автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование сварных узлов полувагона на основе поэтапных конечноэлементных расчетов их нагруженности

од и и "

'МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ РФ МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(МНИТ)

На правах рукописи

БОГАЧЁВ АндреЯ Юрьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СВАРНЫХ УЗЛОВ ПОЛУВАГОНА НА ОСНОВЕ ПОЭТАПНЫХ КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНЫХ РАСЧЁТОВ ИХ НАГРУЖЕННОСТИ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поеэдов

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 1995

Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщении« (ШИТ)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор •С.Н.КИСЕЛЕВ

Научный консультант : кандидат технических наук Ю.Н.АКСЁНОВ '

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А.А.ХОХЛОВ кандидат технических наук, доцент А.С.КУРКИН

Ведущее предприятие: ПКБ ЦВ МПС

Защита состоится "6 " ¿Ж^гЯ&ЫР 1995 г. в /6 час. на заседании диссертационного совета Д.114.05.05 при Московском . государственном университете путей сообщения но адресу: 101475 ГСП, Москва А-55, ул.Образцова, 15,ауд. N С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат рааослам "" /сол^С^ _ 1995 г.

Отэыв на автореферат.«аверенный печатью, иросим направлять по адресу университета.

Учёный секретарь диссертационного соЕета доктор техн.наук.профессор

В.Н.ФИЛИППОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы: В практике вагоностроения уделяется большое внимание вопросам оценки погруженности вновь проектируемых и находящихся в эксплуатации конструкций.

Наиболее распространенным типом парка грузовых вагонов (~40%), осуществляющим перевозки основных видов сырья и производственных грузов является полувагон.По данным групп надежности ЙКБ ЦВ МПС, полувагон является и наиболее повреждаемым видом подвижного состава, причем значительная честь отказов (~50%) приходится на элементы кузова и рамы,среди которых основное количество отказов (до 90Х) приходится на сварные соединения. При этом, по данным ряда организаций, усталостные трещины начинают возникать в несущих сварных конструкциях, полувагонов уже через 2-3 года эксплуатации. Работоспособность восстановленных вагонов, как правило, иэ-аа низкого качества ремонтных работ, остается на низком уровне и,как показывает статистика,уже черев 3-4 месяца после периодического ремонта в полувагонах возникают трещины,приимущественно в зонах ремонтных сварных швов,которые приходится устранять при текущем отцепочном ремонте. Очевидно, что расчетные схемы кузовов полувагонов должны обеспечивать возможность уточнённой оценки напряжённо-деформированного состояния (НДС) в местах сопряжения отдельных элементов и локальных зонах сварных швов при различных условиях эксплуатации.

Таким образом, еадача совершенствования несущих сварных конструкций кузова полувагона, на основе уточненных методик расчета, является актуальной.

Цель диссертации: Разработка рекомендаций по совершенствованию наиболее повреждаемых в эксплуатации сварных узлов полу-

вагона на основе уточнённых поэтапных конечноэлементных расчетов их нагруженности.

Методика исследования: Для решения поитавленой цели использовался метод конечных элементов (МКЭ), реализованный на базе программного комплекса "АСТРА".

При разработке и реализации методик использовались основные положения МКЭ, теории упругости, а также матеметическое моделирование НДС на ЭБМ. Достоверность результатов определялась сравнением полученных данных с результатами аналитического расчета и экспериментов.

Научная новизна: Разработаны методики и программное обеспечение для проведения комплекса поэтапных конечноэлементных расчетов сварных конструкций вагонов, которые позволяют оценить НДС от эксплуатационных нагрузок как конструкции в целом, так и отдельных сварных швов и зон локальной концентрации напряжений и деформаций. Разработаны методики полуавтоматизированного поэтапного расчета при переходах: а) от стержневой конечноэле^нт-ной модели (КЭМ) к пространственной; б) от пространственной КЭМ к пространственной с большим сгущением сетки; в) от пластинчато-стержневой КЭМ к пространственной; г) от пространственной КЭМ к объемной.

Разработана методика и программное обеспечение для расчета сварных уэлов конструкций вагонов ири переменном усилии контакта между поверхностями отдельных элементов,имеющих нахлесточные сварные либо дуговые проплавные соединения. Использование разработанной методики позволяет получить более точную оценку НДС сварных соединений с учетом реальной площади их взаимодействия.

