Содержание к диссертации
Введение
Состояние проблемы, цель и задачи исследования 7
1.1. Применение МКЭ для расчета несущих конструкций вагонов... 7
1.2 Краткий обзор исследований в области динамики вагонов 9
1.3 Состояние развития механики разрушения и методов определения долговечности конструкций 12
1.4. Постановка цели и задач исследования 18
Методика прогнозирования усталостной долговечности и живучести сварных несущих конструкций вагонов 21
2.1. Оценка динамического напряженно-деформированного состояния несущих конструкций вагонов 21
2.2. Оценка усталостной долговечности сварных несущих конструкций в рамках модели многоцикловой усталости 24
2.3. Уточненное определение коэффициентов концентрации напряжений в зонах сварных швов 34
2.4. Учет влияния на долговечность швов остаточных сварочных напряжений 40
2.5. Расчетная программа оценки долговечности сварных несущих конструкций вагонов 41
2.6. Оценка живучести сварных соединений с трещиноподобными дефектами 44
Разработка динамической модели вагона 55
3.1. Описание объекта исследования 55
3.2. Построение динамической модели движения пассажирского вагона ... 62
3.3. Формирование расчетных неровностей пути 74
3.4. Верификация динамической модели движения вагона 75
Обоснование динамических конечно-элементных моделей несущих конструкций кузова и рамытележки скоростного пассажирского вагона 84
4.1. Конечно-элементная модель несущей конструкции кузова 79
4.2. Конечно-элементная модель рамы скоростной тележки 83
4.3. Верификация конечно-элементных моделей кузова и рамы тележки... 86
5.1. Исследование усталостной долговечности сварной несущей
конструкции кузова скоростного пассажирского вагона 98
5.2. Оценка живучести наиболее нагруженного сварного шва кузова с
трещиноподобным дефектом 113
5.3. Исследование усталостной долговечности сварной несущей конструкции рамы тележки 122
5.4. Оценка живучести наиболее нагруженного сварного шва рамы тележки с трещиноподобным дефектом 132
5.5. Верификация предлагаемых методик оценки усталости и живучести сварных несущих конструкций вагонов 136
Основные результаты работы и выводы 144
Список литературы 148
Приложения 160
- Постановка цели и задач исследования
- Расчетная программа оценки долговечности сварных несущих конструкций вагонов
- Построение динамической модели движения пассажирского вагона
- Конечно-элементная модель рамы скоростной тележки
Введение к работе
Сварные несущие конструкции подвижного состава железных дорог подвергаются в процессе эксплуатации длительному и интенсивному воздействию циклических нагрузок. Работа конструкций в таких условиях приводит к появлению усталостных трещин и снижению несущей способности. Усталостные повреждения являются одной из основных причин потери работоспособности несущих конструкций подвижного состава [1], что в конечном счете влияет на безопасность движения. В связи этим, оценка усталостной долговечности сварных несущих конструкций является важным фактором, определяющим ресурсы вагонов, время между плановыми ремонтами и безопасность на транспорте.
Сварные соединения вагонов и локомотивов являются источниками сосредоточения усталостных повреждений, что связано с концентрацией напряжений, изменением механических свойств металла и действием остаточных растягивающих напряжений в сварном шве и околошовной зоне. [2].
Экспериментальные исследования усталостной долговечности сварных несущих конструкций вагонов на стендах не всегда возможны, что связано с их значительными геометрическими размерами и массой, а также со значительными затратами на их проведение.
Прогнозирование усталостной долговечности позволяет на стадии проектирования оценить ряд конструктивных решений и выбрать оптимальное, обнаружить «слабые» с точки зрения усталостной долговечности места и внести в конструкцию необходимые изменения.
Обеспечение достаточной долговечности конструкции приводит к снижению затрат на ремонтные работы в процессе эксплуатации, к уменьшению связанных с ним простоев вагонов, а также к снижению вероятности аварийных ситуаций, вызванных внезапными отказами.
Основными источниками повреждающих воздействий, приводящих к появлению усталостных трещин, являются динамические напряжения в
5 элементах несущих конструкций вагонов при движении. Теоретическая оценка динамической нагруженности вагона, определение усталостной долговечности несущих конструкций связана с разработкой динамической модели, адекватно описывающей его движение по рельсовому пути.
В настоящее время имеется большой опыт в исследовании динамики движения рельсовых экипажей [3-7]. Большие возможности для моделирования пространственных колебаний вагонов при движении по рельсовому пути дает программный комплекс «Универсальный механизм» разработанный на кафедре «Прикладная механика» под руководством профессора Д.Ю. Погорелова.
