автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Сравнительная оценка методов исследования напряженно-деформированного состояния элементов вагона при продольных динамических воздействиях

На правах рукописи

ИЗРАИЛЕВ Владимир Яковлевич

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВАГОНА ПРИ ПРОДОЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Брянск 1997

Работа выполнена в Брянском государственном техническом университете

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Кеглин Б.Г.

Научные консультанты - кандидат технических наук, доцент

Шлюшенков А.П. кандидат технических наук, доцент Ольшевский A.A., Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Ведущее предприятие - Главное управление вагонного хозяйства

Защита состоится 20 января 1998 года в 14 часов в аудитории № 221 на заседании диссертационного совета Д 063.28.01 Брянского государа венного технического университета по адресу: г. Брянск, бульвар им. 5( летия Октября, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Брянского госуда; ственного технического университета.

Автореферат разослан 20 декабря 1997 г.

Ученый секретарь

Лозбинев В.П.,

кандидат технических наук Федосюк И.Е.

МПС

Диссертационного совета д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Актуальность темы объясняется повреждаемостью подвижного состава. При создании и эксплуатации большинства транспортных машин много внимания уделяется процессам их ударного на-гружения. Вагоны испытывают ударные взаимодействия при маневровых соударениях и при переходных режимах движения поездов. -

Интенсификация работы железнодорожного транспорта сопровождается усилением ударных воздействий на грузовой вагон. Это обуславливается в поездной работе возрастанием в несколько раз массы поездов, их длины и скорости движения; при маневровых операциях ускорением роспуска вагонов на сортировочных горках, увеличением массы соударяемых вагонов. Правилами технической эксплуатации допускаются скорости соударения вагонов до 5 км/ч. Однако, фактические скорости соударения значительно выше. Практически на всех автоматизированных горках число соударений отцепов со скоростью более 5 км/ч еще выше и составляет 90%. Вследствие этого увеличивается повреждаемость вагонов, количество и объемы внеплановых ремонтов, повышается вероятность браков и аварий. Затраты на ремонт подвижного состава железных дорог через 5 лет эксплуатации соизмеримы с его стоимостью. Характерно, что ударные воздействия отрицательно влияют не только на несущие элементы конструкции вагона, но и на навесное оборудование вагонов. К примеру, тормозная воздушная магистраль подвержена действию инерционных нагрузок, что может вызвать нарушение плотности и обрыв крепежных деталей, общеизвестны повреждения холодильного оборудования вагонов, вызванные ударами и т.д.

В силу рассмотренных эксплуатационных причин возрастают требования к методам расчета конструкций вагона. Эти методы должны базироваться, с одной стороны, на уточнении расчетных схем кузовов вагонов и вместе с тем учитывать возникающие в процессе удара переменные силы, передающиеся на конструкцию вагона через автосцепку. Характер возникающих сил в свою очередь зависит от автоколебательных процессов, происходящих во фрикционных поглощающих аппаратах, и от волновых про-

цессов, протекающих в кузове вагона. Создание методики, позволяющей учесть изложенные явления, возможно на базе МКЭ с использованием математических моделей амортизаторов ударов подвижного состава с последующим подключением процедур динамического анализа в зависимости от решаемой задачи.

Целью работы является разработка уточненной методики расчета напряженно-деформированного состояния элементов вагона, оценка точности и определение диапазонов применения широко распространенных до настоящего времени квазистатических методов расчета задачи продольной динамики вагона. Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:

- провести анализ задач, связанных с оценкой прочности и надежности элементов вагона, рассмотреть существующие методы и подходы к решению проблем продольной динамики вагона, выполнить анализ существующих численных методов;

- разработать методику определения напряженно-деформированного состояния элементов вагона для расчета динамической нагруженности транспортных машин, а также разработать необходимое программное обеспечение, провести его тестирование;

- выполнить проверку адекватности математической модели и реальногс объекта путем сопоставления расчета и натурного эксперимента;

- исследовать релаксационные колебания при континуальной расчетное схеме вагона и безынерционной модели фрикционного поглощающей аппарата;

- выполнить сравнительную оценку динамического и квазистатическоп подходов к решению задачи продольной динамики вагона в детермини рованной и стохастической постановке, связанную с условиями еп эксплуатации.

Методика исследования. Для решения поставленной задачи ис пользовались методы математического моделирования, базирующиеся н применении метода конечных элементов в динамике с обработкой резул!

