автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование конструкции и технологии изготовления несущих сварных конструкций вагонов метрополитена на основе уточненной оценки напряженно-деформированного состояния

jil

2 и vi-iJ ' • МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ .СООБЩЕШЯ РФ .

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

С МИИТ )

На правах рукописи СЫИРНОВ Вячеслав Валентинович

УДК 629.46:639.4:621.791

СОВЕРШЕНСТВО ВАННЕ КШКГРУКЦНН И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ

НЕПУЦНХ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВАГОНОВ ЫЕТРОПОИПЕНА НА ОСНОВЕ УТОЧНЁННОЙ ОЦЕНКИ ШШРЯЖИШО-ДЕСЮРШРОВАШЮГО

состояния

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Московском государственном университета путей сообщения (КОШТ)

Научный руководитель: доктор технических наук,профессор

С.Н.КИСЕЛЁВ

Научный консультант : кандидат технических наук,докторант

Р.И.ЗАЙНЕТДИНОЗ Официальные оппоненты: доктор технических наук,профессор

И.В.БИРЮКОВ;

кандидат технических наук, ведугций научный сотрудник В. В. АЛАДИНСКИЙ

Ведущее предприятие: Акционерное общество " Ыетровагонмаш "

Защита состоится " " М^р Гч ^дд5 г> в /¿> час> на заседании диссертационного совета Д.114.05.05 при Московской государственном университете путей сообщения по адресу: 101 475 ГСП,Москва А-55.уд.Образцова. 15.ауд.Н Ш/О С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан " 3 " Ср е&^ддд г< Отзыв на автореферат .заверенный печатью,просим направлять по адресу университета.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор техн. наук, профессор

- з -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы:Наиболее рациональный решением проблемы перевозки пассажиров в крупных городах о точки зрения безопасности движения.скорости,вместимости,регулирования провозной способности,комфорта является строительство метрополитенов и совершенствование их подвижного состава.

Вагоны метрополитена являются сложными сварными металлоконструкциями. Совершенствование несущих сварных конструкций вагонов и технологии их изготовления возможно эа счйг снижения металлоёмкости при использовании более прочных низколегированных сталей,а также за счёт тщательного анализа новых конструктивных решений.При атом,должна быть обеспечена необходимая зрочность и надёжность конструкций.Совершенствование конструктивных и технологических решений необходимо осуществить на ос-юве уточнённой оценки напряжённо-деформированного состояния [НДС) в зонах концентрации деформации и напряжений.Причем,оценку НДС необходимо проводить на база современных расчётных и (кспериментальных методик.

Цель диссертации:Разработка и внедрение рекомендаций по ювершенствованию конструкции несущих сварных элементов кузова 1агонов метро и технологии их изготовления,направленных на по-шение их прочности и надёжности при одновременном снижений [еталлоёмкости на базе уточнённой оценки НДС наиболее нагружен-ых сварных узлов.

Нетодика исследования: Уточнённая оценка НДС несущих свар-ых конструкции вагонов метрополитена проведена с использовани-м метода конечных элементов (}ЖЭ) и методики поэтапного расче-

та на базе программного комплекса "АСТРА" и "Сварка".

Разработана методика и использованы алгоритм и программное обеспечение для решения вадач нестационарной теплопроводности и термоупругопластичности применительно к сварным соединениям вагонов. Методика основана на использовании МКЭ и основных положений теории пластического течения .ассоциированной с условием текучести Губера-Мизеса. Решение выполняется в квааистатическон постановке с учетом предыстории нагружения как на разных шагах по времени при сварке одного шва,так и при многослойной сварке.

Оценка ресурса наиболее нагруженных в эксплуатации СЕарных соединений вагона проведена на основе критерия малоциклового повреждения (использован деформационно-кинетический критерий ыалоцикловой прочности) на базе усовершенствованной программы МСУ.

Экспериментальные исследования температурных полей,деформации и напряжении в зоне сварных соединений проведены на основе разработанной методики определения температурных полей с использованием контактных термопар,магнитоупругого метода и метода тензометрии.

Научная ианкзна:Разработана методика и проведён уточненный анализ НДС несущих сварных конструкций вагонов метрополитена при эксплуатационных нагружениях и технологических воздействиях, на базе основных положении теории теплопроводности,теории пластического течения и численного метода конечных элементов. Усовершенствована методика и проведена оценка ресурса несущих сварных конструкций кузова вагона метро на базе программы МСУ,адаптированной к персональным компьютерам.