Практическая ценность: На основе разработанных методик полуавтоматизированного поэтапного перехода для расчета сварных

конструкций полувагонов от эксплуатационных нагрузок и методики расчета сварных конструкций полувагонов при переменном усилии контакта, созданы программы,включенные в ПК АСТРА и расширяющие возможности его использования.

Разработан комплекс КЭМ, включающий в себя: пластинчато-стержневую КЭМ полувагона, пространственные КЭМ вариантов узла заделки промежуточной стойки (УЗПС), объемные КЭМ наиболее нагруженных зон узла,позволяющие проводить последовательную оценку нагруженности сварных конструкций полувагона от аксплуатацион-ных нагрузок, достигая локальной воны отдельных сварных швов. Разработанные КЭМ использовались на ГПО "УРАЛВАГ0НЗАВ0Д".

Рекомендовано изменить конструкцию соединительной накладки в зоне округления горизонтальной и наклонной частей по радиусу !?=90мм, а не 15мм, как в серийном варианте. Для ремонта эксплуатируемых в настоящее время полувагонов,рекомендуется использовать перспективный вариант УЗПС с уменьшенными вырезами в полках при отсутствии злектрозаклепок.а для вновь строящихся полувагонов использовать новый швеллерообразный профиль стойки. Предложенные рекомендации используются в процессе модернизации стойки на ГПО "УРАЛВАГОНЗАВ0Д".

Апробация работы:Результаты работы доложены на Международной научно-технической конференции "Сварные конструкции" (Киев, 1990г.);Международной научно-технической конференции "Современные проблемы сварочной науки и техники"(Ростов-на-Дону,1993г.); на конференции "Неделя науки - 93" (Москва,МИИТ,1993г.); на заседании научно-технического семинара кафедры"Технология. сварки, материаловедение и износостойкость деталей машин"(Москва,1995г).

Публикации:По материалам диссертации опубликовано 8 работ.

Объём работы: Диссертация'состоит из введения, четырех

глав, общих выводов и списка литературы. Изложена на 150 листах машинописного текста, содержит 69 рисунков, 4 таблицы, 94 наименования литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена аналиву литературных данных о современных расчетных и экспериментальных методах оценки нагружен-ности сварных конструкций вагонов, а также сварных соединений с учетом реальной геометрии и дефектов сварных швов.

Большой вклад в разработку методов расчета прочности и работоспособности вагонных конструкций внесли такие ученые как C.B.Вертинский,М.В.Винокуров, В. H.Данилов,И.П.Исаев, В.H.Котура-нов, Е.Н.Никольский, Л.Н.Никольский, Н.Н.Овечников, П.А.Устич, В.Н.Филиппов, А.А.Хохлов, В.Д.Хусидов, Л.А.Шадур.Н.Н.Шапошников и другие исследователи.

Результаты анализа данных натурных обследований различных вагонных конструкций подтверждают, что местом зарождения трещин являются области повышенной концентрации напряжений. Наиболее часто встречающимися концентраторами являются различные сварные швы и дефекты в них, на долю которых в эксплуатации приходится большое количество усталостных трещин.

Сделан вывод о том,что использование МКЭ совместно с методикой поэтапного расчета (МПР) является наиболее целесообраз-

»

ным.для определения НДС таких сложных конструкций, какими являются конструкции подвижного состава. Такой подход позволяет * последовательно исследовать работу конструкции, и определять наиболее работоспособный вариант, учитывая НДС локальной зоны сварного '¿sa. а оценку н&гру.+.еккости и определение места зарож-

дения трещины проводить по результатам анализа расчетных напряжений, действующих в элементах конструкции.

Во лторой главе разработана методика и программное обеспечение конечноэлементного расчета НДС от эксплуатационных нагрузок в вонах характерных концентраторов сварных конструкций полувагонов, при использовании комплекса АСТРА, краткая характеристика которого изложена во вступлении к главе.