В диссертационной работе в качестве объекта исследования принят скоростной пассажирский вагон модели 61 - 4170 со скоростью движения до 200 км/ч производства ОАО «Тверской вагоностроительный завод». Моделирование динамики движения вагона производится в среде программного комплекса «Универсальный механизм».
Разработаны методики оценки динамической нагруженности несущих конструкции вагонов на основании моделирования их движения по рельсовым нитям, исследования усталостной долговечности и живучести сварных несущих конструкций вагонов в рамках модели многоцикловой усталости и синергитической концепции повреждаемости металла.
В первой главе рассмотрены существующие исследования и методики анализа напряженно-деформированного состояния несущих конструкций вагонов, динамики движения рельсовых экипажей и поведения сварных несущих конструкций в условиях циклического нагружения. В заключении сформулированы цель и основные задачи исследования. Во второй главе изложены основы методики прогнозирования усталостной долговечности и живучести сварных несущих конструкций вагонов.
Третья глава посвящена описанию объекта исследования и обоснованию динамической модели движения вагона по рельсовому пути.
В четвертой главе приведено обоснование конечно-элементных расчетных схем несущих конструкций кузова и рамы тележки скоростного пассажирского вагона.
В пятой главе представлены результаты исследований усталостной долговечности и живучести сварных несущих конструкций кузова вагона и рамы тележки.
Верификация результатов исследования выполнена с использованием данных натурных испытаний, проведенных в ЗАО НО «Тверской институт вагоностроения» [8-10].
Диссертационная работа выполнена при поддержке гранта аспирантов Минобразования России (А03-3.18-577).
Постановка цели и задач исследования
Традиционные подходы к исследованию поведения сварных несущих конструкций вагонов в условиях циклического нагружения сводятся в большинстве случаев к анализу их напряженно деформированного состояния (НДС) и расчету на сопротивление усталости в соответствии с требованиями Норм [93]. В свою очередь в основу регламентируемых Нормами расчетов на сопротивление усталости положена модель многоцикловой усталости, использующая линейную гипотезу суммирования усталостных повреждений при случайном нагружении [94]. В рамках данной модели рассматривается упругая работа материала с учетом гипотезы о его сплошности, бездефектности и безструктурности. Влияние существующих в реальных материалах дефектов, несплошностей и пластических деформаций опосредованно учитывается в величинах допускаемых напряжений. Кроме того, нормативные расчеты предусматривают оценку динамического напряженно- деформированного состояния конструкций либо на основании расчетов в статической постановке с учетом динамической составляющей через коэффициент динамики, либо с использованием экспериментальных данных, получение которых затруднено. Применение подобных приближенных подходов дает результаты с достаточно невысоким уровнем точности, что компенсируется использованием при расчетах значительных коэффициентов запаса. В связи с этим актуальной является разработка методики оценки усталостной долговечности и живучести сварных несущих конструкций вагонов на основе анализа их напряженно-деформированного состояния при движении и использования современных подходов математического моделирования и механики разрушения. На основании изложенного определена цель диссертационного исследования: разработка методики прогнозирования усталостной долговечности и живучести сварных несущих конструкций пассажирских вагонов с учетом нагруженности при движении. Достижение поставленной цели связано с решением следующих задач. 1. Разработка пространственной динамической модели движения пассажирского вагона с учетом неровностей рельсового пути и параметров рессорного подвешивания вагона в среде программного комплекса «Универсальный механизм». Оценки достоверности динамической модели. 2. Определение динамической нагруженности основных сварных несущих элементов пассажирского вагона: кузова и рамы тележки. 3. Построение уточненных упруго-диссипативных конечно-элементных моделей кузова пассажирского вагона с двухслойной обшивкой и отдельных его областей. Оценка их достоверности. 4. Построение уточненных упруго-диссипативных конечно-элементных моделей рамы тележки и отдельных её областей. Оценка их достоверности. 5. Разработка методики прогнозирования усталостной долговечности сварных несущих конструкций пассажирских вагонов с учетом их динамической нагруженности. 6. Разработка программы расчетной оценки усталостной долговечности сварных соединений несущих конструкций вагонов. 7. Разработка алгоритма оценки живучести сварных соединений несущих конструкций вагонов на основе синергетическои концепции, включая моделирование объемного роста трещины в стыковых и тавровых сварных швах, при динамическом нагружении. 8. Проведение расчетов по оценке усталостной долговечности и живучести сварных конструкций кузова и рамы тележки скоростного пассажирского вагона производства ОАО «Тверской вагоностроительный завод» и верификация результатов расчетов.