Практическая ценность:Научно обосновано использование в конструкции серийно изготавливаемых вагонов метрополитена элементов из низколегированных сталей с уменьшенной толщиной стенки. Предложен оптимальный путь совершенствования конструкции хребтовой балки раыы кузова. Этот конструктивный вариант принят за основу А/0 "Метровагонмаш" при разработке перспективных конструкций вагонов метрополитена на базе алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей.Одновременно снижены затраты на техническое обслуживание и ремонт.

Проведена экспериментальная оценка температурных полей,остаточных сварочных и эксплуатационных напряжений несущих сварных конструкций вагонов метрополитена и сопоставление с результатами расчета.

Разработаны и внедрены рекомендации по совершенствовании конструкции и технологии изготовления шпинтонных узлов рам тележек вагонов.

Апробация работы:Результаты работы доложены на Всесоюзной научно-технической конференции " Повышение механических и эксплуатационных свойств сталей массового производства " (Москва, 1990 г.); 14-ой научно- технической конференции " Вопросы качества,надежности,прочности и долговечности машиностроительной продукции " ( Тверь,1991 г.);научно-технической конференции стран СНГ " Производство и надежность сварных конструкций" ( Москва,1993 г.);международной научно-технической конференции " Современные проблемы сварочной науки и техники" ( Ростов-на-Дону ,1993 г.);на заседании научно-технического семинара кафедры "Технология сварки,материаловедение и износостойкость деталей машин и аппаратов" (Москва,1995 г.).

Публикации:По материалам диссертации опубликовано 7 работ.

Объём работы:Диссертация состоит из введения,четырех глав и общ?« выводов.Она содержит 149 страниц машинописного текста, 9? рисунков на 95 е., 1? таблиц,вклпчает 158 наименований отечественной и зарубежной литературы, приложение на 6 с.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анализу несущих сварных конструкций вагонов метрополитена,технологии их изготовления,определены направления совершенствования этих конструкции.Показано,что вагоны метрополитена являвтея сложный« сварщик конструкциями .обоснование работоспособности которых связано с глубоким анализом НДС при изготовлении и эксплуатации.

Выполнен анализ существующих методов расчётной и экспериментальной оценки НДС,прочности и нормативных требований,а также их применение к конструкциям железнодорожного транспорта. В нашей стране и за рубежом постоянно уделяется больше внимание вопросам расчета конструкций подвижного состава железнодорожного транспорта,а также их отдельных частей,узлов и деталей. Большой вклад в развитие этого научного направления внесли такие ученые,как: И.В.Бирюков, Е.П.Блохия, Ю.П.Боронен-ко,С.В.Вершинский, М.В.Винокуров, И.П.Исаев, В.Н.Котуранов, В.П.Лоабинев, М.М.Соколов,Е.Н.Никольский, Л.Н.Никольский, А.Н.Савоськин, А.Н.Филиппов, В.Д.Хусидов, А.А.Хохлов, Л.А.Ша-дур, Н.Н.Шапошников и другие.Сделан вывод о целесообразности

совместного применения для уточнённой оценю! НДС несущих сварных конструкций вагоноз метрополитена МКЭ и методики поэтапного расчета на базе программного-комплекса "АСТРА" и "Сварка", а для решения задач нестационарной теплопроводности и термоупру-гопластичности метода конечных элементов и основных положений теории пластического течения на базе программного комплекса "Сварка".

Выполнен анализ существующих методов оценки температурных полей и НДС конструкций при сварке.Спецификой сварочных процессов является неравномерно распределенное в детали температурное поле,а также структурные изменения,под воздействием которых в конструкции формируется НДС. С учётом данной специфики для исследования выбран МКЭ, а также математический аппарат теории упруго-пластического течения. Для учета нестационарности процессов сварки и истории нагружения при расчетах выбран метод пошагового решения,при котором на каждом последующем шаге нагруже-ния решение находится с учетом полученного на предыдущем шаге.

Во второй главе разработана методика и проведена расчётная оценка НДС несущих сварных конструкции кузовов вагонов метрополитена 81-714.5,81-717.5 и их модификаций.

