автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Разработка методики решения задач продольной динамики вагона как системы "кузов-оборудование-груз"

1. Состояние вопроса и задачи исследования.

2. Метод конечных элементов в задачах динамики.

2.1. Применимость метода конечных элементов в исследовании динамики подвижного состава.

2.2. Описание программного комплекса и тестирование по задачам динамики.

2.2.1. Описание программного комплекса, использованного в данной работе.

2.2.2. Продольные колебания стержня.

2.2.3. Продольный удар стержня о неподвижный упор.

2.3. Построение матрицы жесткости конечного элемента "стержень с переменным сечением и произвольным направлением главной оси".

2.3.1. Формирование матрицы жесткости стержня с переменным сечением.

2.3.2. Формирование матрицы жесткости стержня с произвольным положением главной оси

3. Построение конечно-элементной схемы исследуемого объекта.

3.1. Описание объекта исследования.

3.2. Построение конечно-элементной схемы вагона.

3.3. Конечно-элементное отображение груза и его соединения с рамой вагона.

3.4. Конечно-элементное отображение оборудования и его крепления.

3.5. Составление динамической расчетной схемы и методика динамического расчета

4. Тестирование конечно-элементной схемы исследуемого объекта.

4.1. Оценка значимости несимметрии конструкции вагона.

4.2. Сравнение с результатом статических испытаний.

4.3. Сравнение с результатом испытаний на соударение.

5. Исследование влияния характеристик расчетной схемы на напряженно-деформированное состояние вагона, оборудования и груза при соударении.

5.1. Постановка задачи и выбор метода исследования

5.2. Планирование эксперимента.

5.2.1. Общие положения планирования эксперимента.

5.2.2. План факторного эксперимента.

5.3. Анализ результатов вычислительного эксперимента

5.3.1. Ускорения элементов оборудования

5.3.2. Относительные перемещения элементов оборудования

5.3.3. Напряжения в креплении оборудования

5.3.4. Перемещения груза

5.3.5. Напряжения в хребтовой балке.

5.3.6. Напряжения в нижней обвязке

5.3.7. Напряжения в верхней обвязке.

5.3.8. Напряжения в поперечных балках рамы

5.3.9. Напряжения в стойках боковых стен

5.3.10. Напряжения в дугах крыши.

5.3.11. Напряжения в обшивке кузова.

5.3.12. Изменения поперечного контура сечения вагона

5.4. Анализ моделей динамических характеристик НДС вагона

5.4.1. Ускорения элементов оборудования

5.4.2. Относительные перемещения элементов оборудования.

5.4.3. Напряжения в креплении оборудования

5.4.4. Перемещения груза

5.4.5. Напряжения в хребтовой балке

5.4.6. Напряжения в нижней обвязке.

5.4.7. Напряжения в верхней обвязке.

5.4.8. Напряжения в поперечных балках рамы

5.4.9. Напряжения в стойках боковых стен.

5.4.10. Напряжения в дугах крыши.

5.4.11. Напряжения в обшивке кузова.

5.4.12. Изменения поперечного контура сечения вагона

5.5. Анализ значимости учета факторов эксперимента.

5.5.1. Критерий оценки значимости факторов

5.5.2. Анализ применимости различных типов расчетных схем для решения задач продольной динамики

5.5.3. Анализ значимости плотности и характеристик крепления груза.

5.5.4. Методика построения расчетной схемы при решении различных задач продольной динамики

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Разработка методики решения задач продольной динамики вагона (как системы "кузов-оборудование-груз") представляет собой актуальную проблему, имеющую важное научное и практическое значение.

2. Выполнен анализ задач продольной динамики вагона и современных методов их решения с применением МКЭ.

3. Для решения поставленных в работе задач рекомендовано применение разработанного на кафедре "Динамика и прочность машин" программного комплекса, позволяющего решать статические и динамические задачи методом конечных элементов. Проведено всестороннее тестирование указанного комплекса на разнообразных задачах теории колебаний, погрешности при его применении не превышают 8%, в связи с чем он рекомендован для решения задач продольной динамики вагона.

