Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, обоснование и формулирование решаемой проблемы 7
1.1. Обзор методов расчета и особенности оценки усталостной прочности литых деталей тележек грузовых вагонов 7
1.2. Выводы и постановка задач исследования 18
Глава 2. Моделирование процесса циклической деградации свойств структурно-неоднородного материала 21
2.1. Ограничения на свойства элементов моделей материала и характер их взаимодействия 22
2.2. Моделирование процесса вырождения свойств физических моделей материала с ростом циклической тренировки 24
2.3. Исследование поведения образца материала в испытательной машине...43
Основные результаты и выводы по главе 2 49
Глава 3. Построение модели циклической деградации статических свойств литых сталей деталей тележки грузового вагона 51
3.1. Методика испытаний образцов литых сталей элементов ходовых частей подвижного состава на разработанном испытательном комплексе 51
3.2. Результаты испытаний образцов литых сталей 62
3.3. Разработка усталостных моделей литых сталей деградационного типа с учетом модельных и экспериментальных результатов 75
Основные результаты и выводы по главе 3 81
Глава 4. Разработка методики расчета усталостного ресурса типовых конструктивных элементов литых деталей тележки грузового вагона 83
4.1. Исходные положения методики расчета ресурса элементов деталей тележек 83
4.2. Методика и примеры расчета ресурса типового конструктивного элемента деталей тележки грузового вагона из различных сталей 86
Основные результаты и выводы по главе 4 99
Глава 5. Прогнозирование срока службы надрессорной балки тележки грузового вагона 101
5.1. Расчет ресурса надрессорной балки и сопоставление результатов со стендовыми испытаниями 101
5.2. Результаты ходовых прочностных испытаний тележки грузового вагона 110
5.3. Оценка ресурса надрессорной балки от действия эксплуатационных нагрузок и прогнозирование срока службы 112
Основные результаты и выводы по главе 5 115
Заключение 117
Список использованных источников 119
Приложение 1. Программа расчета параметров ПДД модели материала из упруго-хрупких элементов 130
Приложение 2. Программа расчета параметров ПДД модели материала из упруго-пластических элементов 134
Приложение 3. Программа расчета параметров ПДД модели материала из упруго-хрупких элементов с падающей до нуля ветвью 139
Приложение 4. Программа расчета долговечности пластины с отверстием с учетом деградации свойств 144
Приложение 5. Программа расчета долговечности элементов конструкций по линейной гипотезе 152
Приложение 6. Акты о внедрении результатов исследований 157
Приложение 7. Предварительный расчет экономической эффективности 160
- Моделирование процесса вырождения свойств физических моделей материала с ростом циклической тренировки
- Методика испытаний образцов литых сталей элементов ходовых частей подвижного состава на разработанном испытательном комплексе
- Методика и примеры расчета ресурса типового конструктивного элемента деталей тележки грузового вагона из различных сталей
- Расчет ресурса надрессорной балки и сопоставление результатов со стендовыми испытаниями
Введение к работе
Актуальность проблемы. Рост грузооборота на железнодорожном транспорте требует создания новых конструкций вагонов с несущими элементами повышенной надежности. Кроме того, участились случаи крушений вагонов из-за низкой долговечности литых деталей тележек. В связи с этим важными являются вопросы прогнозирования ресурса несущих деталей тележек в эксплуатации на стадии проектирования. Однако существующие методы расчета долговечности элементов железнодорожного подвижного состава не дают достоверного прогноза. Разработчики новых конструкций опираются на результаты стендовых испытаний отдельных элементов и ходовых испытаний вагонов. Это требует больших временных и материальных затрат. Поэтому вопросы прогнозирования надежности вагонных конструкций на стадии проектирования являются актуальными.
В диссертации на основе анализа подходов к расчету долговечности литых деталей тележек грузовых вагонов, исследований дискретных моделей реальных конструкционных сталей и сплавов с неоднородной поликристаллической структурой, результатов базовых экспериментов по выявлению взаимосвязи статических и циклических свойств вагонных сталей для изготовления литых деталей тележек предложена методика расчета долговечности и живучести надрессорной балки тележки грузового вагона.
Целью диссертационной работы является создание объединительной методики для детерминированной оценки усталостного ресурса литых деталей тележки грузового вагона с учетом циклической деградации свойств материала.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи.
-
Разработать методику расчета долговечности литых деталей ходовых частей грузовых вагонов с использованием модели циклической деградации свойств материала.
-
Провести моделирование процесса усталостной деградации и эксперименты для идентификации модели циклической деградации литых сталей, применяемых для изготовления литых деталей тележек грузовых вагонов.
-
Построить полные диаграммы деформирования (ПДД) литых сталей при разной степени циклической наработки, с помощью разработанного испытательного комплекса.
Объектом исследования в настоящей работе являются литые детали тележки грузового вагона.
Предметом исследования являются ресурсные характеристики литых сталей и методика расчета долговечности элементов вагонных конструкций.
Научная проблема исследований формулируется следующим образом: разработать методологию оценки усталостного ресурса нерегулярно нагруженных элементов грузового вагона путем разработки эффективных средств проведения базовых экспериментов по идентификации модели циклической деградации литых сталей и использования модели в расчете долговечности надрессорной балки тележки грузового вагона.