На основе выполненного анализа силовых факторов и схем эксплуатационных нагружении указанных конструкций разработана конечно-элементная модель (КШ) 1-го этапа кузова вагона. Наиболее нагруженная часть модели (рама) представлена на рис.1 а). Данная модель .насчитывающая 1638 узлов и 2274 конечных элемента, позволяет выделить в конструкции зоны концентрации деформаций и напряжении ,а также выполнить расчётнуп оценку НДС в области условно-упругих деформаций и напряжений.Расчёты выполня-

Фрагмент конечно-элементной модели кузова вагона метро модели 81-714.5 С рама кузова )

1-левый швеллер, хребтовой балки;2-правый швеллер хребтовой балки;3-изогнутый швеллер концевой коробки;4-прямой швеллер концевой коробки;5-пкворневая балка;6-леБЫй продольный пояс;7-правий продольный пояс;6гзлементы подвешивания подвагонного оборудования;9-поперечкыо балки;2Э..548, 12...540 - узловые точки.

Рис.1

дись с учётом введения в конструкции элементов с уменьшенной толщиной стенки профиля из низколегированных сталей типа 03Г2.Указанная модернизация, позволяет снизить металлоёмкость кузова по сравнению с серийной конструкцией почти на 400 кг. Анализ результатов расчетов показал,что зоной концентрации деформации и напряжений для кузова является хребтовая балка рамы кузова (рис.1 а),б)). Установлено,что в элементах балки наблюдаются наибольшие напряжения при продольном нагружении усилием 430 к!!.При атом отдельные зоны металла конструкции деформируются за пределами упругости. Данный вид нагружения является ыаяо-цикловым.Наиболее нагруженными элементами хребтовой балки рамы кузова при этом являются швеллера А и Б балки,а также примыкающие к ним крайние элементы вертикальных листов А1 и Б1 крепления гнезда автосцепки.Причем,максимальные продольные нормальные напряжения в узлах 180,188,420 и 428 (рис.1 а),б)) наблюдаются в плоскости ХОУ и составляют: сжимающие СГу-265 МПа и растягивающие сгу »+201 МПа.чго близко или превышает допускаемые "Нормами..." напряжения (16 3*264 Ша для стали 09Г2). В остальных элементах напряжения от различного сочетания эксплуатационных нагрузок не превышают допустимых "Нормами..." значений для соответствующих материалов и значительно ниже,чем эти значения.

С учетом ответственности конструкции хребтовой Салки рамы проведена уточнённая оценка НДС в зонах концентрации напряжений .которыми являются места начала и окончания тавровых сварных швов приварки вертикальных листов А1 и Б1 гнезда автосцепки к дгвеллерам А и Б хребтовой балки (рис.1 б)).Оценка НДС проведена с использованием разработанной К3.1 2-го этапа (рис.2,3) .которая насчитывает 1708 узлов и 1286 конечных элементов, и позволяющей

Фрагмент конечно-элементной модели кузова вагона метро модели 81—71 •Ц.5 (хребтовая балка )

А,Б - соответственно левый и правый швеллера (стержневые конечные элементы); А1.Б1 -соответственно левый и правый вертикальные листы гнезда автосцепки;В,В1 -соответственно верхний и нижний горизонтальные листы гнезда автосцепки;Г-рёбра жёсткости; 23...5*18,12...540 -узловые точки,соответствующие определённому сечения элементов А или Б

Конечный элемент I:

0

1

1*6,1*6 -конечные элементы листа 81; Г'-6",1+6 -конечные элементы листа В; Д-верхние волокна конечного элемента;Е-нижн ние волокна конечного эленента;Ж-волокна стенки швеллера;3- волокна нижней полки швеллера

ТГз

Коночно-элоиентнал модель 2-го зтапа хребтовой балки ракы' к

; I

!Конечный злемант полки А шдвллвра I :

кузова вагона нотро 01-714.5

1-левый швеллер,'2-правый швеллер; 3,4 -левый и правый вертикальные листы крепления гнезда аатооцепкн

-верхний горизонтальный лист гнезда автосцепки; 6-вертнкалншИ лист гнезда автооцопки 7-рёбра жёсткооти;В-спора сферического подвипника

Схена стыковки элементов хребтовой балки

' А-нихняя полка левого швеллера (сн.рис.2)12) . Б-вертикалышй лист крепления гнезда (рис.2); . автосцепки;В- группа элементов Е (1..22); П- группа элементов А (1..47)