4. Разработан специальный конечный элемент "стержень с переменной жесткостью и произвольным положением главной оси", позволяющий адекватно отобразить в конечно-элементной схеме балки с переменным сечением и повысить точность расчета при определении НДС содержащих их конструкций.

5. Разработаны две конечно-элементные модели грузового вагона рефрижераторной секции РС-5 производства ПО БМЗ, отличающиеся степенью подробности описания кузова. В упрощенную конечно-элементную модель половины вагона (симметричного относительно продольной оси) входят 267 узлов и 500 конечных элементов. В уточненную модель, в котором основные балки рамы набраны пластинами и выполнена более подробная разбивка остальных элементов кузова и пола, входят 3394 узла и 3181 конечный элемент. В обеих расчетных схемах груз моделирован в виде сосредоточенных масс, соединенных упругими связями с полом вагона.

6. Разработаны две расчетные схемы холодильного оборудования вагона и его крепления (отличающиеся подробностью представления конструкции), и введены в расчетные модели вагона для создания расчетной модели системы "кузов-оборудование-груз".

7. Выполнено исследование влияния несимметрии конструкции вагона относительно продольной оси. Показано, что имеющиеся в реальной конструкции отклонения от симметрии не оказывают значительного влияния на получаемые значения НДС.

8. Выполнено сопоставление численных расчетов с помощью МКЭ с экспериментальными данными, полученными при натурных испытаниях вагона на ПО БМЗ. Установлено, что разработанные конечно-элементные модели удовлетворительно описывают поведение реальной конструкции вагона при приложении статических нагрузок и при соударении, при этом уточненная расчетная модель обеспечивает меньшее расхождение с результатами эксперимента.

9. Разработана методика решения задач продольной динамики вагона как системы "кузов-оборудование-груз",включающая : а) разработку конечно-элементной модели объекта в соответствии с типом решаемой задачи и выбор ее характеристик по данным, приведенным в работе; б) определение силового воздействия на простейшей расчетной модели вагона;

1. Акт об испытании пятивагонной рефрижераторной секции на ударную выносливость методом соударений. / ПО БМЗ. - Брянск, 1986.-42 с.

2. Акт о дополнительных испытаниях рефрижераторной секции на соударение для проверки эффективности крепления холодильного оборудования. / ПО БМЗ. Брянск, 1986. - 16 с.

3. Акт о замере ускорений при испытаниях на соударение пятивагонной рефрижераторной секции. / ПО БМЗ. Брянск, 1987. -16 с.

4. Анисимов П.С. Влияние несимметричного размещения подрессоренного груза на вертикальные колебания 4-осн. грузового вагона. Вестник ВНИИЖТ. - 1994. - №1. - С. 30-34.

5. Анисимов П.С. Пространственные колебания грузового вагона при кососимметричном размещении грузов. Вестник ВНИИЖТ.- 1994. - №3. - С. 13-18.

6. Атрощенко В.А., Кобищанов В.В., Ольшевский A.A., Сорокина C.B. Анализ расчетных схем МКЭ для кузова крытого грузового вагона // Динамика, прочность и надежность транспортных машин. -Брянск. 1986. С.48-55.

7. Бате К., Вилсон Р. Численные методы анализа и метод конечных элементов.: Пер. с англ. М.: Стройиздат, 1982. - 447 с.

8. Бидерман В.Л., Малюкова Р.П. Усилия деформации при продольном ударе. В кн.: Расчеты на прочность. Вып. 10. - М.: Машгиз, 1959.

9. Блохин Е.П., Манашкин Л.А. Динамика поезда (нестационарные продольные колебания). М.: Транспорт, 1982. - 222 с.