Сформулированы основные положения МПР.На первом этапе разрабатывается полная КЭМ конструкции, которая имеет упрощения в виде: аппроксимации балочных деталей стержневыми КЭ;упрощенного учета геометрии отдельных деталей, схем нагружения и т.д. После расчета КЗМ Г-го этапа, определяются наиболее нагруженные зоны, для которых разрабатывается КЭМ следующего этапа с увеличением степени дискретизации. Такой переход от. этапа к этапу производится до тех пор, пока не будет достигнута интересующая локальная зона,с достаточной дискретизацией,для ее уточненного анализа. В процессе такого моделирования возможны различные случаи поэтапного перехода, когда производится передача связующих данных об ориентации КЗМ, оиисанных ¿1 разных системах координат, преобразование граничных условий (ГУ) корневых узлов (принадлежащих обоим КЗМ) предыдущей КЭМ в соответствии . с количеством степеней свободы последующей КЗМ и интерполяция ГУ от корневых уэлов сечения предыдущей КЭМ, на промежуточные узлы подсечения последующей. Для повышения эффективности МПР сделан вывод о необходимости частичной автоматизации межэтапных переходов.

Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для полуавтоматизированных поэтапных переходов: а) от стержневой КЗМ к пространственной; б) от пространственной КЭМ к пространственной с • большим сгущением сетки; - \ в)'от пластинчато-стержневой КЗМ к

пространственной.

По результатам сравнения расчетов тестовых КЭМ с аналитическими решениями,установлено, что дли перераспределения ГУ на .узлы сечения КЭМ следующего этапа целесообразно использовать перемещения, т.к. результаты расчетов тестов показали большую точность, а различия в длине КЭМ,количестве КЗ в зоне сечения и размерности сетки практически не оказали влияния. Снимается вопрос и о кинематической неподвижности КЭМ.

При переходе от стержневой к пространственной КЭМ для аппроксимации перемещений использована гипотиза плоских сечений и недеформируемости контура поперечного сечения, на основании которых проводился пересчет перемещений по следующим зависимостям:

1Ьпл" ист + Фуст' (СМ,) - Фист" (0У3) , Узпл- Уст " Фис.т' (СМ,) + Ф*,ст' (0и,) ,

( 1.)

^¿пл- Мст + фист- (0У3) - Фуст' (0и3) . <Ршпл" Фист> Фу1пл" <Руст> Ф^]пл" Фадст .

где изпл.Ущл.И^пл. Физпл. «Уузпл. Ф*ипл - линейные и угловые смещения ¿-той точки контура сечения пластинчатой модели относительно осей и,У и И местной системы координат; ист'^ст.Мст» <?ист> ЧЧ>с-£> 9«ст " вектор перемещений центра

тяжести стержневого конечного элемента: (011), (0У:), (0'»/^) - расстояния от ценлра тяжести до з -той точки сечения стержня по осям и,У и

Для аппроксимации перемещений на большее количество узлов (промежуточные узлы), при переходе от пространственной КЭМ к пространственной, с более густой сеткой, использовано уравнение квадратной параболы, с дополнительным осреднением коэффициентов по соседним подсечениям, поскольку линия перемещений по сечению изменяется плавно, без точек разрыва, что особенно важно в во-нах с высоким градиентом перемещений. При объединении методик а) и б) для перехода от пластинчато-стержневой к пространственной 'КЗМ, в случае, когда з сечении имеются узлы, принадлежащие стержню и пластине,перемещения узлов пространственных КЭ 1-го этапа заменяются, перемещениями, пересчитанными от перехода а), в связи с неточной аппроксимацией КЭМ первого этапа.

Изложена методика поэтапного перехода от пространственной к объемной КЭМ,разработанная при непосредственном участии автора. Для повышения точности расчета при интерполяции .перемещений от корневых узлов пространственной КЗМ на промежуточные увлы подсечений объемной КЭМ использован неполный полином 3-й степени, и решается система из 8-ми уравнений вида:

А-Х12+В-У12+С-Х1 •у)+0-Х1+Е-у)+Р+6-Х12-у1+Р'Х1 -у12-яь (2)

где А,В,С,0,Е,Р,6,Р - искомые коэффициенты уравнения поверхности уровня перемещений для текущего подсечения;

>4 > У1 ~ координаты корневых узлов (при ¿=1+8), в местной системе координат текущего сечения; - компоненты перемещений корневых узлов (при 1-1+8).