'Н-начало хребтовой балки; Ц-центр хребтовой балки; Ок-окончание хребтовой балки

проводить совершенствование конструкции по критерил снижения максимальных растягивающих напряжении. Анализ результатов расчетов показал,что условно-упругие нормальные напряжения в элементах швеллера N13 и N35 (рис.3 ),а также пришжашцих к ним элементах вертикального листа крепления гнезда автосцепки N1 и

[

N22, при нагружении осевой силой 490 кН, значительно превышают допускаемые напряжения для стали 20, из которой изготавливается хребтовая балка ([<Т3=225 Ша),а также допускаемые напряжения для стали 09Г2 (ССП=264 Ша),из которой хребтовую балку планируется изготавливать.Причем,эти напряжения близки или превышают, предел текучести основного металла .Выполнено моделирование различных конструктивных вариантов хребтовой балки на базе КЗЛ 2-го этапа. Целью моделирования ставилось найти оптимальный вариант конструкции хребтовой балки с точки зрения снижения деформаций и напряжений в зонах концентрации по сравнении с серийной конструкцией. Установлено,что оптимальным путём совершенствования конструкции является путь снижения эксцентриситета приложения продольной нагрузки в области гнезда автосцепки,!.е. уменьшение высоты вертикальных листов крепления тнезда.При уменьшении эксцентриситета приложения продольной нагрузки на 90 ш уровень интенсивности напряжений в элементах швеллера N13 и N35 ,а также в элементах вертикального листа крепления гнезда автосцепки N1 и N22 снижен более, чем на дй»40 X по сравнению с серийным вариантом конструкции, что значительно ниже СГТ.Этот конструктивный вариант рекомендован А/0 "Метровагоныаш" для изготовления опытной партии образцов.

Выполнена оценка ресурса сварных соединений хребтовой балки рамы кузова в зонах концентрации деформаций и напряжений при

малоцикловой усталости с использованием программы МСУ .Программа МСУ доработана и дополнена автором с целью возможного проведения расчетов с использованием 1БМ-совместимых компьютеров. Анализ полученных расчетных данных для варианта кагрухения осевой силой 490 кН свидетельствует о том, что расчётная сумма, относительных долговечностей в малоцикловой области превышает 1 в случае использования в конструкции хребтовой балки материала ВСтЗ сп или стали 20,и меньше 1 в случае применения низколегированной стали 09Г2Д. Отмечено хороаее (менее 31) соответствие расчетных и статистических данных о трещинообразовании в исследуемой зоне .Таким образом .материал 09Г2Д при малоцикловых воздействиях .которые могут иметь место в случае наиболее опасного варианта нагруження кузова вагона, не теряет несущую способность по рассмотренным критериям повреждения,в отличие от сталей ВСтЗ сп и стали 20 и следователь но, может быть рекомендован'для использования в конструкции серийных вагонов метрополитена В1-717.5 и 81-714.5 И ИХ модификаций.

Третья глава посвящена разработке методик и расчётной оценке температурных полей,деформаций и напряжений в зоне сварных соединении вагонов.Представлена методика,а также краткая характеристика испольаованных в работе алгоритма и программного обеспечения для решения задач теплопроводности и термоупр/гоп-ластичяостн применительно к сварочным процессам с учетом физической и геометрической нелинейности.Методика основана ва основных положениях метода конечных элементов для задач термоуп-ругопласткчности с использованием теории пластического течения , ассоциированной с условием текучести Губера-Миэеса.Репение

выполняется в квазистатической постановке с учётом предыстории нагружения как на разных патах по времени при сварке одного ива,так и при многослойной сварке.х)

Методика использована при расчёте температурных полей .деформаций и напряжений наиболее повреждаемых в эксплуатации сварных узлов вагонов метрополитена.Как показал статистический анализ эксплуатационных данных такими узлами является шпинтон-ные узлы рам тележек .Для данных узлов разработаны осесиммет-ричкые конечно-элементные модели,насчитывающие более 340 вось-миуэловых квадратичных конечных элементов и около 1200 узлов. Проведено исследование кинетики температурных полей .деформаций и напряжений с использованием разработанных КЭМ.

Установлено,что при двухслойной заварке кругового шва втулки шпинтона в боковину рамы возникает плоская схема остаточных растягивающих напряжений с компонентами напряжений бгосг " 0вост ( рис.4 ), близкими к бт основного металла ( #гост- бв007* + 333 МПа ). Третий компонент напряжений

в зоне максимальных бг'и Ое"существенно меньше и достигает значения ¿¡г001- •=+ 90-100 МПа.