татов, основывающейся на математической статистике и теории случайных функций.

При разработке математического обеспечения использовались результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния элементов вагона при продольных соударениях и результаты экспериментальных исследований процессов, протекающих при сжатии фрикционных амортизаторов удара.

Научная новизна исследований, проведенных соискателем и выносимых на защиту, заключается в следующем:

- разработана уточненная методика оценки напряженно-деформированного состояния кузовов вагонов при нестационарном на-гружении, выполнено подробное сопоставление расчетов по определяемой методике с известными теоретическими решениями и экспериментальными данными;

- впервые рассмотрена задача определения условий возникновения фрикционных релаксационных автоколебаний в континуальных системах и в частности при ударе вагона, оснащенного фрикционным поглощающим аппаратом;

- выполнен сравнительный анализ применимости квазистатического и динамического подходов в различных задачах оценки напряженно-деформированного состояния при продольных нагружениях: при однократном нагружении, при стохастическом нагружении, при оценке ресурса.

Практическая ценность. Создан пакет прикладных программ МКЭ для расчета динамической нагруженности транспортных машин, состоящий из независимых процедур создания модели исследуемой системы, процедур динамического анализа и процедур статистической обработки результатов расчетов;

Разработана расчетная схема цельнометаллического крытого грузового вагона.

Результаты работы при внедрении новых типов вагонов или модернизации существующих позволяют снизить затраты на проведение натурных

испытаний конструкции. Ориентировочный экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 85 миллионов рублей на один тип внедряемого вагона.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертации докладывались на:

IX Международной конференции "Проблемы механики железнодорожного транспорта. Динамика, надежность и безопасность подвижного состава" (Днепропетровск, 1996 г.),

III международной научно-технической конференции "Вибрационные машины и технологии". (Курск, 1997).

Публикации. Основные результаты исследования отражены в 5 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы, включающего 88 наименований. Работа содержит 146 страниц, включающих 62 рисунка, 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе изложен обзор работ в области оценки нагружен ности вагона продольными силами, сформулированы цель и соответствую щие ей задачи исследования.

Теоретическому исследованию продольной динамики вагона посвящень работы C.B. Верши некого, П.Т. Гребенюка, C.B. Дуваляна В.Г. Иноземцева, Б.Г. Кеглина, JI.H. Никольского, H.A. Панькина П.А. Устича, В.Д. Хусидова, Ю.М. Черкашина и других. Важное место i комплексе этих работ занимают труды коллектива ученых Днепропетров ского государственного университета путей сообщения (ДИИТ) под руко водством В.А. Лазаряна и его последователей Е.П. Блохина JI.A. Манашкина, ЕЛ. Стамблера, Н.М. Хачапуридзе, A.B. Юрченко и др В результате этих исследований был разработан ряд аналитических мет с дов расчета, позволяющих проводить качественный анализ динамически процессов.

При теоретическом исследовании задачи продольной динамики вагона, помимо расчетной модели вагона важным компонентом является используемая математическая модель амортизатора удара, учитывающая особенности силовой характеристики. Значительные исследования по определению характеристик фрикционных амортизаторов удара, влиянию их на особенности ударных нагрузок подвижного состава, по разработке их математических моделей проведены JI.H. Никольским и его последователями Б.Г. Кеглиным, A.C. Осиповым, Е.И. Селенским, И.В. Селиновым. Ряд математических моделей предложен в работах Е.П. Блохина, А.П. Болдырева, Л.А. Манашкина, А.П. Прасолова, E.JI. Стамблера.

Установлено, что силовые характеристики фрикционных амортизаторов удара обладают существенным непостоянством и не могут быть представлены одной кривой, выражающей зависимость силы удара в функции перемещения, а представляют систему кривых, каждая из которых зависит от начальной скорости удара, соударяемых масс и величины предварительного сжатия аппарата. К настоящему времени разработаны математические модели амортизаторов удара, позволяющие с достаточной достоверностью и точностью оценивать влияние силовых характеристик поглощающих аппаратов автосцепки на уровень продольных сил при режимах неустановившегося движения. При этом в зависимости от решаемой задачи им может быть придан как детерминированный, так и стохастический характер.