Методы исследования. Для решения поставленных задач применялись методы математического моделирования усталостного процесса в структурно неоднородных материалах. Исходные положения и прогнозируемые результаты проверялись методом прямой экспериментальной проверки. При теоретическом исследовании напряженного состояния и прогнозировании усталостного ресурса детали тележки грузового вагона использовался метод конечных элементов (МКЭ).
Автор учитывал результаты исследований ученых в области железнодорожного транспорта: С.В.Вершинского, Ю.П.Бороненко, Н.С.Бачурина, М.В.Винокурова, В.П.Лозбинева, М.Б.Кельриха, А.Д.Кочнова, В.Н.Котуранова, И.Гоммеля, Ю.Л.Кофмана, Г.Марье, Е.Н.Никольского, Г.И.Петрова, С.И.Попова, А.В.Смольянинова, М.М.Соколова, А.В.Третьякова, А.А.Хохлова, Л.А.Шадура, Н.Н.Шапошникова, Е.Шперлинга.
В своей работе автор опирался на труды отечественных ученых В.В.Болотина, С.Д.Волкова, В.С.Ивановой, В.П.Когаева, А.А.Лебедева, Н.А.Махутова, В.И.Миронова, С.В.Серенсена, В.Ф.Терентьева, В.Т.Трощенко, Я.Б.Фридмана, а также зарубежных ученых Дж.Ф.Белла, Д.Томпсона, В.Бэкофена, Ст.Камминга.
Научная новизна работы. В процессе разработки и опытной проверки исходных положений методики расчета долговечности литых деталей вагонной тележки и прогнозируемого ею ресурса получены следующие научные результаты:
-
Разработана методика оценки ресурса и живучести литых деталей ходовых частей грузовых вагонов на основе предложенной модели циклической деградации свойств материала.
-
Проведена идентификация модели циклической деградации вагонных сталей литых деталей тележки.
-
Предложен способ испытания образцов литых сталей тележек грузовых вагонов на растяжение и построены ПДД сталей с разной циклической наработкой (на способ и устройство для испытания образцов получен патент РФ на изобретение №2251676).
Практическая значимость исследования.
-
Полученная альтернативная оценка долговечности надрессорной балки тележки грузового вагона без применения линейной гипотезы суммирования повреждений позволяет учитывать взаимодействие напряжений различного уровня при нестационарном нагружении являясь основой для установки гарантийных сроков службы.
-
На основании проведенных исследований даны практические рекомендации по использованию экспериментальных результатов для сравнительной оценки усталостных свойств литых сталей и построения моделей циклической деградации, позволяющие уточнить прогноз ресурса нерегулярно нагруженных деталей тележек грузовых вагонов более чем на 7% .
-
Учет снижения упругих свойств стали на заключительной стадии циклирования типового элемента вагона позволил объяснить расхождение между теоретическим и эффективным коэффициентами концентрации напряжений.
-
Созданный для проведения экспериментальных исследований свойств материалов испытательный комплекс повышает точность результатов экспериментов, сокращает затраты и время на проведение стендовых испытаний литых деталей тележек грузовых вагонов.
На защиту выносится:
-
Методика оценки ресурса и живучести литых деталей ходовых частей грузовых вагонов с применением модели циклической деградации свойств материала.
-
Результаты моделирования процесса деградации свойств и экспериментального обследования сталей для изготовления литых деталей тележки.
-
Способ и устройство регулируемой жесткости для испытания образцов литых сталей на растяжение и ПДД сталей при различной циклической наработке.
Реализация результатов работы. Разработанные в результате исследований теоретические и методологические рекомендации были реализованы при уточнении прогноза усталостного ресурса литых деталей тележек грузовых вагонов.
-
Разработанная методика прогнозирования усталостного ресурса литых деталей тележки грузового вагона применяется в УКБВ и Центре исследований и испытаний материалов на ФГУП «ПО Уралвагонзавод» при проектировании перспективных тележек подвижного состава.
-
Способ и устройство для испытания образцов на растяжение внедрен на металлургическом заводе ФГУП «ПО Уралвагонзавод» при производственном контроле механических свойств литых сталей тележек.
-
Экономический эффект от внедрения способа и устройства на ФГУП «ПО Уралвагонзавод» составил 1841 тыс. руб. в год (расчет в ценах 2005 г.).