Расчетная программа оценки долговечности сварных несущих конструкций вагонов
На основании разработанной методики оценки усталостной долговечности сварных несущих конструкций вагонов разработана расчетная программа. На первом этапе в соответствии с типом сварного соединения, его геометрическими параметрами и накладываемыми на эти параметры конструкционными, технологическими и др. ограничениями производится выбор зависимости для определения эффективного коэффициента концентрации напряжений Кст из выражений (2.28 - 2.43) по рекомендованным областями применения (табл. 2.1, 2.2). С помощью выбранной зависимости определяется значения эффективного коэффициента концентрации напряжений. По зависимости (2.8) производится расчет среднего значения общего коэффициента снижения предела выносливости натурной детали по отношению к пределу выносливости гладкого стандартного образца (Кст)к. С помощью выражения (2.7) определяется среднее значение предела выносливости натурной детали аа,ы На втором этапе осуществляется проверка осциллограмм динамических эквивалентных напряжений, загруженных в программу в качестве исходных данных, и исключение напряжений с уровнем меньше нижней границы повреждающих напряжений amjn(2.11). Далее проводится статистическая обработка полученной осциллограммы методом полных циклов с использованием стандартной функции статистического анализа «Гистограмма», входящей в программу Microsoft Exel.
В результате анализа определяются уровни амплитуд динамических напряжений и вероятности появления их в исследуемой реализации Р,. На основании зависимости 2.15 определяется ресурс сварного соединения в циклах нагружения. На следующем этапе производится определение коэффициента снижения долговечности сварного соединения под действием остаточных сварочных напряжений Q (2.46) и корректировка ресурса сварного соединения, определенного на предыдущем этапе на величину полученного коэффициента Q. На основании скорректированного ресурса сварного соединения определяется срок службы сварного соединения в годах Тк (2.21). Дополнительной опцией программы является возможность оптимизации геометрических параметров сварных соединений. Оптимизация производится с использованием алгоритма нелинейной оптимизации Generalized Reduced Gradient (GRG2), разработанного Л. Лас доном и А. Уореном [114] и реализованного в Microsoft Excel. В качестве целевой функции принимается обеспечение установленного нормативной документацией максимального срока службы шва с учетом технологических и конструкционных ограничений на геометрические параметры швов.
Построение динамической модели движения пассажирского вагона
Оценка динамического нагруженного состояния вагона производится на основе динамической модели вагона в виде системы связанных твердых тел, описывающих пространственные колебания вагона. Разработка и расчет модели производился в среде программного комплекса моделирования динамики систем тел «Универсальный механизм», разработанного на кафедре «Прикладная механика» Брянского государственного технического университета под руководством профессора Д.Ю. Погорелова [5]. С помощью модуля ввода данных UM Input на базе исходных данных о геометрических, инерционных и силовых характеристиках элементов конструкции вагона производится формирование его расчетной схемы. На основании созданной динамической модели программный комплекс производит автоматическую генерацию уравнений движения вагона. Моделирование движения вагона проводится с использованием модуля UM Simul, осуществляющего интегрирование полученных уравнений движения.
Динамическая модель вагона состоит из кузова вагона, соединенного с двумя моделями тележек, представленными в виде подсистем (рис. 3.4).
Структурная схема динамической модели вагона показана на рис 3.5. В расчетной схеме кузов вагона вместе с внутренним оборудованием и экипировкой представляется в виде абсолютно твердого тела, обладающего шестью степенями свободы с реальными инерционными и геометрическими характеристиками. Опирание кузова на тележки через скользуны моделируется с помощью силовых контактных элементов
Силовой элемент соответствует контактным взаимодействиям пары тел, при котором с одним телом связывается набор точек, а с другим безграничная плоскость, определяемая одной точкой и внешней нормалью [124]. Контактные силы равны нулю, если расстояние между точкой и плоскостью Д положительное (нет контакта). При наличие контакта Д 0 возникает сила взаимодействия, имеющая две составляющие: нормальную реакцию N, направленную по нормали к плоскости, и силу трения F/, лежащую в контактной плоскости. Для нормальной реакции используется линейная вязко-упругая модель где с, d - постоянные коэффициенты жесткости и диссипации контактного взаимодействия.
Математическая модель силы трения в режиме скольжения имеет следующий вид подсистема тележка неровности рельсов где vs - вектор скорости скольжения;/- коэффициент трения скольжения. В случае изменения направления вектора скорости скольжения на противоположное реализуется режим сцепления, математическая модель которого имеет вид где Fg - значение вектора силы трения, зафиксированное при переходе от режима скольжения к режиму сцепления; rg,rgo - начальное и текущее значения вектора, соединяющего точку, описывающую безграничную плоскость, и проекцию на контактную плоскость точки, которая описывает контактируемое тело.
