Введение к работе
Актуальность проблемы. Тенденция к снижению запасов прочности конструкций различного назначения при одновременном сохранении или повышении их эксплуатационной надежности определяет необходимость совершенствования, на основе новейших достижений науки, численных методов расчета высоконагруженных конструкций. Вагонные конструкции различного назначения работают в сложных температур-но-силовых условиях. Известно, что до настоящего времени подавляющее количество грузов перевозится из одного региона страны в другой по железной дороге, причем большинство перевозок приходятся на четырехосные полувагоны, которые составляют около 40? вагонного парка. В последние десятилетня широкое распространение получили восьиносные полувагоны и цистерны, особенно в районах Дальнего Востока и Сибири. К наиболее ответственным и нагруженным узлам полувагона относятся узлы заделок стоек и шкворневой узел. а в восьмносных вагонах - соединительная балка, котел цистерны и т.п. Данные обследовании показывают, что большинство трещин являются усталостными, возкнкагаїми в сварных швах к местах перехода сварного шва к основному металлу, где возникает концентрация напряжений. Особенно часто разрупения наблюдаются после произведенного ремонта, что приводит к поступлению полувагонов в текущий отцепочный ремонт, в среднем 7.02 раза в год. В связи с этим разработка расчетных методов, яезволякэдх оценивать работоспособность сварных несухих конструкций вагонов не только при проектировании, но и после ремонта с применением концентрированных источников теплоты (сварка, наплавка) является актуальной задачей. Fc;:r!!i!? этой проблемы псзвслит перевести традиционные способы проектирования и ремонта слстлкх сварных конструкций на более вы-C'k;:;"I ур;ве;-!>". оСе.-печиг:;-:::;:;!' хоі'к^ение прочности и работоепособ-
пости, долговечности и надежности, снизить эксплуатационные расходы, связанные с поступлением в отцепочный ремонт и т.п.
В этой связи в представленной работе поставлена и решена крупная научная проблема, имеющая большое народно-хозяйственное значение, связанная с разработкой инженерного метода расчета работоспособности сварных узлов грузовых вагонов при упруго-пластическом деформировании материала с использованием метода конечных элементов, на базе синергетической концепции повреждаемости.
Цель и задачи работы. Целью настоящей работы явились: анализ повреждаемости, разработка расчетного метода оценки работоспособности несущих сварных конструкций вагонов на этапах проектирования с учетом эксплуатационных условий и ремонта и разработка на этой основе мероприятий по повышению работоспособности сварных конструкций вагонов. Для достижения указанной цели в работе решались следующие задачи:
провести анализ повреждаемости сварных узлов грузовых вагонов при различных режимах эксплуатации и разработать расчетный метод оцейад напряженно-деформированного состояния (НДС) этих узлов;
развить синергетическую концепцию повреждаемости металлов и на ее основе, применительно к анализу работоспособности сварньк узлов, грузовых вагонов, обосновать критерии повреждаемости материала при квазистатическом и циклическом нагружении с различной агсиметрией цикла.включая упруго-пластическую область нагружения;
разработать расчетные модели зон концентрации напряжений для оценки НДС в зоне концентрации напряжений характерных сварных соединений вагонов;
на основе использования МКЭ и на базе созданного методического и программного обеспечения разработать и внедрить практи-
ческие рекомендации по совершенствованию конструкций и технологии ремонта отдельных узлов вагонов.
Методи исследования. В теоретических исследованиях использовались фундаментальные положения теории упругости и пластичности; нелинейной механики разрушения с учетом последних достижении в области синергетики - нового научного направления. Для обработки экспериментальных данных использовали статистические методы. Рас-четы выполнены на ЭВМ. Механические испытания выполнены на установках фирмы "ИНСТРОН". а усталостные - на установке Фирмы "ШЕНК" и на специальном стенде для циклических испытаний крупногабаритных сварных узлов.
Научная новизна. Развита смнергетическая концепция' повреждаемости, позволившая обосновать использование энергетического критерия плотности энергии деформации (ПЭД) и деформационного D-критерия при расчете локального НДС деформируемого металла методом ИКЭ. На основе сформулированной концепции разработан метод оценки работоспособности сварных узлов грузовых вагонов как на этапе проектирования конструкции, так и после проведения ремонтных работ. Получены аналитические зависимости для определения ПЭД и разработана методика определения предела выносливости в случае деформирования материала, как в упругой, так и в упруго-плзстн-ческои области, при квазистатическом и циклическом видах нагруже-ния.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Развитые в работе методы оценки сопротивления свзрных узлов вагонов вязким и квазихрупким разрушениям позволяют оценить прочность и работоспособность конструкции, выбрать марку стали и сварочные материалы, обеспечивание требуемый уровень прочности элементов конструкции, а также моделировать' различные конструктивные вари;-
- 6 - ' анты сложных сварных узлов вагонов. Практическую ценность представляют также разработанные алгоритмы и программы: по бценке НДС, при упругом и упруго-пластическом деформировании материала; вычисления граничных нагрузок при межэтапном переходе от стержневой модели к пространственной или объемной, с учетом депланации сечения: автоматической генерации сетки в зонах концентрации напряжений сварных соединений; вычисления ПЭД в<местах концентрации нап- ряжений при квазистатическом и'циклическом нагружении. Результаты исследований внедрены ПКБ ЦВ МПС. ВНИИИ и других организациях. '
Ряд основных положений и результатов работы используется в учебном процессе при чтении курсов лекций, при курсовом и дипломном проектировании на кафедре "Технология сварки, материаловедение и износостойкость' деталей машин" (ТСМИ) МИИТ.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на международных симпозиумах, конференциях и семинарах (Россия. Новгород. 1994; СССР, Киев, 1981, 1988; ЧССР, Zlllna, 1988), Всесоюзных симпозиумах и конференциях (Днепропетровск, 1988; Иркутск, 1989; Киев*. 1978, 1987, 1990; Ленинград, 1987, 1991; Москва 1988. 1990. 1991; Свердловск, 1990; Тверь, 1991), научно-техническом совете вагонного отделения ВНИИЖТ, 1985; заседаниях кафедры ТСМИ И Вагоны МИИТ, 1988, 1990, 1994. .
Публикации. По теме диссертации опубликовано более 50 работ:
Стриктура и объел диссертации. Диссертация состоит из введе-нгя, четырех глав, выводов, списка литературы из 245 наименований и приложения, изложенных на 257 страницах машинописного текста с 17 таблицами, содержит 97 рисунков.