Апробация работы. Основные положения диссертации изложены и одобрены на научно-технической конференции «Перспективы развития подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин» (Саратов, СГТУ, 2002 г.); на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы надежности технологических, энергетических и транспортных машин» (Самара, СамГТУ, 2003 г.); на 5-ой отчетной конференции молодых ученых (Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2003 г.); на международной научно-технической конференции «Разрушение и мониторинг свойств материалов» (Екатеринбург, УрО РАН ИМАШ, 2003 г.); на 11-ой, 13-ой и 14-ой зимней школах «Механика сплошных сред» (Пермь, ПГТУ, 2002, 2003, 2005 гг.); на 3-ем и 4-ом Всероссийском семинаре им. С.Д.Волкова «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2004, 2006 гг.); на Всероссийском конкурсе инженеров «Машиностроение (Проектирование, конструирование)» (Москва, РАН, 2005, 2006 гг., сертификат профессионального инженера России №6-493); на Городском конкурсе инженеров «Машиностроение» (Нижний Тагил, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ (филиал), 2005 г.); на 9-ом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, НижегорГТУ, 2006 г.); на международной научно-технической конференции «Современные проблемы проектирования и эксплуатации транспортных и технологических систем» (Санкт Петербург, СПбПУ, 2006 г.); на V международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века» (Санкт Петербург, ПГУПС, 2007г.); на 1-ой научно-технической и 2-ой международной научно-технической конференциях «Проблемы и перспективы развития грузового вагоностроения» (Нижний Тагил, ФГУП «ПО Уралвагонзавод» - УрГУПС, 2005, 2006 гг.); на Всероссийской научно-практической конференции (Нижний Тагил, ФГУП «ПО Уралвагонзавод», 2001-2007 гг.); на научно-техническом совете ФГУП «ПО Уралвагонзавод» (Нижний Тагил, ФГУП «ПО Уралвагонзавод», 2001-2007 гг.); на расширенном заседании кафедры «Вагоны» УрГУПС в 2006 г.
Публикации. Основные положения диссертационной работы и научные результаты опубликованы в 14 печатных работах. Статьи опубликованы в журналах «Транспорт Урала», «Тяжелое машиностроение», «Заводская лаборатория», «Вестник УГТУ-УПИ», «Физическая мезомеханика», в научно-технических сборниках УрГУПС, ПГУПС. Работ, опубликованных в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией 1.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка и семи приложений. Содержание изложено на 118 машинописных страницах, в том числе включает таблицу и 43 рисунка. Библиографический список содержит 112 наименований.
Автор выражает глубокую признательность к.т.н., с.н.с. В.И.Миронову за систематическую многолетнюю помощь и поддержку при постановке и выполнении диссертационных исследований, д.т.н., профессору Н.С.Бачурину за конструктивные замечания и ценные советы, д.т.н., профессору В.Ф.Лапшину за поддержку и создание условий при выполнении работы.
Моделирование процесса вырождения свойств физических моделей материала с ростом циклической тренировки
Известно, что устойчивость деформирования на стадии разупрочнения зависит от условий нагружения [18,51,54]. Для выявления собственно свойств материала рассматривается кинематическое, или «мертвое» нагружение образца из упруго-хрупких элементов [30,42,43].
Коэффициент поперечной деформации (КПД) при дискретном подходе: Ае становится функцией от степени деформации, что и выражает суть проводимого ниже расчета коэффициента поперечной деформации.
В исходном состоянии геометрически одинаковые элементы диаметром d0 и площадью сечения /0 перемешаны и плотно упакованы в пучок (образец, испытуемый объем) квадратного сечения площадью F0 = md\ и стороной
Согласно выражениям (2.4) отдельный элемент остается упругим вплоть до разрушения. Его диаметр убывает при растяжении по закону: d = d0(]-vs), (2.6) где v = const - коэффициент Пуассона материала элемента. Вместе с диаметром убывает площадь и сторона сечения образца, появляется поперечная деформация: следовательно, КПД образца остается постоянным и равен коэффициенту Пуассона материала элемента. Не меняют своих значений при разгрузке коэффициент поперечной деформации vu = v и модуль „ = . Объемная деформация модельного образца совпадает с таковой для сплошного элемента тех же размеров. Сохранение упругих свойств в модельном образце на начальном этапе деформирования можно считать качественным подтверждением правомерности сделанных допущений, поскольку физическая суть деформирования не искажается.
Исходная структурная неоднородность прочностных свойств материала в схеме Даниэльса задается равномерным законом распределения случайной деформации предела прочности элементов R{sBa,B/3\. Поврежденность материала со при / разрушенных элементах и деформации єВа є євр, оценивается относительным числом разрушенных элементов:
В соответствии с первым ограничением две половинки разрушенного элемента с номером к разгружаются упруго, без остаточных деформаций. Их диаметр скачкообразно увеличивается от значения:
Дискретный подход, отраженный в формулах (2.3) - (2.10), удобен для машинного счета. В приложении Microsoft Access [76] на языке программирования Visual Basic [75] разработана рабочая программа для определения параметров ПДД модельного материала (см. приложение 1). Полная диаграмма деформирования, рассчитанная по формулам (2.3), (2.4), при достаточно большом числе элементов выглядит гладкой кривой (рисунок 4а). При малом числе элементов, или в увеличенном масштабе, зависимость j(e) пилообразна (вставка на рисунке 4а). Точками а, b и с отмечены состояния образца перед разрушением отдельного элемента, после разрушения и после активного догружения на Ає. По формулам (2.7), (2.8), (2.10), рассчитываем соответствующие значения поперечной деформации єа, єь,и є с.
Таким образом, разрушение каждого элемента приводит к скачкообразному изменению свойств моделируемого материала при неизменной деформации и, как следствие, неоднозначности в определении КПД.