Максимальные остаточные напряжения бТ и боТвозникают под поверхностью сварного соединения,на глубине 5-7 мм.

Схема двухосного растяжения в зоне сварного соединения с компонентами напряжения близкими к б? основного металла является неблагоприятной с точки зрения возможности возникновения хрупкого разрушения в эксплуатации,особенно,в случае нали-

х) Решение выполнено совместно с к.т.н. А.С.Киселёвым.

i., Изолинии окружных остаточных напряжений <?QCr

i

Рис Л

чия в зона зтих напряжений трещиноподобных дефектов,типа непро-варов,подрезов,несплавлешш.

Проведено моделирование' различных вариантов конструкции и технологии изготовления шинтонного узла рамы тележки с целью их совершенствования.Установлено,что напряженное состояние в зоне кругового шва обладает некоторой ассишетрией,причем наиболее жесткая схема остаточных напряжений возникает в направлении продольной оси балки ( бгост- 012ОСТ-320 МПа * бт).В этой зоне преимущественно могут возникать разрушения,что и наблюдается на практике,тем более,что в атом направлении возникают наибольшие циклические нагибные эксплуатационные напряжения.Остаточные пластические деформации £*пТв сварном шве достигают 62, а в направлении продольной оси балки 71.Эти деформации соответственно снижают пластические характеристики металла конструкции.

Изменение толщины втулки шпинтона в возможных пределах (+ 20-25I) приводит к увеличении СГгост, но в малой степени влияет на 0'бост.В то же время увеличились остаточные деформации втулки шпинтона,что нежелательно. Изменение на '407. высоты утолщенной части втулки шпинтона не оказывает существенного влияния на НДС.

Введение в расчетную модель несплавления по вертикальной стенке не приводит к существенному перераспределению остаточных напряжений и концентрации деформаций в этой зоне,так как она оказалась в области сжимающих остаточных напряжений.

При изменении количества проходов при выполнении сварного соединения (с двух до четырех) растягивающие компоненты напряжений несколько возросли ( О0"до +400 Ша) .Значительно умень-

шился размер зоны высоких cf i и £ пл. хотя величина £ IL3 -7.3 Z, что не ниже, чем в исходной варианте.

Проведено исследование кинетики НДС .в зоне шшштонного узла при запрессовке после сварки .Установлено,что уровень остаточных сварочных напряжении в области шинтонного узла значительно снизился. Промоделировано воздействие запрессовки на НДС с различным натягом. Причем,при величине максимального натяга соединения втулка-шпинтон + 0,050,радиальные растягивающее остаточные напряжения в зоне кругового шва снижаются до величины + 80 МПа ,а окружные растягивающие остаточные напряжения до величины + 200 МПа.Это оказывает благоприятное воздействие на НДС в этой зоне.

Четвёртая глава посвящена разработке методик и экспериментальной оценке температурных полей,деформаций и напряжении несущих сварных конструкции вагонов метрополитена.

Для проведения экспериментальных исследований температурных полей в области сварных соединений представлена методика измерений , изготовлено и проведена тарировка специального оборудования о диапазоном измерения температуры от 0 до 1000°С .Метод основан на использовании контактной термопары,что позволяет избежать повреждения поверхности детали и значительно сократить время проведения исследовании по сравнении с методой .основанным на зачеканивании термопар в поверхность детали.Методика и изготовленное оборудование использованы при исследовании нагрева в области сварных соединений при правке рамы тележки вагона метро.

Проведено экспериментальное исследование остаточных сварочных и эксплуатационных напряжений на базе ыагнитоупругого

метода и метода тензсметрирования ,а также сопоставление с результатами расчетов.Установлено,что наибольшее соответствие расчетных и экспериментальных значений радиальных .окружных и осевых напряжений в зоне птинтонных узлов рамы тележки (около 32 ) получено в случае: а) зазора над буртом втулки шшштона; б) увеличенного по сравнению с указанным в заводской документации натяга (0,050 мм) в соединении втулка-шпинтон до величин порядка 0,150 мм. Это может быть вызвано увеличением натяга во время запрессовки .или влиянием дополнительного фактора нагрева рамы тележки при правке;

На основании полученных результатов расчетной и экспериментальной оценки температурных полей .деформации и напряжений выданы и внедрены конкретные рекомендации по совершенствовании конструкции кузова ,а также рамы тележки и технологии ее изготовления.