, Для криволинейных областей дополнительно использованы ва-висимости. с учетом криволинейных координат. Анализ результатов расчетов тестовых. КЭМ подтверждает . корректность - разработанных алгоритмов. Реализованные алгоритмы включены в ПК АСТРА. ■

Проведено тестирование конечноэлементной базы комплекса АСТРА, основное внимание уделено оценке сходимости к точному решению и определение влияния соотношения сторон КЭ.Сделан вывод, что при выборе степени дискретизации КЗМ необходимо пользоваться результатами решения тестовых задач для соответствующих типов КЭ, а при моделировании конструкций со сложной геометрией. испытывающих сложные виды нагружений, рекомендуется применять КЭ с соотношением сторой. не превышающим 1:2.

Третья глаза посвящена разработке методики расчета сварных узлов конструкций вагонов при переменном усилии контакта между поверхностями отдельных элементов.

Для учета реальной площади контакта при сложных видах наг-ружения сварных конструкций вагонов, имеющих нахлесточные сварные соединения либо дугоЕые проплавные соединения, необходимо обеспечить одностороннюю связь между сопряженными углами листовых элементов, которая бы препятствовала взаимному сближению углов модели, но позволяла бы им расходиться.

Было признано целесообразным использование итерационного процесса с введением в расчет специальных элементов - односторонних матриц связи (ОМС), обеспечивающих изменение взаимодействия сопрягаемых узлов KSM в зависимости от направления их взаимного смещения на каждой итерации. Решение поставленной задачи на основе организации итерационного процесса возможно двумя способами: а) изменением жесткости односторонних матриц связи; б) введением в сопрнгаемые'узлы КЗМ и последующей корректировкой фиктивных взаимно уравновешенных усилий. Использование вто' poro подхода дает преимущество во времени счета,т.к. на каждой итерации ке требуется проводить повторные операции переформировки и факторизации.глобальной матрицы жесткости конструкции.

Установлено, что выбор жесткости ОМС целесообразно производить с учетом реачьной жесткости сопряженных узлов,полученной из глобальной матрицы жесткости конструкции. При построении алгоритма итерационного процесса учтены различные направления взаимных смещений узлов ОМС на текущем и предыдущем шагах итераций. Для обеспечения более быстрой сходимости и устранения зацикливания процесса в расчете взаимно уравновешенных сил использованы специальные корректирующие коэффициенты.

• С учетом вышеизложенного, величины взаимно уравновешенных сил вычислялись по следующим зависимостям:.

Р1 - 0 , при ЛрО; Р1-1-О,

Р1 - Дгч , при Д(<0; Д1-1>0; Р1-1=0,

Р1 - Р1-1 " Л) -ц- (1+к) , при Д;<0; Дз-1<0; Р^^О ( 3 )

или Д1>0; Р^-гЮ,

Р( - Р1-1 - Д1-ч-(1-к) , при ¿¡>0; Р1-1/О

или Д^О; Д1 -1>0; Р^г^О,

где Р1 - величина взаимно уравновешенных сил, прикладываемых в узлы ОМС на текущем шаге итераций;

Р)-1 - величина взаимно уравновешенных сил, приложенных в узлы ОМС на предыдущем шаге итераций;

Д, - величина взаимного смещения двух сопряженных узлов ОМС на текущем шаге итераций;

Д{-1 - величина взаимного смещения двух сопряженных узлов

ОМС на предыдущем шаге итераций; ^ - величина жесткости ОМС;

к - корректирующий коэффициент.

Разработаный алгоритм программно реализован, апробирован на' тестовых КЗМ. результаты которых подтверждают его коррект-

- 12 -

ность и введен специальным блоком в ПК АСТРА.

Четвертая глава посвящена совершенствованию сварных узлов полувагона на основе применения методики уточненного расчета.

В соответствии с принятой методикой поэтапного расчета,для уточненной оценки НДС отдельных элементов кузова полувагона, на 1-м зтапе разработана КЗМ кузова полувагона в целом, представленная на рис. 1а,которая "с достаточной точностью,аппроксимирует кувов полувагона и позволяет вести- расчет практически от любого вида и сочетания эксплуатационных нагрузок.При расчете рассматривались схемы нагружения КЭМ максимально приближенные к реально действующим в эксплуатации и оказывающие наибольшее влияние на наиболее повреждаемый узел ЗПС.