Для расчетов кузовов вагонов на прочность используются более подробные расчетные модели преимущественно с использованием метода конечных элементов (МКЭ). Здесь следует отметить работы В.А. Атрощенко, И.Г. Барбаса, Ю.П. Бороненко, Е.П. Блохина, В.В. Кобищанова, В.П. Лозбинева, Л.А. Манашкина, E.H. Никольского, A.A. Ольшевского, И.Е. Федосюка, А.Н. Прасолова, A.B. Юрченко, в которых обосновывается выбор типов конечных элементов для моделирования поведения конструкции кузовов вагонов, степень дискретизации конструкции, решается ряд методических вопросов, связанных с построением исходной системы уравнений, методами ее решения.

В расчетах конструкций кузовов вагонов на кратковременные динамические воздействия метод конечных элементов стал применяться сравнительно недавно. Здесь следует отметить работы Е.П. Блохина, A.B. Юрченко, JIM. Заславского, Н.И. Грановской, Ю.А. Радзиховского , А.Н. Прасолова. К решению задачи об определении напряженно-деформированного состояния конструкции кузова вагона возможны два подхода. Первый - квазистатический, предполагающий, что внешние силовые воздействия однозначно определяют напряженно-деформированное состояние конструкции при ударе. Второй - динамический, который снимает это предположение и сводит задачу ударного нагружения к задаче нестационарных колебаний многоэлементной пространственной системы.

Проведенный анализ показал, что одной из основных тенденций развития теоретических исследований в области продольной динамики вагона при соударениях является постоянное уточнение расчетных схем вагонов. Этому явлению способствовало интенсивное развитие вычислительной техники и методов моделирования сложных механических систем.

Вместе с тем в связи со значительным упрощением расчетов предпочтение в большинстве работ отдавалось квазистатическим методам расчета. В то же время практика экспериментального исследования напряженного состояния элементов вагонов обнаруживает существенные различия в характере изменения напряжений в раме или кузове вагона и силы передаваемой через автосцепку. Это свидетельствует о том, что напряженно-деформированное состояние кузова вагона определяется не только максимальными внешними продольными силами, но и характером волновых и колебательных процессов, возникающих в кузове вагона при ударах в автосцепку.

В связи с этим целью диссертационной работы является: оценка точности и определение диапазонов применения широко распространенных до настоящего времени квазистатических методов расчета задачи продольной динамики вагона.

Во второй главе рассмотрены основные операции в процедуре метода конечных элементов при анализе динамического напряженного со-

стояния конструкции кузовов вагонов. Дифференциальные уравнения продольной динамики вагона имеют вид

- ЫО)} = {г0} ЫО)} = {20}

здесь \М\, [С], [г] - глобальные матрицы масс, демпфирования и жесткости механической системы, имеющие компактную профильную форму хранения; {г} - вектор обобщенных координат (узловых перемещений); {/Ч/)} - вектор внешней нагрузки; второе и третье уравнения начальные условия.

Представлены в явной форме локальные матрицы жесткости и масс основных конечных элементов, используемых в настоящей работе, а именно призматических стержней произвольного положения, треугольного конечного элемента для плоской задачи теории упругости, несовместного прямоугольного конечного элемента, прямоугольного оболочечного элемента. Для построения матриц масс использован метод распределенных масс. Приведены алгоритмы оптимальной организации хранения и формирования глобальных матриц масс и жесткости системы, проведен анализ методов интегрирования разрешающих уравнений МКЭ, приведен алгоритм метода прямого интегрирования Ньюмарка для линейных механических систем с нелинейной правой частью, проанализированы вопросы устойчивости и точности метода Ньюмарка в зависимости от шага интегрирования. Рассмотрены способы и алгоритмы определения и последующей обработки внутренних усилий и напряжений в элементах конструкции вагона. Уделено внимание программной реализации комплекса для расчета динамической нагруженности элементов транспортных машин, созданного на кафедре ДПМ БГТУ.

Особое внимание уделено тестированию. Для тестирования программного комплекса рассмотрен ряд задач теории механических колебаний:

продольные колебания стержня, вынужденные колебания изгибаемых балок, вынужденные колебания изгибаемой прямоугольной пластины, продольный коллинеарный удар стержня о неподвижную преграду, имеющих точное аналитическое решение, и произведено сравнение их с решениями, полученными для этих задач с помощью метода конечных элементов, реализуемого описываемым программным комплексом.