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1.Установлено,что несущие сварные конструкции кузова вагона метро испытывают сложное нагружение,причём в процессе эксплуатации возможны различные сочетания действукцих нагрузок.

Разработана новая методика и конечно-элементная модель 1-го этапа кузова вагона метро, позволяющая выделить в конструкции зоны концентрации деформаций и напряжении ,а также выполнена расчетная оценка НДС с использованием данной модели.Расчеты выполнены в области условно-упругих деформаций и напряжений.Установлено,что зоной концентрации деформации и напряжений для кузова является хребтовая балка рамы кузова.Максимальные

напряжения возникал! в балке при приложении продольной силы величиной 490 кН.Данный вид нагружения является малоцикловым.

2. Разработана новая методика и конечно-элементная модель 2-го этапа расчета хребтовой балки рамы кузова вагона с целью проведения уточнённой оценки НДС в зонах концентрации деформаций и напряжений,а также совершенствования конструкции по критерию снижения максимальных растягивающих напряжений.

Анализ результатов ' расчетов показал,что условно-упругие нормальные напряжения в элементах швеллера N13 и N35 ,а также примыкающих к ним элементах вертикального листа крепления гнезда автосцепки Н1 и N22, при варианте нагружения продольной силой 490 кН, близки или превышают предел текучести для материалов из которых изготавливается Оалка.При этом, зона концентрации растягивающих напряжений соответствует области начала и окончания флангового таврового сварного шва соединения швеле-ра и вертикального листа крепления гнезда автосцепки хребтовой балки.

3. Выполнено моделирование различных конструктивных вариантов хребтовой балки рамы кузова на базе разработанной КШ 2-го этапа данного узла с целью найти оптимальный вариант конструкции о точки зрения снижения деформаций и напряжений в зонах

; концентрации по сравнению с серийной конструкцией. Установлено,что оптимальным путем совершенствования конструкции хребтовой балки рамы кузова является путь снижения эксцентриситета приложения продольной нагрузки в области гнезда автосцепки,т.е. уменьшение высоты вертикальных листов крепления гнезда.При уменьшена эксцентриситета приложения продольной нагрузки на 90 мм уровень интенсивности напряжений в зонах концентрации снижен

более .чем на 40 X по сравнении с серийным вариантом конструкции, что значительно ниже сгт.Этот конструктивный вариант принят за основу А/0 "Метровагонмаш" при разработке перспективных конструкций вагонов метрополитена на базе алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей.

4. Усовершенствована методика и выполнена оценка ресурса сварных соединений хребтовой балки рамы кузова при ыалоцикловой усталости с использованием программы МСУ .Зона концентрации растягивающих напряжений соответствует наименьшему сечению таврового сварного соединения .служащего для крепления гнезда автосцепки через вертикальные листы к швеллерам хребтовой балки. Программа МСУ была доработана и дополнена для проведения расчетов с использованием 1ВМ-совместимых компьютеров. Отмечено, что расчетная сумма относительных долговечностей в малоцикловой области превышает 1 в случае использования в конструкции хребтовой балки материала ВСтЗ сп или стали 20,и Меньше 1 в случае применения низколегированной стали 09Г2Д.Наблюдается хорошее (менее ЗХ) соответствие расчетных и статистических данных о трещинообразовании в исследуемой зоне .Материал 09Г2Д рекомендован для использования в конструкции серийных вагонов метрополитена 81-717.5 и 81-714.5 и их модификаций.

5.При участии автора разработана методика и использованы алгоритм и программное обеспечение для решения задач теплопроводности и термоупругопластичности применительно к сварным соединениям вагонов с учетом физической и геометрической нелинейности. Методика основана на основных положениях метода конечных элементов для задач термоупругопластичности с использованием теории

пластического течения,ассоциированной с условием текучести Гу-бера-Мизеса.Решение выполняется в квазистатической постановке с учетом предыстории нагружения как на разных шагах по времени при сварке одного шва,так и при многослойной сварке.

Проведено исследование кинетики температурных полей и НДС сварных соединений рам тележек вагонов метрополитена серий 81-717.5 И 81-714.6.