10. Блохин Е.П., Стамблер Е. Л. Об уточнении модели межвагонного пружинно-фрикционного амортизатора удара. // Труды Московского ин-та инженеров транспорта. М.,1979. - Вып. 643. - С. 112128.

11. Бобров M.В., Крахмалева Г.Г. Определение матрицы жесткости конечного элемента для прямолинейного стержня переменной жесткости // Вопросы исследования и испытания вагонных конструкций: Сборник научных трудов ВНИИвагоностроения. М., 1985. -С.110-119.

12. Богомолов С.И., Журавлева A.M. Колебания сложных механических систем. Харьков: - Вища школа, 1978. - 136 с.

13. Болдырев А.П., Прасолов А.Н. Расчетная оценка продольной нагруженное™ рефрижераторной секции, оснащенной поглощающими аппаратами ПМК-110, при маневровых соударениях. // Динамика, прочность и надежность транспортных машин. Брянск, 1990. - С. 18-29.

14. Борискин О.Ф. Автоматизированные системы расчета колебаний методом конечных элементов. Иркутск: Изд-во Иркутского ун-та, 1984. - 188 с.

15. Борискин О.Ф., Кулибаба В.В., Репецкий О.В. Конечноэлементныйанализ колебаний машин. Иркутск: - Изд-во Иркутского ун-та, 1989. - 144 с.

16. Бродский В.З. Введение в факторное планирование эксперимента. М.: Наука, 1976. - 224 с.

17. Вагоны: проектирование, устройство и методы испытаний. Кузьмич Л.Д. и др. М.: Машиностроение. 1978. - 376 с.

18. Вершинский C.B., Данилов В.Н., Хусидов В.Д. Динамика вагона. -М.: Транспорт, 1991. 360 с.

19. Вершинский C.B., Данилов В.Н., Челноков И.И. Динамика вагонов. М.: Транспорт, 1982. - 220 с.

20. Галлагер Л. Метод конечных элементов. Основы. /Пер. с англ. -М.: Высшая школа, 1985. 392 с.

21. Гоз Л.А. Разработка методики ускоренных испытаний пятивагонной рефрижераторной секции на ударную выносливость. Дисс. . к-та техн. наук. Брянск. 1987 - 157 с.

22. Голоян A.A., Евельсон Л.И. Алгоритм расчета динамической нагруженности элементов грузового вагона рефрижераторногопоезда. // Динамика, прочность и надежность транспортных машин.- Брянск,1992. С. 31-38.

23. Гольдсмит Ч. Удар. Теория и физические свойства соударяемых тел. / Пер. с англ. М.: Издательство литературы по строительству, 1965. - 448 с.

24. Данович В.Д., Анисимов П.С. Колебания в горизонтальной плоскости 4-осн. платформы с несимметрично расположенным тяжеловесным грузом. Вестник ВНИИЖТ. - 1989. - №3. - С. 5-9.

25. Ерлихман Б.С., Малов А.Д. Особенности динамики грузов при торможении вагонов весовыми замедлителями. Вестник ВНИИЖТ. - 1988. - №6. - С. 11-14.

26. Ерлихман Б.С., Шейкин В.П. Экспериментальное воздействие силовых воздействий на грузы при торможении вагонов замедлителями на сортировочных горках. Вестник ВНИИЖТ. -1989. - №1. - С. 16-19.

27. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975.-541 с.

28. Израилев В .Я. Применение метода Ньюмарка для исследования релаксационных колебаний при продольных соударениях вагонов. // Динамика, прочность и надежность транспортных машин. -Брянск, 1997. С.47-54.

29. Израилев В .Я. Сравнительная оценка методов исследования напряженно-деформированного состояния элементов вагона при продольных динамических воздействиях. Дисс. . к-та техн. наук.- Брянск. 1997. 146 с.

30. Израилев В.Я., Прасолов А.Н. Программный пакет МКЭ для расчета динамической нагруженности элементов транспортныхмашин. // Динамика, прочность и надежность транспортных машин. Брянск, 1994. - С. 12-18.

