Введение к работе
Актуальность темы. Грузовые вагоны открытого типа (полувагоны) являются одним из самых массовых типов вагонов, эксплуатирующихся на территории Российской Федерации. Наибольшее распространение получили четырехосные полувагоны, имеющие разгрузочные люки.
В последнее время увеличивается количество четырехосных полувагонов без разгрузочных люков (с глухим кузовом), предназначенных для разгрузки на вагоноопрокидывателях.
Полувагоны являются наиболее повреждаемым видом подвижного состава. Одна из причин высокой повреждаемости заключается в неизменности ряда конструктивных параметров конструкций кузовов при постепенном росте величин действующих нагрузок.
Одним из таких параметров является расстояние между стойками боковой стены. В универсальных полувагонах указанное расстояние определено размерами стандартизированной крышки люка. Однако в полувагонах с несущим полом расстояние между стойками боковой стеньг может быть иным, так как не требуется размещать стандартные крышки люков. Для таких вагонов важной является задача по определению оптимального количества продольных, поддерживающих пол балок рамы и определению оптимальной структуры обшивки боковых стен.
Для полувагонов актуально проектирование конструкций с минимальной массой. При оптимизации по критерию минимума массы напряжения в несущих элементах приближаются к допускаемым значениям, поэтому особенно важно иметь уточненные расчетные схемы кузовов вагонов.
В связи с отмеченным, уточненный анализ напряженного состояния и структурно-параметрическая оптимизация боковых стен и рамы кузовов грузовых вагонов открытого типа с несущим полом являются актуальными задачами.
Цель работы - совместная структурная и параметрическая оптимизация боковых стен и рамы грузового вагона открытого типа с несущим полом.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи.
-
Разработаны математические модели кузова полувагона с несущим полом.
-
Проведен уточненный анализ напряженного состояния кузова.
-
Разработан алгоритм совместной структурной и параметрической оптимизации боковых стен и рамы полувагонов с несущим полом.
-
Разработанный алгоритм применен для оптимизации боковых стен и рамы кузова полувагона с несущим полом под осевую нагрузку 25 т/ось.
В диссертационной работе приняты следующие ограничения. 1. Расчеты проводятся в рамках упругих деформаций материалов.
-
Действие основных расчетных нагрузок рассматривается как квазистатическое в соответствии с нормами для расчета и проектирования вагонов.
-
Структурная оптимизация ограничена определением оптимального расстояния между стойками боковых стен, оптимального количества продольных, поддерживающих пол балок рамы и определением структуры обшивки боковых стен; параметрическая оптимизация - определением оптимальных параметров несущих элементов боковых стен (включая гофры), поперечных балок рамы и поддерживающих пол балок рамы.
-
Не оптимизируются габаритные размеры кузова. Они считаются заданными с учетом требуемого объема для перевозки груза.
Общая методика исследований. Расчеты металлоконструкции кузова проводились с использованием современных методов математического моделирования, реализованных в расчетном программном комплексе метода конечных элементов (МКЭ). Для этого были разработаны и верифицированы конеч-ноэлементные модели кузова полувагона. Для определения нагрузок, вызывающих максимальные напряжения в несущих элементах кузова, и для определения дискретного влияния несущих элементов проводился уточненный анализ напряженного состояния кузова. Далее на основе известных методов оптимального проектирования конструкций был разработан алгоритм совместной структурной и параметрической оптимизации боковых стен и рамы полувагона с глухим кузовом. Разработанный алгоритм применялся для оптимизации кузова полувагона с несущим полом под осевую нагрузку 25 т/ось.
Научную новизну диссертационной работы составляют:
-
алгоритм совместной структурной и параметрической оптимизации боковых стен и рамы полувагонов с несущим полом;
-
вариант моделирования подкрепленных панелей обшивки с использованием модифицированных пластинчато-стержневых моделей МКЭ и разработанные конечноэлементные модели МКЭ;
-
результаты уточненного анализа напряженного состояния несущих элементов кузова полувагона;
-
анализ влияния боковых нагрузок и изогнутости листа несущего настила пола на напряженное состояние несущих элементов кузова полувагона.
Достоверность результатов работы. Проверка результатов расчетов осуществлялась путем сопоставления полученных результатов с опубликованными результатами натурных экспериментов и научных работ других исследователей (изложенных в научных статьях, материалах научно-технических конференций, авторефератах диссертаций), а также путем проведения численных экспериментов на тестовых моделях.
На защиту выносятся:
1) конечноэлементные модели кузова полувагона с несущим полом;
-
результаты уточненного анализа напряженного состояния несущей системы кузова полувагона с учетом боковых нагрузок и изогнутости листа несущего настила пола;
-
алгоритм совместной структурной и параметрической оптимизации боковых стен и рамы полувагонов с несущим полом;
-
результаты оптимизации боковых стен и рамы полувагона с несущим полом под осевую нагрузку 25 т/ось.
Практическую ценность работы составляют:
-
алгоритм оптимизации и полученные результаты оптимизации боковых стен и рамы полувагона с несущим полом под осевую нагрузку 25 т/ось.
-
рекомендации по уточнению напряженного состояния несущих систем кузовов полувагонов;
-
предложенный оптимизированный вариант конструкции кузова полувагона с несущим полом.
Реализация результатов работы. Алгоритм оптимизации кузовов полувагонов с несущим полом и результаты уточненного анализа напряженного состояния кузовов полувагонов приняты к использованию в отделе Главного конструктора ОАО «192 Центральный завод железнодорожной техники».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на семи международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях: на IV Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития вагоностроения» (г. Брянск, 2008 г.); на Международной научно-практической конференции «Наука и производство 2009» (г. Брянск, 2009 г.); на Международной научно-практической конференции «Состояние, проблемы и перспективы автоматизации технической подготовки производства на промышленных предприятиях» (г. Брянск, 2009 г.); на Региональной научной конференции студентов и аспирантов «Достижения молодых ученых брянской области» (г. Брянск, 2009 г.); на Региональной научно-практической конференции "Приоритетные направления современной науки: фундаментальные проблемы, инновационные проекты" (г.Брянск, 2010 г.); на Международной молодежной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (г. Йошкар-Ола, 2010 г.); на V Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития вагоностроения» (г. Брянск, 2010 г.).
Публикации. По материалам исследований опубликовано 12 печатных работ, из них три в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста и включает 45 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 130 наименований и 2 приложения на 4 страницах.
