ячя определения критической сил« стойки с начальной погибьо.

Третья глава. Поенадена разработке методики измерений начальной погиби и обработке результатов измерений. При разработке методики ставилась задача создания такой систем», которая, обладая достаточной точность*», обеспечивала бы полноту информация, о начальной потби. Измерительной базой служила линейка высокой жесткости, по которой перемещалась каретка с преобразователем реостатного типа. Электрический сигнал, пропорциональный отклонений реальной поверхности от измерительной базы, усиливался и подавался на преобразователь, который непрерывный сигнал преобразовывал в дискрегнкй. Измеренная таким образом погибь аппроксимировалась рядом #урье. Точность измерений, оцениваемая прямыми измерениями, составляет 0,Сб мм, а диапазон измерений 10 им.

Спроектированный измерительный коштлекс изготовлен в ОийИТе и внедрен на Рижском вагоностроительном заводе.

Четвертая глава. Содержит методику и описания средств для проведения экспериментальных исследований моделей крип." При этом ставилась задача сравнения экспериментальных и расчетных перемещения и напряжений, полученных по разработанной методике. Для отои цели исследовались модели иэ стали, плакированной оловом, -толщиной 0,25 ни, изготовленные при помощи штамповки. При сборке сначала собирался каркас иэ дут и концевых стрингеров, затеи сверху припаивался гофрированный лист и по торцам припаивались диафрагмы.

ю

Для погружения моделей и измерения погиби было спроектировано и изготовлено специальное приспособление, так как на стандартном оборудовании произвести подобные испытания не представляется возможным.

Суть эксперимента сводилась к нагружёни» ыодели сккмаи-цей нагрузкой, прикладываемой ступенями; На каащой ступени нагружения производилась серия измерений погиби оболочки, причем измерения проиэводились в одних и тех ко точках. Особое вниманье при проведении эксперимента уделялось точной установке модели в приспособление. В процессе нагружения модели наряду с перемещениями определялись напряжения.

Установлено, что локальная потеря устойчивости происходила при весьма низких напряжениях. Затем ыодели нагружались до полной потери устойчивости. Зависимость' ыежду критической нагрузкой и амплитудой начальной погиби показана на рис Л.

Зависимость критических нагрузок от одела полуволн начальной погиби на длине между соседними дугами приведена на рас.2.

500000 Н

/л/»

жом 2оазм <ошз

1 ).. ............ -с

/

{ 2 Рис.2

Напряжения и перемещения в моделях определялись также расчетном путем, по разработанной автором методике. При этом .в расчет вводилась действительная погибь. Лнализ полученных результатов подтверждает адекватность зависимостей получении-.: расчетным путем и экспериментально.

Сравнение результатов расчета и эксперимента позволило саелать слецущие выводы:

■ а) зависимость между погибью и нагрузкой, определенной расчетнш путем, качественно совпадает с такой же зависимостью,' установленной ¡экспериментально;

б) в процессе нагружения моделей измерение формы погибц ¿¿г=ггг{г) , Еьграженной коэффициентами ряда Фурье, происходит таким образом, что соотношения между коэффициентами не являются постоянными;

в) нагрузки, вызывающие резкое нарастание перемещений и приводящие к полной потере устойчивости, определенные' экспериментально и теоретически, различаются не более, чем на ЗОЖ.

Пятая глава. На основе разработанной автором методики проведены исследования влияния вица начальной логики на несу-

щую способность крыш вагонов различных типов.

Выли выполнены расчеты напряженного и деформированного состояний панелей крьахм электровагона «ЗР-2Р и пяти вагонной рефрижераторной секции 340-ГС. При расчетах »тих панелей варьировалась как величина начальной погиби, так и её форма. Рассматривались варианты со значительной погиоью на средней участке панели, а также варианты с погибьо по всей ширине панели. Для тех ке панелей определялись критические напряжения по "Нормам ...

• Сравнив результаты расчетов, выполнении б диссертации, по уточненной разработанной методике и по "Нормам ... ", иохло отметить, что во всех случаях предложенная методика да-ег более высокие значения критических напряжений (на 20...40%),

С цель» исследования влияния величины и характера погиби на аначешш критических напряжений, выполнялось два вида расчетов. В первой серии расчетов начальная погийь принималась в форме одной полуволны. Изменяемым параметром била величина погиби. При этом был выполнен также расчет, когда одинаковая величина погиби задавалась на склонах и на среднем участке панели крши. Расчеты выполнялись на примере панелей электро-вагокв ЭР-2Р. Амплитуда А минимальной погиби принималась равной половине толщины ибшивы. Далее она равномерно увеличивалась на величину, равнуп также половине толщины обшивы. При зтом форма погиби задавалась одинаковой по всей длине продольных элементов и использовалась для исследований зависимости критической силы от величины погиби. Результаты расчетов показывает, что с ростом погиби критические напряжения уменьшаются. Увеличение погиби с половины толщины обшивы до четырех толщин приводит к падению критических напряжений примерно на 40 %.

Во второй серии расчетов варьировалось количество полуволн, в амплитуда А оставалась неизменной и принималась равной толщине обвшвы.' С ростом количества полуволн при одной и той же амплитуде критическая сила возрастает.

. Это означает, что критическая сжимающая сила зависит не

только от релитднш начальной погиби, но.и от её формы.

В результате полутенннх данных рекомендуется при изготовления ввести.ограничение начальной погиби в размере утроенной толщины листа обшявы и обеспечить форму не менее 2-х полуволн по длине панели. -

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Выполненный в диссертации анализ показал необходимость конкретизации учета начачьисй технологической погиби для расчета критически напряжений в панелях крыш вагонов.