31. Исследование повышения прочности вагонов. Этап: проведение ударных испытаний с целью установления статистических нагрузок, действующих на оборудование рефрижераторных вагонов.: Отчет НИР-ДИИТ. Руководитель Манашкин Л.А. -Днепропетровск, 1974. 135 с.

32. Исследование повышения прочности вагонов. Этап: проведение ходовых испытаний и установление нагрузок, действующих на оборудование рефрижераторных вагонов.: Отчет НИР-ДИИТ. Руководитель Манашкин Л.А. Днепропетровск, 1976. - 105 с.

33. Кандидов В.П., Чесноков С.С., Выслоух В.А. Метод конечных элементов в задачах динамики. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. -165 с.

34. Кеглин Б. Г. Автоколебания при соударениях вагонов, оборудованными фрикционными аппаратами. // Повышение надежности элементов подвижного состава. М.: Транспортное машиностроение, 1975. - С. 34-37.

35. Кеглин Б.Г. Исследование уточненных расчетных схем вагона применительно к задачам продольной динамики. // Вопросы исследования надежности и динамики элементов подвижного состава железных дорог. Брянск, 1979. - С. 112-128.

36. Кеглин Б.Г. О статистическом распределении продольных нагрузок, используемых в "Нормах расчета. вагонов" 1983 г. // Динамика, прочность и надежность транспортных машин. Брянск, 1990.-С. 7-17.

37. ЗЭ.Кеглин Б.Г., Болдырев А.П. Совершенствование математической модели фрикционного амортизатора удара. // Известия вузов. -1984. №5. - С.89-93.

38. Кеглин Б.Г., Гореленков А.И. Статистические распределения параметров продольной нагруженности вагона, необходимые для решения различных задач его прочности и надежности. // Динамика, прочность и надежность транспортных машин. Брянск, 1997. -С.6-10.

39. Кеглин Б.Г., Прасолов А.Н. К определению статистических характеристик продольных нагрузок, действующих на вагон при переходных режимах движения поезда. // Вопросы транспортного машиностроения. Тула: Тульский политехнический институт, 1980. - С. 94-104.

40. Кеглин Б.Г., Прасолов А.Н., Стриженок А.Г. Исследование нагруженности вагонов рефрижераторных секций при соударениях на сортировочных горках. Вестник ВНИИЖТ, 1985, №4. - С. 43-47.

41. Кобищанов В.В. Расчет кузовов вагонов на прочность. Брянск: БИТМ, 1987. - 80 с.

42. Кобищанов В.В., Лозбинев В.П. Строительная механика кузовов вагонов и основы теории упругости. Тула, 1981. - 100 с.

43. Ковиршин В.М., Сендеров Г.К. Повышать сохранность грузовых вагонов // Железнодорожный транспорт. 1994. - №6 - С. 37-44.

44. Когаев В.П. Расчеты на прочность при напряжениях, переменных во времени. М.: Мащиностроение, 1977. - 227 с.

45. Костенко H.A., Никольский Л.Н. Статистические распределения продольных сил, действующих на подвижной состав через автосцепку, и методы их определения. // Труды БИТМ. 1971. -Вып. 24. - С. 69-82.

46. Красовский Г.И., Филаретов Г.Ф. Планирование эксперимента. -Минск: Изд-во Б ГУ, 1982. 302 с.

47. Кржимовский В.Е., Скрипкин В.В., Филюнин Г.И. Рефрижераторные секции отечественной постройки. М.: Транспорт, 1983. - 224 с.

48. Кун П. Расчет на прочность оболочек в самолетостроении. М.: Оборонгиз, 1961. - 305 с.

49. Лазарян В.А. Динамика вагонов. М.: Транспорт, 1964. - 108 с.