Тестирование показало, что погрешности, которые вызваны дискретно стью разбиения и численным интегрированием дифференциальных уравне ний для рассмотренных задач не велики и находятся в пределах 1-1,5%. Е случае разрывных функций (продольный удар стержня о неподвижную преграду) различие более существенное, но оно касается одного - двух конечных элементов, непосредственно примыкающих к месту разрыва функции Погрешность в этом случае уменьшается с увеличением количества конеч ных элементов в расчетной модели стержня. Таким образом, показано, чтс численное решение практически не вносит инженерных погрешностей.

Кроме тестирования конечных элементов, входящих в программны} комплекс, и тестирования точности и применимости выбранного метода ин тегрирования разрешающих дифференциальных уравнений, имеет практи ческое значение сопоставление результатов расчетов, полученных н; сложной пространственной модели вагона с экспериментальными результа тами. Смысл сопоставления - оценить влияние на точность лолученны: результатов не учитываемых в расчетной схеме факторов, таких, как кон центрация напряжений мелких элементов конструкции, влияние сварны; швов и т.д. С этой целью результаты расчета были сопоставлены с данны ми, полученными в ходе натурных испытаний на соударение вагона сход ной конструкции. В качестве такого эксперимента, в данной работе исполь зовались результаты испытаний вагона модели 11-260, выполненны> ВНИИВ в рамках темы "НИР по созданию крытого ЦМВ с увеличенно] емкостью кузова". На рисунках 1а и 16 показаны соответственно точечны диаграммы для сечения хребтовой балки до ее соединения со шкворнево] балкой и для сечения шкворневой балки в месте ее соединения

350 300 250

£ 200

100

-50 -0.5

о

0°

о о

в о а о о......9...

......6'""0 гро^ о°о о

250

§ "0 а) К к

а Ю0

л

X

50

-50

1.0 1.5

Ртах, МН

2.5

а)

о

о о

о о

е О о, о О

дО о°о о

1.0 1.5

Ртах, МН

2.0

2.5

3.0

б)

Рис. 1. Точечные диаграммы максимальных напряжений сгтах от максимальных ударных внешних сил Ртах и теоретические зависимости сгтах (Ртах); а) сечение хребтовой балки перед шкворневой балкой; б) сечение шкворневой балки в месте ее соединения с хребтовой балкой.

0.5

с хребтовой балкой. На этих же рисунках показаны расчетные зависимости сттах(Ятах), полученные с помощью вышеописанного программного комплекса.

Проведенное в диссертации сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными показало, что представленная математическая модель вагона позволяет получить удовлетворительное качественное и количественное соответствие результатов расчета и экспериментальных данных, влияние не учтенных факторов и принятых допущений незначительно влияет на точность расчетов, что позволяет использовать его в дальнейших исследованиях по оценке напряженно-деформированного состояния элементов вагона.

Третья глава посвящена сравнительной оценке динамического и квазистатического подходов к задаче продольной динамики вагона. Основные допущения и предположения квазистатического подхода кратко можно сформулировать следующим образом:

а) внешние силовые воздействия на кузов вагона в процессе соударений - это относительно медленные процессы, в связи с чем можно пренебречь динамическими добавками от собственных колебаний элементов кузова вагона;

б) максимальные напряжения и деформации возникают в тот момент времени, когда достигают максимума динамические силы, действующие на конструкцию при ударе.

Для определения напряженно-деформированного состояния конструкции от совокупности произвольных нагрузок при решении нестационарных задач МКЭ, при принятых допущениях пользуются следующим алгоритмом. Пусть на конструкцию вагона действуют следующие нагрузки: P\(t): /^(i), -Pn(i)- Тогда от каждой единичной нагрузки Poi, совпадающей пс направлению с Р; (f), можно определить вектор напряжений {а0.}, комло нентами которого являются напряжения croin в n-м элементе от единичной

силы действующей по i-му направлению. Из векторов единичных напряже ний {сг0(}...{ст0п} можно составить матрицу напряжений от единичных сил

Напряжения в элементах конструкции вагона определяют из матричного уравнения:

где {P{t)} вектор нагрузок.

При реализации квазистатического подхода применительно к задаче продольной динамики вагона используют принцип фиктивного равновесия Даламбера, в соответствии с которым внутренние силы, возникающие в элементах конструкции и в связях, уравновешиваются силами инерции. Для определения деформированного состояния в этом случае необходимо решить систему линейных алгебраических уравнений следующего вида:

[г]{и} = {Я} - [М]{а} ^(М) = О

где второе уравнение описывает наложенные на систему внешние связи.