Ограничения горизонтальных перемещений кузова в продольном и поперечном направлении относительно надрессорного бруса в шкворневом узле моделируется линейным силовым элементом 4 (рис. 3.5). Элемент соединяет две точки с указанными координатами, принадлежащие двум разным телам. В процессе изменения положения точек относительно друг друга в элементе возникают усилия, величины которых при приведении к точке прикрепления элемента ко второму телу в координатах первого тела определяются следующим выражением где F — сила возникающая в элементе; Fo - стационарное значение силы; Cj, d; - жесткость элемента и относительное смещения точки в направлении вектора i; Q, dj - угловая жесткость элемента и относительный поворот второго тела относительно вектора j. Жесткостные свойства элемента в виде матрицы размером 6x6, значение стационарной силы и координаты точек прикрепления элемента к телам вводятся в программный комплекс в качестве исходных данных.
Конечно-элементная модель рамы скоростной тележки
Для оценки динамического напряженно-деформированного состояния сварной несущей конструкции кузова вагона разработана детализированная упруго-диссипативная пластинчатая конечно-элементная модель (рис 4.1). Формирование КЭ модели выполнялось на основании геометрической модели, разработка которой производилась в среде графического ядра моделирования Femap 8.0 [131] конечно-элементного комплекса MSC Nastran for Windows 2001 [35].
Все элементы несущей конструкции кузова, включая подкрепляющий набор (за исключением гофрированного участка пола), моделировались 80146-ю четырех узловыми изотропными пластинчатыми элементами типа Plate [21], размером 50x50 мм. Гофрированная обшивка пола моделировалась 2428-ю четырех узловыми ортотропными пластинчатыми элементами с параметрами, принятыми в соответствии с [132].
Моделирование двухслойной обшивки боковых стен проводилось с использованием методики, предложенной в работе [133] и реализованной в [134]. Отдельно моделировалась гладкая наружная обшивка (поз. 1 на рис.4.2) и гофрированная внутренняя обшивка (поз. 3 на рис. 4.2). Точечная сварка наружных и внутренних листов обшивки моделировалась представлением каждой сварной точки условным стержневым конечным элементом длиной 0,03 мм (поз. 2 на рис. 4.2). Параметры этих стержневых конечных элементов определялись из условия взаимодействия обшивок при их относительном сдвиге в продольном направлении путем сравнения соответствующих деформаций, полученных по уточненной пластинчатой схеме МКЭ и по пластинчато-стержневой КЭ схеме.
Отличие рассматриваемой конструкции кузова вагона от типовой модели 61 -4170 является применение на крыше гладкой обшивки толщиной 2 мм на скатах и 1,5 в среднем сечении. Продольная устойчивость крыши обеспечивается дополнительным введением в конструкцию крыши четырех продольных стрингеров, выполненных из гнутых z -образных профилей размером ! 0x64x45 мм.
Все конечные элементы модели кузова объединены в 78646 узлах. Общее число степеней свободы модели составило 472х103. Закрепление динамической КЭ модели вагона в пространстве осуществляется продольной связью по упорам автосцепки 3 (рис. 4.3) с жесткостью, моделирующей статическую жесткость поглощающего аппарата Р-5П [94], и связями по остальным пяти степеням свободы, наложенными в зонах скользунов 2 и пятника 1. Эти связи моделируются линейными элементами DOF Spring [21], представляющими собой пружину с заданной минимальной жесткостью, не влияющей на динамическое напряженно-деформированное состояние кузова.
Учет внутреннего трения в конструкции осуществляется по гипотезе Фойгга [135]. При моделировании динамики колебаний несущей конструкции совокупность действующих диссипативных сил заменяется эквивалентным вязким демпфированием, определяемым из равенства работ данных сил и сил вязкого сопротивления за период колебаний. Определение коэффициента эквивалентного вязкого демпфирования производится на основе коэффициента конструкционного демпфирования, обусловленного работой сил внутреннего трения. Преобразование конструкционного демпфирования в эквивалентное вязкое производится по первой частоте собственных изгибных колебаний конструкции. Коэффициент конструкционного демпфирования при расчетах принимался равным 10% от критического.
Нагружение динамической КЭ модели кузова вагона осуществлялось динамическими нагрузками, реализации которых получены на соответствующих элементах твердотельной динамической модели вагона (рис. 3.5). На рис. 4.4 поз. 1 показана вертикальная нагрузка на скользунах, поз. 2 - продольные и поперечные горизонтальные силы на пятнике.
Оценка динамического напряженно-деформированного состояния рамы тележки производилась с использованием динамической упруго-диссипативной пластинчатой КЭ модели (рис. 4.5). Несущая конструкция рамы моделировалась 15577-ю четырех узловыми изотропными пластинчатыми КЭ типа Plate средним размером 30x30 мм, объединенными в 14932 узлах. Формирование модели проводилось на основании разработанной геометрической модели в среде графического ядра моделирования Femap 8.0 КЭ комплекса MSC Nastran for Windows 2001.