В качестве первой расчетной схемы принят режим одновременного действия вертикальных нагрузок и распора сыпучим грузом, соответствующих II1-му нормативному режиму нагружения.В качестве второй расчетной схемы нагружения,принято суммарное действие вертикальных нагрузок, распора сыпучим грузом и продольных нагрузок от сил инерции, соответствующих 1-му нормативному режиму. Для данных схем проведен уточненный расчет нагрузок, с учетом распределения веса отдельных элементов конструкции полувагона, веса груза и других нагрузок на соответствующие КЭ.

Установлено, что наиболее нагруженными элементами полувагона, при первой схеме нагружения, являются узлы ваделок стоек боковой стены. Растягивающие напряжения бг в зоне над верхней частью нижнего обвязочного уголка в заделках шкворневой, первой и второй промежуточных стоек составили соответственно 87МПа, 139МПа и 154МПа,а сжимгйщие напряжении,соответственно, -221МПа, -271МПа и -ЗОЗМПа. Максимальные растягивающие напряжения в акворневых балках действуют в районе пятника бу=159>/Па,а а пер-

Пластинчато-стержневая К 3-М кузова полувагона (а) и ее деформированная под нагрузкой схема (б)

Количество реальных узлов 962 Количество конечных элементов: стеряневых 700 пластинчатых 756 матриц связей 40

а)

Г

Мае а та б де^о сматл?. про. '

6)

Рис. Г

вой и второй промежуточных балках - в районе сторк (ПбМПа и 129МПа соответственно).В хребтовой балке действуют незначительные напряжении.достигающие максимума в районе пятника бх=Э7МПа.

На рис.16 представлена деформированная схема полувагона.

<

При второй схеме нагружения наиболее нагруженной частью полувагона являются элементы торцевой стены.В концевой балке, в сечении примыкающем к хребтовой балке, максимальные напряжения бу достигают +241МПа (б| = 260 МПа). Наиболее высокие напряжения бу=+261МПа,действуют в среднем поясе.В нилних полустойках в зоне концевой балки,напряжения 6?, достигают +198МПа и -252МПа.

В связи с высоким уровнем напряжений в торцевой стене, по согласованию с ПО "УРАЛЗАГОНЗАВОД", проведен расчет ряда ее вариантов, которые отличались различной схемой расстановки полустоек. Установлено, что простым переносом местоположения полустоек, без изменения их сечений, затруднительно добиться существенного улучшения НДС во всех наиболее нагруженных э. ¿ментах торцевой стены.

С целью уточненной оценки НДС наиболее нагруженного у8ла ЗПС, с учетом изложенных в главах 2 и 3 методик, разработана пространственная КЭМ 2-го этапа (см.рис.2а), которая отражает практически все его конструктивные особенности и позволяет оценить НДС от любых видов эксплуатационных нагрузок. Параметры разработанной КЭМ УЗПС следующие: количество реальных узлов 1656; общее количество КЗ 1943.

Общая оценка НДС по результатам расчета пространственной КЭМ УЗПС свидетельствует о .значительной неравномерности распределения напряжений. Установлено, что максимальные растягивающие напряжения возникают в верхней части соединительной накладки 4 по сечению ее приварки к обвязочному уголку '(см. рис. 26 шов Г}),

Конечноэлементдая модель узла зацелки промежуточной стойки (а) и эпюры нормальных напряжений,действуищие в его элементах (б)

Омвгообразная стойка í

Соединительная накладка 4

Л

Промежуточная, балка (5,6,1)

Обшиза 9

Элекгро-заклепки 10

Обвязочный уголок з

Вертикальная планка 2.

Горизонтальная планка а

Ч9Г

МП*.

-т

сечение Йв зона сварного шва Г/ > КЭ соединительной накладки А

Рис.«

сечение/-/ КЭ стойки / и планки 2

165й 1!5 № <87 Ш

- 16 -

где максимальные напряжения бх=+301 МПа.

Проведено сопоставление НДС поэтапной КЭМ УЭПС с результатами расчета упрощенных пластинчато-стержневых КЭМ, и КЭМ без

учета ОМС. В сечениях удаленных от зон концентрации напряжений

«

результаты хорошо согласуются между собой. НДС КЭМ с использованием ОМС более точно отражает работу элементов,сопряженных,но не связанных по плоскости. Установлено,что неучет односторонних связей, для сложных конструкций полувагонов, имеющих элементы, соединенные нахлесточными сварными швами,либо проплавными дуговыми соединениями, приводит к отличию в величинах напряжений, например,для воны сварного шва Г1 на 20+30%. Аналив результатов показал корректность разработанной пространственной КЭМ УЗПС и подтвердил достоверность разработанных в главах 2 и 3 методик.