В данной работе в качестве объекта исследования принят кузов цельнометаллического крытого грузового вагона модели 11-270 постройки Алтайского вагоностроительного завода. Вагон оборудован типовой автосцепкой с фрикционным поглощающим аппаратом типа Ш-1-ТМ. Конструкция этого кузова содержит все характерные конструктивные элементы кузовов вагонов, поэтому выводы, сделанные для нее, могут быть распространены на многие аналогичные конструкции.

Конечноэлементная расчетная схема половины кузова вагона модели 11-270, симметричная относительно продольной оси, представлена на рисунке 2. Она содержит 612 элементов, 351 узел и 1659 степеней свободы.

Опыт эксплуатации и математическое моделирование показывают, что основную долю повреждений вагон получает при соударениях на маневрах и сортировочных горках. Даже при экстремальных поездных режимах не возникают продольные нагрузки, способные вызвать неусталостные повреждения. Это позволяет сделать вывод о возможности проведения сопоставления квазистатического и динамического подходов по условиям работы вагона на сортировочных горках. Основные допущения и предположения

принятые при всех сопоставительных расчетах следующие: а) соударение одинаковых вагонов, один из которых накатывается со скоростью ю0 на

другой, неподвижно стоящий, может рассматриваться как простейшая модель маневровой операции; эта ситуация может быть заменена эквивалентной: ударом вагона в неподвижный и недеформируемый упор со вдвое меньшей скоростью; б) рассматривается соударение порожнего вагона; в) вагон оборудован стандартным автосцепным устройством, оснащенным серийным поглощающим аппаратом Ш-1-ТМ.

Рис.2. Кокечноэлементная расчетная схема вагона модели 11—270.

На первом этапе работы рассмотрено соударение вагона модели 11270 с жесткой преградой, в предположении, что зависимость ударной силь от деформации поглощающего аппарата является линейной:

Р^(х) = СIX ,

здесь сI - жесткость линейного амортизирующего устройства.

Показано, что даже в случае амортизирующей системы вагона, обладающей линейными и детерминированными свойствами, различие в оценках напряженно-деформированного состояния для ряда конструктивных элементов вагона, полученных квазистатическим и динамическим методами, может быть весьма существенным: так при одинаковых максимальных внешних силах напряжения в конструкции вагона различались на 5-20%.

Для сопоставления квазистатических и динамических методов расчета в стохастической постановке необходимо рассмотрение математических моделей фрикционных амортизаторов удара различной степени полноты и сложности. Именно они вносят стохастический характер в задачу ввиду существенной нестабильности их работы. В работе описывается конструкция и безынерционные математические модели фрикционных амортизаторов удара. Силовая характеристика аппарата имеет вид:

где Р - сила сжатия амортизатора; у/ - коэффициент передачи клиновой

системы, зависящий от ее геометрических параметров и от коэффициентов трения, Рпр - сила сжатия пружины аппарата.

Необратимое поглощение энергии удара происходит за счет существенного различия коэффициентов передачи при нагрузке и разгрузке. Для характеристики изменения коэффициента трения / от скорости скольжения V используется зависимость, предложенная Л.Н. Никольским:

гДе /о ~ коэффициент трения скольжения в конце удара; Ь - некоторый размерный параметр, учитывающий зависимость коэффициента трения от скорости удара, получаемый в результате идентификации.

Фрикционные колебания, возникающие в процессе сжатия амортизатора, моделируются путем предложенной Б.Г. Кеглиным специальной двух-массовой модели вагона. Переменное трение создает избыточную несбалансированную силу, которая в выбранной модели вагона приводит к возникновению срывов в форме релаксационных колебаний. Проведена идентификация модели по экспериментальным данным.

Представляет определенный научный интерес попытка создания моде лей релаксационных колебаний в системах с распределенными параметра ми. Для этого в работе рассмотрена простейшая континуальная модель -консольно закрепленный призматический стержень, к свободному конц которого внезапно приложена нагрузка Р(и) = Р0е~Ь^. Решение этой зада чи носит типичный волновой характер, однако никаких автоколебательны: явлений в такой расчетной схеме не наблюдается.

Из решения этой задачи следует, что для описания автоколебательны: процессов в системах с распределенными параметрами гипотезы КайданоЕ ского-Хайкина о наличии на характеристике трения падающего участк недостаточно. Вопрос о корректировке этой гипотезы и разработке уто^ ненных моделей, которые способны были бы описывать автоколебания континуальных системах, представляет отдельную научную задачу, котора в данной работе не рассматривалась.