50. Лазарян В.А. Динамика транспортных средств: Избранные труды. Киев: Наукова думка, 1985. - 528 с.бЗ.Ланда П.С. Автоколебания в распределенных системах. М.: Наука, 1983. - 320 с.

51. Лозбинев В.П. Исследование напряженного состояния и разработка методики оптимального проектирования ортогонально подкрепленных тонкостенных пространственных систем кузовов грузовых вагонов. Дисс. . докт. техн. наук. - Брянск, 1982. - 382 с.

52. Лозбинев В.П. Методика расчета оптимальных параметров сечений несущих элементов кузовов грузовых вагонов. Тула, 1980.-80 с.бб.Лозбинев В.П. Проектирование и оптимизация несущих систем кузовов вагонов. Брянск: 1997. - 88 с.

53. Львов A.A., Музыкин В.А. Динамика четырехосного полувагона при несимметричном его нагружении. Вестник ВНИИЖТ. - 1965. -№4.-С. 9-12.

54. Малов А.Д. Исследование ускорений и перемещений грузов в вагоне. Вестник ВНИИЖТ. - 1979. - №4. - С. 50-55.

55. Манашкин Л.А., Нариус Н.Г., Иваницкий Р.П. О сокращении объема испытаний при исследовании нагруженности рефрижераторного подвижного состава. // Проблемы динамики и прочности железнодорожного подвижного состава. Днепропетровск, 1979. С. 18-25.

56. Никольский E.H. Расчет кузовов вагонов на прочность. Тула, 1978.-48 с.

57. Никольский E.H. Расчет несущих конструкций кузовов вагонов по методу конечных элементов. Брянск: БИТМ, 1982. - 99 с.

58. Никольский Л.Н., Кеглин Б.Г. Амортизаторы удара подвижного состава. М.:Машиностроение, 1986. - 144 с.

59. Нормы для расчета и проектирования вагонов в колее 1520 мм. -М: ВНИИЖТ МПС, 1995. 198 с.

60. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (не самоходных). -М.: ВНИИВ ВНИИЖТ, 1983. - 260 с.

61. Образцов В.Ф., Савельев Л.М., Хазанов Х.С. Метод конечных элементов в задачах строительной механики летательных аппаратов. М.: Высшая школа, 1985. - 392 с.

62. Ольшевский A.A., Милакова A.A. Оценка точности пластинчато-стержневых расчетных схем кузовов вагонов при использовании метода конечных элементов. // Динамика, прочность и надежность транспортных машин. Брянск, 1994. - С. 54-60.

63. Ольшевский A.A., Прасолов А.Н. Применение МКЭ к расчету кузовов транспортных машин. // Тез. докл. 52-й научн.-техн. конф. профес.-преп. состава. Брянск, 1994. - С.33.

64. Ольшевский A.A., Попкова Н.В., Сильченко И.А. Построение и оценка расчетных схем кузова грузового вагона рефрижераторной секции. // Механика вагонов. Брянск: Издательство БГТУ, 1998. -С.83-88.

65. Ольшевский A.A., Прасолов А.Н. Исследование свободных колебаний кузова автомотрисы АС-4 с использованием комплекса программ МКЭ. // Динамика, прочность и надежность транспортных машин. Брянск, 1997. - С.81-85.

66. Отчет по испытаниям пятивагонной рефрижераторной секции на ударную выносливость методом соударений, имитирующих 28 лет эксплуатации. / ПО БМЗ. Брянск, 1986. - 108 с.

67. Отчет по испытаниям пятивагонной рефрижераторной секции на ударную выносливость методом соударений. / ПО БМЗ. Брянск, 1987. - 102 с.

68. Пановко Я.Г. Введение в теорию механического удара. М.: Наука, 1977.-224 с.

69. Попкова Н.В. Возможность повышения точности расчетной схемы МКЭ путем введения новых типов стержневых конечных элементов. // Динамика, прочность и надежность транспортных машин. Брянск, 1998. - С. 119-122.