Для разработки предложений по совершенствованию УЗПС и сравнения с результатами испытаний, в КЭМ УЗПС были внесены изменения и разработаны 10 вариантов КЭМ, некоторые из которых представлении на рис.3. Общие изменения для всех вновь разработанных КЭМ касались увеличения высоты моделируемой части стойки, введения в КЭМ опорной плиты крепления 11, а также удаления части элементов обшивы 9 и обвязочного уГолка 3. В КЭМ, представленной на рис.За изменена схема расстановки электрозаклепок 10, соединяющих обвязочный уголок 3 и вертикальную планку 2 в воне сварного шва И. Другой вариант, (см.рис.36) отличается измененной конструкцией соединительной накладки 4, которая выполнена с более плавным сопряжением листов по радиусу 1?=90мм. В варианте по рис.Зв смоделирован вырез.в полке стойки 1, . в зоне ,ее приварки к Обвязочному уголку 3. На рис.Зг изображен вариант-КЭМ-с 'швеллерообразной стойкой 1. Моделировались . - варианты :УЗПС' с.приподнятой на 20мм соединительной накладкой,- как для стойки

- 17 -

Фрагменты пространственных КЭМ вариантов узла ЗПС

зона возникновения трещины по сварному иву Г<

А

твзллерообразная стойка 4

зона возникновения ^Б грешны по св.зву А

Рис.3

омегообразного, так и швеллерообразного профиля, а также варианты с измененной схемой расстановки электроваклепок и бее них.

Проведено сопоставление результатов расчетов вышеуказанны) КЭМ с результами натурных испытаний узлов, соответствующих arm моделям, выполненых Уральским отделением ВНИИЖТ. Сделан вывод с согласованности зон действия максимальных напряжений, с зонам! возникновения трещин при усталостных испытаниях. Усталостны* трещины возникают в зоне перегиба сварного шва Ti приварки соединительной накладки к обвязочному уголку для варианта УЗПС пс рис.За, и по сварному шву А в зоне пересечения вырезов в полка.4 стойки и соединительной накладки для варианта УЗПС по рис.Зв. Причем, максимальная интенсивность напряжений для первого варианта УЗПС больше, чем для варианта по рис.3.в и соответственнс возникновение усталостной трещины- произошло раньше (12С тыс.циклов и 200 тыс.циклов соответственно).

Подтверждена высокая неравномерность распределена напря жений в зонах сварных швов А,Б и rj (см.рис.2).что связано общей схемой работы элементов данного узла. Наилучшие результа ты при использовании омегообразной стойки получены у предложен ного варианта со скругленной (по R=90mm) накладкой (см.рис.36) Удовлетворительное НДС отмечено в УЗПС с вырезами в пол ках(см.рис.Зв), который при уменьшении ширины вырёва полок, ре комендуется для ремонта УЗПС. Наиболее перспективным вариан том,и дающим наилучшие результаты в части НДС шва Г},являете; вариант со швеллерообразным профилем стойки (см.рис.Зг).

С целью уточненной оценки НДС в локальных зонах отдельны; сварных швов с'учетом полного тензора напряжений.из пространственных КЭМ УЗПС 2-го этапа выделен фрагмент, конструкции.включа ющий все зоны,требующие'уточненной оценки НДС.• Разработаны объ

емные КЭМ 3-го этапа двух конструктивных вариантов исполнения УЗПС, которые с высокой степенью точности описывают геометрию и характерные особенности фрагмента уела. Объемными КЭ смоделированы сварные швы с учетом их реальной геометрии и проплавления (см.рис.4). Объемная КЭМ, соответствующая варианту пространственной КЭМ по рис.За, состоит из 474 объемных 20-ти узловых КЭ и 354 ОМС, при общем количестве степеней свободы 10273. Объемная КЭМ со швеллерообраэным профилем стойки состоит из 433 объемных 20-ти узловых КЭ и 307 ОМС (9428 степени свободы). При расчете объемных КЭМ использованы методика и программное обеспечение, изложенные в главе 2. Проведено сопоставление НДС,рассчитанного по КЭМ 2-го и 3-го этапов, которое показало корректность разработанных объемных КЗМ (различие в напряжениях < 7%).