Равенство (2.11) указывает на то, что графики зависимостей vu{s) и Еи{е), построенные в относительных координатах, совпадают. Кроме того, зная зависимость Еи (є), КПД vu (є) для данной модели можно вычислить:
Коэффициент vp может принимать отрицательные значения, отражая тот факт, что при растяжении поврежденного образца его поперечные размеры могут возрастать. Приращения поперечных деформаций меняют знак с некоторого момента, зависящего от степени структурной неоднородности. Таким образом, для получения полной информации об изменении свойств материала, описываемого моделью Даниэльса, при одноосном растяжении достаточно иметь диаграмму а{е) и зависимость Еи(є). Остальные параметры Ep(s), vp{s), vu(s) рассчитываются. Этот результат остается в силе и при нормальном законе распределения случайной деформации предела прочности, хотя сами зависимости существенно изменяются.
На рисунке 5а и рисунке 56 (кривые 1) приведена диаграмма а (є) и зависимости изменения свойств пучка при нормальном законе распределения случайной деформации єв. Диаграмма с (є) становится гладкой с точкой перегиба на падающей ветви. Зависимости изменения свойств становятся нелинейными, исчезают скачки в кривых касательных свойств vp и Ер.
Приведенные результаты моделирования показывают, что функциональные характеристики материала Е(є) и v(s) должны быть увязаны с диаграммой деформирования. Следовательно, такие факторы, как циклирование, температура, активная среда и т.п., должны влиять на них в той же степени, что и на диаграмму в целом. Например, экспериментально установлено вырождение статической диаграммы ряда конструкционных материалов при циклировании [13]. Изменение зависимостей Е{е) и v(s) при этом не исследовалось.
Учитывая второе, четвертое и пятое ограничения, дополним уравнения модели образца из упруго-хрупких элементов (2.3) и (2.4) циклическими свойствами при постоянном значении максимальной деформации цикла еи= const. Ограничимся областью многоцикловой усталости и положим, что кинетические кривые всех элементов подобны кривой (2.1).
По формулам (2.1), (2.3) и (2.4) составлен алгоритм расчета параметров ПДД и свойств модели образца из упруго-хрупких элементов, с учетом их деградации при циклировании. Разработаны компьютерные программы в приложении Microsoft Access на языке программирования Visual Basic (см. приложение 1).
На рисунке 5а приведены вырожденные кривые a(s), или циклические диаграммы деформирования (кривые 2, 3, 4). Соответствующие зависимости Е{е) и v(s) в относительных координатах на рисунке 56 (я, =0,л2 щ п4).
Графики ЕР(є) и vp{s), а также Еи(є) и vu{s), построенные после любого фиксированного числа циклов тренировки совпадают. Следовательно, циклическое нагружение, меняя параметры диаграммы деформирования и функций Е(є) и V(E) , не разрушает их взаимосвязи. С увеличением наработки снижается модуль упругости Е и модуль спада D диаграммы.
В продолжение работы Миронова В.И. [53], для определения свойств пластичных материалов, рассмотрим кинематическое нагружение растягивающей нагрузкой вдоль продольной оси образца из идеально упруго-пластических элементов, с разрушением в точке В (рисунок 3).
Методика испытаний образцов литых сталей элементов ходовых частей подвижного состава на разработанном испытательном комплексе
Физические способы определения циклического состояния материала предполагают наличие сложной измерительной аппаратуры и соответствующей квалификации персонала [7]. Механические испытания образцов на одноосное растяжение с построением ПДД относительно просты и могут проводиться в условиях заводской лаборатории. Но для их постановки также требуются некоторые навыки в проведении эксперимента и, кроме того, специальные средства измерения и нагружающее устройство повышенной жесткости [40,45]. Непременным условием для фиксирования в опыте реологически неустойчивых состояний материала является требование достаточно большой жесткости системы нагружения образца по отношению к его собственной жесткости. Величина данного отношения зависит от свойств материала испытуемого образца, а именно от степени структурной неоднородности. Чем однороднее по структуре материал, чем круче падающая ветвь ПДД и тем выше должно быть соотношение жесткостей машины и образца.
Растяжение образца с построением ПДД проводится на универсальных разрывных испытательных машинах методом превентивных разгрузок [38], на установках, обладающих быстродействующей обратной связью [54], а также в достаточно жестких нагружающих устройствах. Ниже приводятся схемы некоторых нагружающих устройств и подробное описание кольцевого устройства, использованного для построения ПДД литых сталей.
Квазистатическое растяжение образцов литых сталей деталей тележек грузовых вагонов с построением ПДД проводилось с использованием вилочного тензометра (рисунок 12) фиксации удлинения образца на малой базе измерения.
Полная диаграмма деформирования строилась в режиме управления по деформациям от датчика обратной связи, установленного в рабочей части образца. Тензометрический мост для измерения усилия на образец наклеивался на захват нагружающего устройства (рисунок 13), а затем тарировался.