70. Прасолов А.Н., Ольшевский A.A. Оценка собственных частот сложных машиностроительных конструкций методом конечных элементов. // Динамика, прочность и надежность транспортных машин. Брянск. 1994. - С.39-46.

71. Расчет вагонов на прочность / Под ред. Л.А.Шадура. У.: Машиностроение, 1978. - 432 с.

72. Расчет грузовых вагонов на прочность при ударах. Блохин Е.П., Манашкин Л.А. и др. М.: Транспорт, 1989. - 230 с.

73. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник. / Под ред. В.И.Мяченкова. М.: Машиностроение, 1989. - 520 с.

74. Сакало В.И., Ольшевский A.A., Шевченко К.В., Попкова Н.В. Развитие программного комплекса МКЭ и его применение в статических и динамических расчетах // Тез. докл. 54-й научн.-техн. конф. профес.-преп. состава. Брянск, 1998. - С.49-50.

75. Соколов М.М., Хусидов В.Д., Минкин Ю.П. Динамическая нагруженность вагона. М.: Транспорт, 1981. - 207 с.

76. Тертеров М.Н., Лысенко Н.Е., Панферов В.Н. Железнодорожный хладотранспорт. М.: Транспорт, 1987. - 255 с.

77. Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле. М.: Машиностроение, 1985. - 472 с.

78. Тьюарсон Р. Разреженные матрицы. / Пер. с англ. М.: Мир, 1977. -189 с.

79. Устич П.А. Методика построения расчетной схемы энергетического оборудования рефрижераторных вагонов при их соударениях. // Труды Московского ин-та инж. транспорта. М., 1974. - Вып. 467. - С. 220-225.

80. Ушкалов В.Ф., Резников Л.М., Редько С.Ф. Статистическая динамика рельсовых экипажей. Киев: Наукова думка, 1982. - 360 с.

81. Фетисов О.В., Шахнюк Л.А. К уточнению спектра ударных нагрузок, воспринимаемых вагоном на сортировочных горках //Труды БИТМ, вып.24. Приокское кн. изд-во, 1971. - С. 34-39.

82. Шатров H.H. Метод конечных элементов в расчетах деталей тепловых двигателей. Л.: Машиностроение, 1983. - 212 с.

83. Шлюшенков А.П. Планирование факторных экспериментов в исследованиях динамики и прочности машин. Тула: Тульский политехничнский институт, 1980. - 100 с.

84. ЭЗ.Юрченко Ю.В. Динамическая нагруженность грузовых сппециализированных рельсовых экипажей при продольных ударных воздействиях. Дисс. . доктора техн. наук. . Днепропетровск: 1991. - 340 с.

85. Юрченко Ю.В. О расчетных схемах грузовых вагонов для исследования нелинейных колебаний при соударениях. // Проблемы динамики и прочности железнодорожного подвижного состава. Днепропетровск, 1983. - С.39-45.

86. Я годин С.К., Саутенков В. А. Изотермический подвижной состав. -М.: Транспорт, 1986. 192 с.

87. Яковлев И.Н., Шаповаленко М.М. Изотермический подвижной состав. М.: Транспорт, 1972. - 240 с.

88. Angelov I. Free-dimensional vibrations of carriage. // J. Theor. and Appl. Mech. 1995. 25, №1-2. - P.40-52.

89. Kisiiovski J., Sowinski B. Investigation into the dynamics of the vehicle-track system treated as a continious-discrete one. // Proc. 2nd Mini Conf. Veh. Syst. Dyn., Budapest. Budapest, 1992. - P. 63-82.

90. Schenck H. Theories of ingeneering experimentation. N.Y., 1970. -382 p.

91. Suzuki Y., Shonan S. Theoretical analysis for flexural vibration damping method of rolling stock carbody. // Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. C. 1996. - 62, № 598. - P. 2132-2139.