Для объемных КЭМ УЗПС в основном подтверждены выводы, сде-1анные ранее мри анализе пространственных КЭМ. В частности, для инструктивного варианта по рис. За подтверждается вывод о высо-;ой натруленности сварного шва Г} (61 »368 МПа) в воне верхнего !ерегиба соединительной накладки 4. Интенсивность напряжений в парных швах А, Б и В значительно ниже и не превышает соответс-венко ИОМПа, 157МПа и 140МПа. На рис.46 приведена деформиро-анная под нагрузкой объемная КЭМ УЗПС, где наглядно видно, что а НДС сварного шва Г} и его околошовной' зоны существенное вли-ние оказывает недостаточная изгибная жесткость вертикальной олки обвязочного уголка, которая, в зоне сопряжения с соедини-гльной накладкой, имеет максимальные деформации.

По результатам расчета объемной КЭМ с швеллерообразной гайкой установлено, что НДС сварного шва Г-1 и его околошовной >ны также существенно ьыше нагруденнооти остальных швов.нолри ■ом максимальная интенсивность напряжений в зоне шва Г^ нн 202

.Объемная КЭ.1 фрагмента узла ЗПС (а) и ее деформированная под нагрузкой схема (б)

Рис.4

ке, при этом наблюдается более равномерное его нагружение. На ювании этого, сделан вывод, что прочность и работоспособ-:ть нового варианта узла ЗПС выше серийного. Указанные выше •сомендации по совершенствованию конструкции УЗПС полувагона гдрены на ГП0"УРАЛВАГ0НЗАВ0Д".

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана методика и программное обеспечение для про-цения комплекса конечноэлементных расчетов сварных конструк-й полувагонов с поэтапным переходом от оценки НДС всей конс-укции при эксплуатационном нагружении к локальным зонам кон-нтрации деформаций и напряжений.

Методика включает в себя алгоритмы расчетов основных типов луавтомативированных поэтапных переходов, а также конечнозле-нтные модели кузова полувагона, вариантов узла ЗПС и КЭМ наи-лее нагруженных зон и сварных соединений этого узла. Разрабб-нные КЭМ использовались на ГПО "УРАЛВАГ0НЗАВ0Д".

2.Установлено, что при одновременном действии вертикальных грузок и распора сыпучим грузом (II 1-й нормативный режим наг-женин), наиболее нагруженным элементом кузова полувагона яв-ется узел заделки второй промежуточной стойки, в котором на овне верхней части обвязочного уголка нормальные напряжения .стяжении бг достигают +164 МПа, а сжатия -303 МПа.

3. Разработана методика расчета сварных конструкций ваго-|В при переменном усилии контакта между поверхностями отдель-IX алементов, обеспечивающая корректную оценку НДС при расче-IX нахлесточных сварных и дуговых проплавных соединений с уче->м реальной площади и схемы их ъъаимодействия. Методика ььллч-

чается в использовании итерационного процесса с .введением ] расчет специальных элементов - односторонних матриц связи, ] углы которых прикладываются взаимно уравновешенные силы, чт< обеспечивает изменение взаимодействия сопрягаемых узлов, в зависимости от направления их взаимного смещения. Программно реализований алгоритм включен в ПК АСТРА и использован при оценю нагруженностй узла ЗПС.

4. Разработан комплекс пространственных КЭМ 10 конструктивных вариантов исполнения УЗПС и проведено численное моделирование, что позволило выявить характер работы этого узла, е также взаимосвязь и степень взаимного влияния отдельных егс элементов друг на друга.

Для серийного омегообраэного профиля стойки предложено изменить конструкцию соединительной накладки 4 (см.рис.36) и выполнять ее с большим округлением горизонтальной и наклонной частей по радиусу (?-90мм, а не 15мм,как в серийном варианте,что обеспечивает снижение максимальной интенсивности напряжений в наиболее нагруженном сварном шве Г1 на 15+18Х. Для ремонта эксплуатируемых в настоящее время полувагонов, рекомендуется вариант УЗПС цо рис.Зв, но с уменьшенными ьырезами в полках. Наиболее перспективным вариантом из всех рассмотренных, и дающим наилучшие результаты в части НДС наиболее нагружённого шва Г}, является вариант стойки с новым швеллерообразным профилем стойки (см.рис.Зг).