Автоматизированная система сбора, обработки и хранения экспериментальной информации выполнена в конструктиве с ПЭВМ (рисунок 14). Она производила запись регистрируемых сигналов в режиме реального времени с выводом изображения на экран ПЭВМ и имеет коэффициент усиления сигнала с датчиков до 100 тыс. Последнее требование связано с малой базой линейных измерений и большой жесткостью захвата по отношению к жесткости образца.
Необходимо иметь устройство любого типа (рентген, голография, видео съемка и др.) для замера длины и диаметра зоны локализации-деформации. Единообразие формы и размеров рабочей части образцов, достигалось минимальными допусками на их отклонения, применением специально спрофилированного доводочного резца с последующей шлифовкой рабочей части. Образцы тщательно обмерялись под микроскопом и группировались в гистограмму эмпирического распределения диаметров рабочей части.
Группа образцов для однотипного испытания выбиралась из одного интервала гистограммы, и вводилась соответствующая поправка на параметры цикла при усталостных испытаниях. Чем однороднее структура материала, тем выше требовалась жесткость нагружающего устройства, для реализации реологически неустойчивых состояний.
Для исследуемого конструкционного материала проведен анализ химического состава, исследование микроструктуры, определено наличие неметаллических включений, установлен способ получения материала для изготовления образцов (литье, прокат, ковка и др.), изучено наличие и режимы термообработки, определен уровень стандартных механических свойств.
Длина образца выбрана исходя из особенности испытаний с построением ПДД с неизбежной локализацией запредельных деформаций для выполнения требования по снижению его жесткости. Кроме того, с уменьшением длины образца возрастала длина ПДД, определяемая условной деформацией є = АІ/10, достигая максимума для однократных образцов. Поэтому испытывались именно однократные образцы с диаметром рабочей части d0 = 2 лш и длиной /„ = 2 мм. Этот размер обусловлен также стремлением приблизить испытуемый объем к размерам так называемого «оптимального» образца [53] при сохранении технологических возможностей изготовления образцов. Однократные образцы указанных размеров использовались для построения ПДД многих конструкционных материалов, что позволяет дать сравнительную оценку вновь испытуемых образцов.
В целом методика проведения испытаний на одноосное растяжение с построением ПДД зависит от выбора нагружающего устройства и включает следующие действия:
- соблюдать особую тщательность и повторяемость действий при установке и закреплении образцов и датчиков, установке нуля.
- управляющим параметром выбирать перемещение А/. Опрос датчика измерения усилия проводить через два пикселя на экране монитора. При этом графическое изображение на экране состоит из нескольких тысяч точек, что дает излишнюю информацию и объем файлов для ее хранения.
- для построения графиков модулей разгрузки Еи(е) и vu(s) проводить 8-10 разгрузок в характерных точках машинной диаграммы, что делается при ее записи в режиме реального времени.
- установить скорость нагружения образца при статических испытаниях ниже скорости релаксационных процессов, проходящих в материале. Растяжение образцов проводить в ручном режиме, без поддержания какой-то определенной скорости деформации.
- результаты испытаний образцов записать в графическом виде в координатах Q-Al, Ad-Al, 1МК-М, а затем сохранить в базе данных в файлах для дальнейшей обработки.
- вырождение ПДД исследовать путем квазистатического растяжения образцов, тренированных до фиксированного числа циклов.
В стандартном испытании на одноосное растяжение жесткость испытательной установки не является контролируемым параметром. Как отмечалось во второй главе, при построении ПДД напротив основное требование к нагружающему устройству это достаточно высокая жесткость, что достигается разными способами [28,56]. Устройства 1-5,8 на рисунке 15 основаны на принципе параллельного или последовательного подсоединения жестких тяг. В устройстве 6 используется свойство не сжимаемости жидкости, а в схеме 7 инерционность присоединенных грузов. Быстродействующая обратная связь в схеме 9 позволяет имитировать любую, в том числе и отрицательную, жесткость машины.
Удобное и эффективное кольцевое устройство повышенной жесткости (схема5, рисунок 15) использовалось для построения полных диаграмм деформирования. Кольцо диаметром 160 мм и толщиной 10 мм оставалось упругим при усилии сжатия Q гидравлического пресса 3-4 тонны (рисунок 13). С ростом усилия Q жесткость кольца в перпендикулярном направлении возрастала, а относительного перемещения захватов (1,5-2 мм) было достаточно для разрушения специального образца с малой рабочей частью диаметром d=2 мм и длиной L=2 мм. Размеры рабочей части образца даны на вставке рисунка 24.
На кольцевое устройство и способ испытания образцов на растяжение с построением полной диаграммы деформирования получен патент РФ на изобретение [45].
Указанное сочетание нагрузки, размеров захвата и образца потребовало специального аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с мощной усилительной схемой [36,40].
Через блок балансировки АЦП сигналы с тензодатчиков подаются по интерфейсному кабелю в измерительную систему. В состав аппаратно-программных средств входят: ПЭВМ типа IBM PC/AT, АЦП и программное обеспечение [40]. АЦП выполнен в виде одноплатного модуля, вставляемого в слот расширения типа ISA системной шины ПЭВМ. Структурная схема АЦП приведена на рисунке 16.