Для практических задач по оценке нагруженности элементов вагон продольными силами предлагается решать задачу в два этапа: на перво: этапе из более простой модельной задачи определять внешние продольны воздействия, а затем по известным внешним воздействиям определять н; пряженно-деформированное состояние системы. Сопоставление с резул! татами натурных экспериментов доказывает приемлемость такого подхода.

Произведено сопоставление квазистатического и динамического мет< дов расчета при определении максимальных действующих напряжений элементах конструкции вагона. Для основных несущих элементов коне рукции вагона квазистатический расчет дает заниженные на 15-20% зн; чения максимальных напряжений. Наибольшие различия между описыва! мыми подходами наблюдаются при определении максимальных напряжени в малонагруженных в процессе соударения элементах. Следует признат что как при квазистатическом, так и при динамическом подходе, сохран: ется возможность определения максимальных напряжений в элементг конструкции по максимальным внешним силам, действующим на вагон ч рез автосцепку.

При случайном нагружении для выделения регулярных циклов нагру-жения используются процедуры статистической обработки - схематизации.

В конечном счете схематизация приводит к построению статистических распределений эквивалентных амплитуд циклов напряжений аа. . Для динамического расчета статистические распределения <уа. получаются автоматически в процессе счета. При квазистатических методах расчета схематизируется только процесс P{t) и согласно статистическим распределениям Ра строятся статистические распределения внутренних усилий и напряжений в элементах конструкции. При таком подходе статистические распределения внутренних усилий и напряжений элементов конструкции вагона оказываются пропорциональными статистическим распределениям внешних сил. Для схематизации процессов нагружения использовался "метод дождя".

Мерой повреждающего действия случайного процесса напряжений a{t), протекающего при продольном ударе в элементах конструкции вагона и содержащего п экстремумов может служить величина

П(п)=Ъой1т, i = 1

где <уа. ~ амплитуда напряжения симметричного цикла напряжений; m -

показатель кривой усталости.

Математические ожидания аа,- при квазистатическом расчете оказываются заниженными по сравнению с полученными при динамическом расчете. Для элементов хребтовой балки отличие составляет 1,5 раза для продольных балок « 1,7 раза, для боковых балок более чем в 2 раза. Отличие в

напряженном состоянии вблизи места приложения нагрузки минимально, при удалении от пего различие в оценках средних значений оо; увеличиваются почти по линейному закону.

Повреждаемость П(п) при квазистатическом методе расчета оказывается также заниженной по сравнению с динамическим расчетом. Для хребтовой балки отличие составляет 2-5 раз, для продольных и боковых балок - в 10 и даже в 30 раз.

Из проведенного анализа можно сделать следующие выводы. При ста тистических оценках фактической нагруженности элементов вагона использование квазистатического подхода недопустимо. Оно может привести к значительным ошибкам оценки повреждаемости элементов вагона. При мерно во столько же раз окажутся заниженными показатели долговечное™ и ресурса.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Создан пакет МКЭ для расчета динамической нагруженности транс портных машин. Пакет состоит из полностью независимых процедур созда ния модели исследуемой механической системы, процедур динамическоп анализа и процедур обработки результатов расчетов.

2. Разработана уточненная методика оценки напряженно деформированного состояния кузовов вагонов при нестационарном динами ческом нагружении.

3. Выполнено подробное сопоставление расчетов по предлагаемой методи ке с известными теоретическими решениями и экспериментальными дан ными.

4. Рассмотрены безынерционные модели фрикционных поглощающих аппа ратов типа Ш-1-Т, учитывающие сдвиговую податливость контакта, изме нение коэффициентов трения от скорости скольжения рабочих поверхне стей аппарата. Показано, что процесс соударения вагонов, оснащенны: фрикционными амортизирующими устройствами, носит стохастический хг рактер. Произведена идентификация модели фрикционного аппарата Ш-1-ТМ по экспериментальным данным.

5. Впервые рассмотрена задача определения условий возникновения фрш ционных релаксационных автоколебаний в континуальных системах и в ч; стности при ударе вагона, оснащенного фрикционным поглощающим апп; ратом. Установлено, что для описания автоколебательных процессов системах с распределенными параметрами гипотезы Кайдановского Хайкина недостаточно.