5. Проведенное моделирование НДС по объемным КЭМ УЗПС позволило исследовать воны локальной концентрации напряжений и деформаций с учетом реальной геометрии сварных швов. Анализ НДС подтвердил вывод о существенно более высокой нагруженности сварного шва Гь по сравнению с зонами других сварных швоь.

Установлено, что для варианта со швеллерообраэным профилем стойки (как по рис.Зг) распределение напряжений в сварном шве Г-i более равномерно, а максимальная интенсивность напряжений на 20Z ниже, чем в серийном варианте, на основании чего сделан вывод, что прочность и работоспособность нового варианта узла ЗПС выше серийного.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих статьлх:

1. Скляров В.М..Воронин H.H. .Богачев А.Ю. Повышение работоспособности сварных узлов промежуточных стоек полувагонов при ремонте // Медвуз.сб.науч.тр. / МШТ. - 1988.-. Вып.800: Повышение работоспособности деталей, сварных увлов и инструментов железнодорожной техники. - С.49-56.

2. Киселев С.Н., Аксенов Ю.Н., Смирнов В.Ю., Богачев А.Ю. Программное обеспечение для конечноэлементного анализа НДС сварных конструкций. // Сварные конструкции.: Тез.докл. между-нар. науч.-техн. конф. - Киев. 1990. - С.111-112.

3. Богачев А.Ю..Смирнов В.Ю..Аксенов Ю.Н. Оценка нагружен-ности сварных соединений полувагона модели 12-132 на основе конечноэлементного анализа // Межвуз.сб.науч.тр. / МИИТ.- 1991.-Вып.843: Повышение работоспособности деталей, сварных узлов и инструментов железнодорожной техники. - С.66-76.

4. Аксенов Ю.Н..Киселев С..Н..Смирнов В.Ю..Богачев А.Ю. Методика расчета сварных конструкций в локальных зонах концентрации деформаций //Межвуз.сб.науч.тр./МАСИ.- 1993.- Стабильность, качество и работоспособность сварных конструкций. - С.55-59.

5. Киселев С.Н.,Аксенов Ю.Н..Смирнов В.Ю..Богачев А.Ю. Me-

тодика расчета сварных конструкций при переменной величине усилий контакта между поверхностями отдельных элементов.// Сварочное производство. 1993. N 4. С.31-33.

6. Аксенов Ю.Н..Смирнов В.Ю..Богачев А.Ю. Сравнительный конечноэлементный анализ нагруженности сварных швов различных вариантов узла наделки промежуточной стойки полувагона // Меж-вуе.сб.науч.тр. / МШТ. - 1993,- Вып.872: Повышение работоспособности деталей, сварных узлов и инструментов железнодорожной техники. - С.96-105.

7. Киселев С.Н.,Петров С.Ю. .Аксенов Ю.Н.,Смирнов В.Ю,Богачев А.Ю. Оценка прочности сварных конструкций на основе использования критерия удельной энергии деформации и метод поэтапного расчета.//Современные проблемы сварочной науки и техники.: Тев. докл.междунар.науч.-техн.конф. - Растов-на-Дону,1993.- С.84-85.

8. Киселев С.Н., Аксенов Ю.Н., Смирнов В.Ю. , Богачев А.Ю. Программно-методическое обеспечение и расчет напряженно-Деформированного состояния сложных конструкций.// Сварочное производство. 1995. N 3. С.26-30.

<

БОГАЧЕВ АНДРЕЙ ЮРЬЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СВАРНЫХ УЗЛОВ ПОЛУВАГОНА НА ОСНОВЕ ПОЭТАПНЫХ КОНЕЧНОЭЛЕМЕНТНЫХ РАСЧЁТОВ ИХ НАГРУЖЕННОСТИ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Сдано в набор: . О.?, 09.УХ:. Подписано к печати:. 0?. 0&35-..... Формат бумаги: '.Объем: /;^Г;Закаэ: ;Тираж: 100 экз..

Типография МИИТа, 10147о,ГСП,г.Москва.А-Ь5,ул. Образцова,15