Методика и примеры расчета ресурса типового конструктивного элемента деталей тележки грузового вагона из различных сталей
В качестве типового конструктивного элемента детали тележки вагона выбрана пластина с отверстием, поскольку в конструкции таких деталей имеется множество пластинчатых элементов [109J с технологическими и конструктивными концентраторами напряжений в виде отверстий.
На примере расчета ресурса пластины с отверстием в силовой постановке задачи модель деградации циклических свойств, критерий усталостного разрушения, усталостная кривая и численные расчеты НДС на ПЭВМ сводятся в единую методику оценки ресурса литых деталей тележек грузовых вагонов.
Несмотря на внутреннее единство методики, задачу оценки ресурса удобно разделить на две части. В первой части находится число циклов до появления разрушенных конечных элементов [105] в соответствии с выбранным критерием усталостной прочности материала и заданной истории нагружения. Во второй части исследуется стадия развития усталостной трещины до полного разрушения детали в связи с потерей устойчивости процесса деформирования.
С появлением разрушенных элементов происходит перераспределение напряжений в детали даже при стационарной внешней нагрузке. Именно такой случай рассмотрен в расчете долговечности пластины с отверстием.
Для решения задачи использовались следующие программные продукты: система пространственного моделирования Solid Works; модуль конечно-элементного анализа COSMOS Works [74]; программа баз данных Microsoft Access; язык программирования Visual Basic for Applications (VBA).
Геометрические размеры пластины с отверстием представлены на рисунке 31. Исходя из условия симметрии пластины, а также для упрощения рассчитывалась четверть пластины (рисунок 32). Пластина разбивалась на пространственные тетраэдральные конечные элементы. Общее количество конечных элементов в модели 10628. Всем конечным элементам задавались одинаковые исходные свойства: Е = 0,8х 104 МПа - модуль упругости, v = 0,23 - коэффициент Пуассона, ав = 180 МПа - предел прочности.
Величина силы Ртт = 0, Р11Ш = 830 Н при «мягком» нагружении оставалась неизменной и определялась из того условия, чтобы максимальное напряжение по Мизесу в наиболее нагруженном конечном элементе по сечению А-А не превышало УВ 12 = 90 МПа. Затем выполнялся расчет НДС в программе COSMOS Works с определением напряжений в каждом конечном элементе пластины (рисунок 33).
По формуле (4.2) определяем расчетный предел выносливости для наиболее нагруженного элемента аг = 45МПа при ег_, = 92МПа; к = Ъ; є = /3 = \ и у/ = 0,05 [79]. По усталостной кривой при N0=\Q\ а = 4 находим число циклов до разрушения наиболее нагруженного элемента на краю отверстия пластины в сечении А-А (рисунок 32).
К этому моменту сопротивление s(crM,N(crif)) в первом элементе снижается до уровня ам и число циклов до разрушения составит N(amax) = 62500. В остальных конечных элементах текущее сопротивление находится по формуле (3.1) с учетом (4.2).
В конечно-элементном пакете ANSYS предусмотрена операция «убивания» разрушенных конечных элементов при выполнении критерия (4.1). Элементу задаются «нулевые» свойства (модуль упругости, коэффициент поперечной де 89 формации) при которых он практически не влияет на общую картину деформирования детали. Операция «убивания» конечных элементов была реализована в пакете COSMOS Works по тому же принципу.
Так, в пластине с отверстием через N = 62500 циклов «выключается» из рассмотрения один конечный элемент (КЭ) и определяется новое поле НДС. Полученные напряжения в каждом КЭ сравниваются с найденными ранее значениями сопротивления при тренировке до JV = 62500 циклов. Если в к -ом КЭ условие (4.1) выполнено, т.е. Sk crk, то этот элемент также «убивается». Не продолжая циклирования снова решается статическая задача при наличии разрушенных элементов от перераспределения напряжений, вызванного усталостным разрушением первого элемента. В результате решения получаем новое распределение напряжений, при котором могут оказаться элементы где Sk аик.
Эти элементы «убиваются», снова решается статическая задача и т.д.
Итерационная процедура заканчивается, когда во всех КЭ Sk ош. Это означает, что найдено новое положение равновесия пластины с трещиной из «убитых» элементов и она «готова» воспринимать циклическую нагрузку
При сохранении параметров внешней стационарной нагрузки новое поле НДС связанное с появлением трещины, приводит к изменению интенсивности деградации свойств материала. В каждом КЭ определяется новый предел выносливости. По формуле (1.2) находится число циклов Nk и эквивалентное число циклов по формуле (3.7). Выполняется один цикл нагрузки и по формуле (3.1), находится новое значение сопротивления в каждом КЭ при числе циклов иэ+1. Далее проверяется условие (4.1), «убиваются» разрушенные элементы, решается статическая задача, т.е. проводится итерационная процедура поиска нового равновесного состояния пластины после 62501 цикла. Пластина «готова» к догрузке еще на один цикл. Процедура заканчивается при отсутствии состояния равновесия пластины с трещиной и фиксируется число циклов Np до усталостного разрушения пластины. Расчет по данному алгоритму приводит к значению до разрушения NP = 73377 циклов при «мягком» нагружении, NP = 875470 при кинематическом и показателе степени w = 2 в зависимости (3.1). При т = 6 число циклов Np = 73484 для «мягкого» нагружения.