Установлено,что нет реальной возможности благоприятно перераспределить остаточные напряжения в зоне сварных соединений шлинтонных узлов путем конструктивных изменений отдельных деталей. Предложен ряд технологических решений .большинство из которых внедрено в серийном производстве вагонов метрополитена моделей 81-714.5,81-717.5 и их модификаций .

6.Разработана методика,оборудование и проведена экспериментальная ' оценка температурных полей,остаточных сварочных и эксплуатационных напряжении несущих сварных конструкций вагонов метрополитена и сопоставление с результатами расчёта.Для исследований использованы контактные термопары, магнитоупругий метод и метод тензометрии. Отмечено хорошее соответствие результатов расчетов и эксперимента (отличие не более 3-Б X).

7.Разработаны и внедрены в производство рекомендации по совершенствованию конструкции и технологии изготовления вагонов метрополитена .Рекомендации направлены на снижение металлоёмкости несущих сварных конструкций вагонов метрополитена .повышение их прочности,надёжности,снижение затрат на изготовление, техническое обслуживание и ремонт.

Основные положения диссертационной работы 'опубликованы в следующих статьях: •

1. Н.Н.Воронин,С.Н.Киселёв,В.М.Скляров,В.В.Смирнов. Уточнённая оценка напряжённо-деформированного состояния сварных несущих конструкций вагонов метро,изготовленных из проката повышенной прочности. // Повышение механических и эксплуатационных свойств сталей массового производства. : Тез. докл. Всесопзн. науч.- техн. конф. ,7-11 октября 1990 г.- М., 1990. - С.47- 4В.

2. Н.Н.Воронин,С.Н.Киселёв,В.М.Скляров,В.В.Смирнов. Уточнённая оценка напряжённо-деформированного состояния и прочности сварных несущих конструкций вагонов метро о применение« низколегированной стали на основе метода конечных элементов и критериев нелинейной механики разрушения. // Вопросы качества,надёжности, прочности и долговечности машиностроительной продукции. : Tes. докл. 14-ой науч.- техн. конф.- Тверь,1091.- С.60- 62.

3. Смирнов В. В. Разработка конечно-элементных моделей кузова и рамы вагонов метрополитена и их модификаций о уменьшенной металлоёмкостью // Межвуз.сб. науч. тр. / МИИТ.-'19Э1. Вып. 843: Повышение работоспособности деталей,оварных узлов и инструментов железнодорожной техники. - С. 87-94.

4. С.Н.Киселёв,А.С.Киселёв,В.В.Смирнов,А.В.Саврухин. Особенности температурных полей и напряжённо-деформированного состояния при сварке круговых швов в пространственных конструкци-. ях. // Производство и надежность сварных конструкции.: Тез.докл. науч.-техн. конф.стран СНГ.- М.,1993.- С.28.

5. Киселёв С.Н. .Смирнов В.В. .Киселев A.C. Расчётная оценка остаточных напряжений в сварном узле шшштона тележки вагона

метрополитена // Межвуз.сб.научн.тр. / МИИТ.- 1993. Вып.672:110-вышение работоспособности деталей, сварных узлов и инструментов железнодорожной техники.- С.47-52.

6. Киселёв С.Н.,Киселёв A.C..Смирнов В.В..Саврухин A.B. Анализ напряжённо-деформированного состояния в круговых швах рам тележек вагонов метро.// Сварочное производство.- 1993,-N4.- С.19-20.

7. С.Киселёв,А.Киселёв,В.Смирнов. Совершенствование технологии и конструкции сварной тележки вагона метро на базе решения задачи нестационарной термоупругопластичности.// Современные проблемы сварочной науки и техники.:Тез. докл. междунар. науч.-техн. конф.- Ростов-на-Дону,1993.- С.86-В7.

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИИ НЗЮТОВЛЭШЯ

НЕСУЦКХ СВАРНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ВАПХЮВ ЫЕТРОПОЖГЕНА НА ОСНОВЕ УТОЧНЕШЮЙ ОЦЕНКИ НАПРШЙЙЮ-ДЕадРЫИРОЕШПЮГО

СОСТОЯНИЯ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Сдано в набор:.........; Подписано к печати:...............

Формат бумаги:.........;Объвм:....;3аказ:......¡Тираж: 100 экз.

СМИРНОВ ВЯЧЕСЛАВ ВАЛЕНТИНОВИЧ

Типография г. Мытищи