6. Для практических задач по оценке нагруженности элементов вагона продольными силами рекомендуется решать задачу в два этапа: на первом этапе из более простой модельной задачи соударения вагонов, используя двухмассовую модель вагона, определять внешние продольные воздействия, а затем по известным внешним воздействиям на детальной расчетной схеме с применением МКЭ определять напряженно-деформированное состояние исследуемой системы.

7. Проведено исследование напряженно-деформированного состояния вагона в случае амортизирующего устройства, обладающего линейными и детерминированными свойствами в зависимости от крутизны фронта нагрузки и времени удара. Показано, что даже при линейном амортизирующем устройстве различие в оценках напряженно-деформированного состояния для ряда конструктивных элементов вагона, полученное квазистатическим и динамическим методами, может быть весьма существенным.

8. Проведен сравнительный анализ квазистатического и динамического подходов при определении максимальных действующих напряжений в элементах конструкции вагона. Показано, что расчет конструкции вагона при определении максимальных напряжений с использованием квазистатических методов расчета может привести к занижению фактических максимальных напряжений на 10-15%, что может быть устранено корректировкой коэффициентов запаса.

9. Показано, что как при квазистатическом, так и при динамическом подходе, сохраняется возможность определения максимальных напряжений в элементах конструкции вагона по максимальным внешним силам, действующим на вагон через автосцепку. При решении задач прочности конструкции вагона при однократном нагружении квазистатические методы расчета с введением коэффициентов запаса прочности дают приемлемые результаты.

10. Установлено, что при продольных соударениях вагонов величина и характер нагружения элементов конструкции зависят не только от величины и характера внешних воздействий, передаваемых на кузов вагона через ав-

тосцепное устройство, но и в значительной мере определяются собствен ными колебаниями элементов конструкции вагона.

11. При оценках фактической нагруженности элементов вагона при многс кратных нагружениях использование квазистатического подхода недопус тимо. Квазистатические методы расчета приводят к значительным ошибка! в оценках повреждаемости элементов вагона: для хребтовой балки в 2-раз, для продольных балок в 10-20 раз, для боковых балок в 10-30 ра; Примерно во столько же раз при использовании квазистатических методо расчета будут занижены показатели долговечности и ресурса.

12. Методика оценки напряженно-деформированного состояния конструя цин вагона при стохастических условиях его эксплуатации, представление в этой работе, рекомендуется для оценки показателей повреждаемости долговечности и ресурса элементов вагонов при продольных соударения* она может быть также использована при создании методик расчета прочие сти в задачах вертикальной динамики вагонов.

13. Результаты работы при внедрении новых типов вагонов или модернизм ции существующих позволяют снизить затраты на проведение натурны испытаний конструкции. Ориентировочный экономический эффект от вне дрения результатов работы составляет 85 миллионов рублей на один ти внедряемого вагона.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Израилев В.Я., Прасолов А.Н. Программный пакет МКЭ для расчет динамической нагруженности элементов транспортных машин. / / Дин: мика, прочность и надежность транспортных машин. - Брянск. 1994. с. 12-18.

2. Прасолов А.Н., Израилев В.Я. Исследование релаксационных колеб; ний в системе "вагон-фрикционный поглощающий аппарат". Тезисы докл; дов IX международной конференции "Проблемы механики железнодором ного транспорта". - Днепропетровск, 1996. -с.39.

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

4. Израилев В.Я. Сравнительная оценка применимости квазистатического и динамического подходов при решении задачи продольной динамики вагона. // Динамика, прочность и надежность транспортных машин. - Брянск: Издательство БГТУ 1997 - с. 102-109.

5. Израилев В.Я., Кеглин Б.Г. Квазистатические и динамические методы решения задачи продольной динамики вагона. Сборник научных докладов Ш международной научно-технической конференции "Вибрационные машины и технологии". Курск, 1997 - с. 122 - 127.

ИЗРАИЛЕВ ВЛАДИМИР ЯКОВЛЕВИЧ

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ВАГОНА ПРИ ПРОДОЛЬНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Лицензия № 020381 от 22.02.92. Подписано в печать 9.12.97. Формат 60x84 1/16. Бумага типографская № 2. Печать офсетная. Печ. л. 1. Уч.-изд. л. 1. Т. 100 экз. Заказ 761. Бесплатно.

Брянский государственный технический университет 241035, г. Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, 7 Лаборатория оперативной типографии БГТУ, ул. Институтская, 16