На рисунке 34 приведены соответствующие кривые скорости развития трещины (кривая 1 для т = 2, кривая 2 для т = 6). Положение кривых на рисунке 34 показывает, что параметр т слабо влияет на долговечность пластины при гармоническом изменении внешней силы.
Для сравнения следует провести расчет долговечности пластины с использованием линейной гипотезы суммирования усталостных сопротивлений.
Расчет по линейной гипотезе отличается тем, что вместо сопротивления находится поврежденность каждого конечного элемента от циклической наработки п. С помощью специально написанной программы на языке VBA на базе Microsoft Access (см. приложение 5) определяем поврежденность в каждом КЭ при наработке п = 62500 циклов. Поврежденность Щ = п/м наиболее нагруженного КЭ при этом, очевидно, равна единице. К нему применяется упомянутая выше операция «убивания» и решается статическая задача по определению нового НДС. Проверяется выполнение условия прочности а SB0 для каждого КЭ. Те элементы, в которых условие не выполнено разрушаются. Определяется НДС с учетом разрушенных КЭ. Проверяется выполнение условия прочности и т.д. Как в описанной выше методике итерации заканчиваются, если есть новое положение равновесия.
Далее проводится циклическое нагружение, до тех пор, пока в каком-либо к -ом КЭ не наступит усталостное разрушение при сок = 1. Этот элемент «убивается», решается статическая задача определения НДС и далее процедура повторяется до тех пор, пока не произойдет потеря устойчивости процесса деформирования, связанная с отсутствием равновесных состояний.
Долговечность пластины при «мягком» и кинематическом нагружении с применением линейной гипотезы суммирования повреждений составила несколько миллионов циклов.
Силовой подход позволил наглядно изложить логику построения предлагаемой методики оценки ресурса литых деталей тележек грузовых вагонов.
В тоже время, исследование деградации ПДД образцов из стали 35 [13] показали, что в качестве параметра, контролирующего усталостный процесс, следует принять предельную деформацию ер, по-новому определяющую располагаемую пластичность материала.
Расчет ресурса надрессорной балки и сопоставление результатов со стендовыми испытаниями
Балка представляет собой массивную литую деталь с разного рода концентраторами напряжений, подверженную интенсивным переменным нагрузкам сложного спектра. Как ответственная деталь транспортной конструкции она должна обладать высокой эксплуатационной надежностью, или живучестью. Прогноз долговечности балок по существующим методикам оказывается значительно завышенным. Требуется альтернативный расчет, основанный на экспериментах по деградации свойств материала, который будет полезным при модернизации действующих и проектировании новых несущих деталей тележек грузовых вагонов.
В данной главе методика расчета ресурса долговечности типового конструктивного элемента детали тележки грузового вагона, отработанная при разных вариантах граничных условий, применяется для оценки ресурса надрессорной балки тележки грузового вагона модели 18-100. Расчет ресурса балки от реального спектра напряжений возникающих в эксплуатации проводится по данным ходовых прочностных испытаний на характерных участках пути при эксплуатационных нагрузках.
Выбор схемы опирання и параметров цикла переменной нагрузки связан с возможностью последующей экспериментальной проверки расчетов в стендовых испытаниях надрессорных балок. В расчете приняты те же условия, что реализуются в испытаниях, регламентированных [72]. В отраслевом стандарте [25] приводятся механические свойства стали 20ГЛ в нормализованном состоянии по результатам испытания стандартных образцов [24]. Эти данные, в соответствии с предлагаемой методикой, дополняются результатами экспериментов с однократными образцами из стали 20ГЛ, приведенными в третьей главе.
В результате имеем следующие исходные данные для решения задачи расчета ресурса. Стандартные свойства стали 20ГЛ в нормализованном состоянии: предел текучести сгг = 340 МПа; модуль упругости = 2х105 МПа; коэффициент поперечной деформации v = 0 3; предел выносливости гладкого полированного образца т_, = 215 МПа; показатель степени кривой усталости а = 3,5 не зависит от асимметрии цикла.
Максимальная нагрузка цикла Ртах = 80 тс действовала посредине балки по центру пятника. При минимальной нагрузке Pmia =10 тс, средняя нагрузка цикла Рт = 45 тс.
Расчетный предел выносливости тг, определенный по формуле (4.2) составил 132,6 МПа. При этом полагалось: у/= 0,05 - коэффициент чувствительности стали к асимметрии цикла [72]; = 1,5 - эффективный коэффициент концентрации напряжений, учитывающий снижение сопротивления усталости в связи с местными изменениями формы и размеров детали [78]; є = 0,75 - коэффициент масштабного эффекта [78]; /9 = 0,8 -коэффициент влияния качества поверхности (для черновой поверхности с литейной коркой) [78].