2. Разработана методика измерения начальной погиби панелей крыш вагонов с помощью оригиначьного профилографа и выполнены экспериментальные замеры, позволившие накопить,обширный материал для расчетов панелей крыл с учетом начальной погиби.

3. Разработана методика расчета критических напряжений

.< для панелей крыш вагонов. Методика базируется на использовании метода конечных элементов, теории рядов Фурье для аппроксимации функции начальной погиби, а также специальных приемов для . линеаризации геометрически нелинейной задачи деформирования панелей под действием сяимащих нагрузок.

4. Показана целесообразность использования для репения

, геометрически нелинейной задачи устойчивости панели крыши вагона способа фиктивных нагрузок в сочетании с двойным итерационным никлом.

5. Разработан алгоритм и программа для уточненного определения критических напряжений в панели крьпги.

6. Выполнена экспериментальная проверка разработанной методики расчета критических напряжений на образцах панелей крыв. С этой целью спроектирован стенд, позволяющий измерять погибь как в исходном состоянии, тан и в процессе нагружения. Результаты эксперимента подтвердили практичеснув приемлемость разработанной методики.

7. Разработанная методика обладает достаточной общностью:

она может быть использована для крыш вагонов различных типов, для анализа 'как 'Кест-ной, так и общей потери устойчивости.

8. С помощью разработанной уточненной методики определены 6"te/t в крыле вагона электропоезда. Вычисленные значения <s>*p отличаются от аналогичных напряжений, полученных по формулам, приведенным в "Нормах ... ", в 1,5 разя, что свидетельствует о существенном уточнении расчета критических напряжений.

9. Выполненный анализ покппг.л, что крыши вагона су- . щественно зависят как от амплитуд начальной технологической погнби, так и о г. сп формы. При одной w той же форм'е начальной погиби увеличение амплитуд погиби с до 2 & приводят к уменьшению критических напряжений в 1,3 раза.

10. С учетом характера изменения критических напряжений от величины амплитуды начальной погкбй можно рекомендовать ограничение амплитуды начальной технологической погиби максимальным значением, рзвньм 3 & . •

11. С целью оперативного определения &«р на склоне крн-. ши можно рекомендовать использовать следупцуо формулу:

е.

Н CK

которая сохраняет подход, принятый в "Нормах .<. "и вместе с тем учитывает величину в форму погиби.

Основные положения диссертации опубликованы в следупцюс работах: .,■'.'

1. Ломброзо D.M., Петер В.Э., Кохан H.A. Измерение начальных несовершенств тонкостенной оболочки нерегулярной формы поперечного сечения // Исследование работы электрооборудования

и вопросы прочности нлектроподвижного состава: Науч. тр. Омск. - 1976. - Т.179. - С.62-64.;

2. Ломброзо D.M., Питаев И.М., Кохан H.A. Программа ."Реакция" для обработки замеров начальных несовершенств, используемая прч оценке устойчивости оболочечных конструкций методом конечного элемента // Исследование работы электрооборудования

и {»опросы прочности злектролодгижного состава: Межеуэов. тема-twu. с.1. ивуч.' ?р. Омск. 1979. - С.67-91.

3. Лшбрсзо D.M., КфсШ! H.A. Определение предельного значения начальной norüC'H, оЗеспсчива'олсй работоспособность сяа -то-изогнутего стержня с использованием метода конечных оаемен-тов: Тез. туч.-техн. нов?). го^гдр См. ин-та инк. ж.-д. трписп. - Омск, i960. - С. £8-69.

'1. JIos«6pG3o D.M., Коха» H.A. Определение продольного эна-

■ чо»шя начальной погиби, оЗсспсчиепяцсй работоспособность ска -го-изогнутого стержня и оценка его устойчивости ff Вопросы строительной механики кузовов вагонов: Сб. науч. тр. - Брянск, 1963. - С.145-152.

5. Кохон H.A. Алгоритм расчета методом конечные элементов нппрл.тенного и деформированного состояний крип цельнометаллических вагонов с учетом начальной погиби: Тез. науч*-техн. kohJj. кпфецр Ом. кн-та инж. я.-д. трансп. - Омск, 1984. -С.97.

•» G. Ксхан H.A. Учет начальной по гиб и при расчете напряжен-

ного и деформированного состояний панели криви вагона с целью определения критических сжимастцих нагрузок. Ом. Ин-т инж. ж.-д.

■ трансп., Омск, I9Ö7 (Рукопись деп. в ЦШИТсИ МПС-Р 3761 я.д.-67).

.7. Ксхан'H.A. Расчет напряженного и деформированного состояний панелей крыши гагона с учетом начальной погиби с целью определения критических. сжимающих нагрузок: Вопросы качества, надежности, прочности и долговечности машиностроительной продукции. - Тез. докл. ХП науч.-техн. конф, - Калинин, 1997. -C.II6-II8.

8. Кохан H.A. Расчет напряженного и деформированного состояний панелей крыши.вагона с учетом начальной погиби методом конечных элементов: Гез. докл. Всесопз. науч.-техн. конф. -Омск," 1989. - С.205. , .

9. Кохан-H.A. Влияние и учет начальной погиби при расчете напряженного и- деформированного состояний панелей крыш ва-

а 16 .

гонов: Тез. докл.. ХХШ н«уч.-?ехн. конф. - Хабаровсл, 1999. - С.Ш-99.

Подписано в печать 04.0у.у0. Формат 60х8<* 1/1ь

Бумага ткпограаския № И. Офсетная печать. Печ. л. I.

Уч.-изд. л. I ']'. Юи экз. , .заказ Бесплатно

Брянский ордена ''.знак почета" институт транспортного машиностроения 2<и1№, Брянск, бульвар аи-легия Октября, V

подразделение оперативной полиграфии БиТ:,'а, ул. Институтская, 1ъ.