Силовой подход на основе зависимости (3.3) для циклически разупрочняющейся стали 20ГЛ не достаточно обоснован. Кроме того, в испытании стали 35, проводилось прямое экспериментальное доказательство преимущества деформационного подхода [13]. В расчете надрессорной балки использован деформационный подход и соответствующие зависимости (3.2). Исходная деформация разрушения нетренированного материала єР0 = 0,3884. Показатель степени, определяющий интенсивность деградации пластических свойств стали т = \,9. Сопоставляя угол наклона восходящей и падающей ветвей ПДД (рисунок 22, рисунок 23) принимаем отношение E/D = 3.
По конструкторским чертежам надрессорной балки разработана твердотельная модель в системе пространственного моделирования Solid Works. В модуле конечно-элементного анализа COSMOS Works, интегрированного в систему Solid Works, построена конечно-элементная модель надрессорной балки. Всем конечным элементам модели присвоены одинаковые свойства.
По заданным нагрузкам цикла определена соответствующая интенсивность напряжений в модуле COSMOS Works (рисунок 40).
Значения интенсивности напряжений введены в специально разработанную компьютерную программу расчета долговечности (см. приложение 4). Нажатием кнопки «Количество циклов до появления трещины» формы «Расчет долговечности» выполнен расчет числа циклов до разрушения конечного элемента, имеющего максимальное напряжение. Из таблицы «Таблица результатов» (см. приложение 4) выписаны значения текущей деформации разрушения є от наработки для всех конечных элементов опасного сечения.
Критерий усталостного разрушения является выражение sp( yM;N) = sPM. При соблюдении критерия «разрушенному» конечному элементу задавались свойства Е = 1 МПа, v = 1 х Ю 6.
Функцией «убивания» конечных элементов обладают сложные и дорогие конечно-элементные пакеты. В качестве альтернативного варианта, при использовании относительно простых и недорогих конечно-элементных пакетов типа COSMOS Works, ANSYS Workbench и др. для решения инженерных задач, предлагается нестандартный подход. Опасное сечение надрессорной балки предварительно «выкладывается» из отдельных деталей, по размеру совпадающих с размерами конечных элементов сетки и составляющих сборочную модель балки в системе Solid Works. Назначаются свойства всем отдельным деталям сборки. Выполняется разбивка сборки на конечные элементы. Далее определяется НДС надрессорной балки.
При усталостном разрушении наиболее нагруженного конечного элемента происходит перераспределение напряжений в надрессорной балке. Если ai SBi, то конечный элемент «убивался». В общем случае, при ав а{ ат, следует решить упруго-пластическую задачу для определения НДС. Развитие трещины при многоцикловой усталости протекает без заметных пластических деформаций в ее вершине. Остаточные деформации зафиксированы только на стадии статического долома (после потери устойчивости процесса деформирования). Подавляющее большинство конструкций работают именно в области многоцикловой усталости, в том числе и надрессорная балка. Поэтому на данном этапе разработанной методики полагалось, что при т; ат -» art - const. Выполнялась итерационная процедура, описанная в четвертой главе. Затем, при установлении нового положения равновесия продолжать циклирование до выполнения критерия усталостного разрушения каждого конечного элемента.
Решалась статическая задача. После определения нового НДС проверялось условие прочности в каждом КЭ, проводилась новая итерация и находилось положение равновесия балки. Если равновесия не было, то итерация останавливалась и фиксировалось число циклов до разрушения балки NP.
В результате расчета по предлагаемой инженерной методике количество циклов до появления усталостной трещины в надрессорной балке составило Nmp =1755100, до разрушения N =2065100. Зарождение усталостной трещины на внутреннем ребре жесткости.
Для сравнения, был выполнен расчет ресурса надрессорной балки той же конструкции при неизменных граничных условиях с использованием линейной гипотезы суммирования усталостных повреждений, по алгоритму, подробно описанному в четвертой главе на примере расчета ресурса пластины с отверстием. Число циклов по появления усталостной трещины не изменилось. Количество циклов до разрушения надрессорной балки составило несколько десятков миллионов циклов.
Опытная проверка расчетного прогноза ресурса на основе предлагаемой методики выполнена при проведении усталостных испытаний надрессорных балок на испытательной машине [73]. Испытания несущих деталей тележек вагонов проводят на специальных испытательных машинах большой мощности [46,70], имеющих силоизмерительные устройства, устройства регистрации деформаций, количества циклов нагружения, систему регистрации опытных данных и т.д. Машины зачастую имеют довольно сложные адаптеры для установки и надежной фиксации деталей в рабочей зоне. Установка крупногабаритных и металлоемких деталей на машины производится с помощью грузозахватных приспособлений и подъемных механизмов, значительного количества обслуживающего персонала. Ввиду высокой стоимости современных машин для усталостных испытаний, крупногабаритные детали испытывают в основном на гидравлических машинах устаревшей конструкции, приобретенных в советское время, которые имеют низкую частоту нагружения, что приводит к большой длительности испытаний и, как следствие, высокой стоимости. Для обеспечения современных требований к проведению испытаний проводят модернизацию имеющегося испытательного оборудования путем подключения специальных усилителей сигналов с применением ЭВМ, принтеров, установкой специальных датчиков и т.д., что еще более увеличивает стоимость испытаний. После поломки натурных деталей проводят изучение излома и определяют наличие дефектов.
