Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса по теме диссертации 7
1.1. Обзор опубликованных работ по оптимизации кузовов вагонов 7
1.2. Обзор существующих направлений анализа устойчивости несущих элементов кузовов вагонов 17
1.3. Задачи исследований и принятые ограничения 20
2. Теоретические аспекты оптимизации кузовов вагонов с учетом устойчивости несущих элементов 22
2.1. Методика оптимизации с учетом прочности и устойчивости 22
2.2. Анализ форм потери устойчивости обшивки кузовов вагонов 34
2.3. Анализ устойчивости гофрированной обшивки кузова вагона с учетом начальной технологической изогнутости 55
2.4. Математическая модель кузова вагона для анализа устойчивости и прочности несущих элементов 59
2.4.1. Моделирование обшивки с учетом начальных несовершенств 63
2.4.2. Моделирование стержней, ориентированных в пространстве произвольным образом 76
2.5. Алгоритм оптимизации параметров несущих элементов с учетом прочности и устойчивости 79
3. Разработка программного обеспечения для оптимизации несущих элементов кузовов вагонов с учетом прочности и устойчивости 92
3.1. Программа оптимизации с учетом устойчивости несущих элементов
3.2. Описание общего программного комплекса оптимизации с учетом устойчивости и прочности 92
3.3. Процедура использования программного комплекса в процессе оптимального проектирования 98
4. Проверка разработанных алгоритмов и программного обеспечения 104
4.1. Проверка разработанной математической модели кузова вагона (сопоставление с результатами натурного эксперимента) 104
4.2. Проверка алгоритма оптимизации с учетом устойчивости и программного комплекса на тестовых примерах 111
4.3. Анализ результатов и выводы 121
5. Применение разработанных алгоритмов и программного комплекса для оптимального проектирования кузова рефрижераторного вагона 122
5.1. Описание объекта 122
5.2. Результаты оптимизации 126
5.3. Анализ результатов, выводы и рекомендации 134
5.4. Экономический эффект от оптимизации 135
6. Исследование влияния отдельных факторов на результаты оптимизации кузова вагона 136
6.1. Анализ влияния величины начальной технологической изогнутости обшивки 136
6.2. Выводы и рекомендации 139
Заключение: основные результаты работы, выводы и рекомендации 140
Список использованных источников
- Обзор существующих направлений анализа устойчивости несущих элементов кузовов вагонов
- Математическая модель кузова вагона для анализа устойчивости и прочности несущих элементов
- Описание общего программного комплекса оптимизации с учетом устойчивости и прочности
- Проверка алгоритма оптимизации с учетом устойчивости и программного комплекса на тестовых примерах
Обзор существующих направлений анализа устойчивости несущих элементов кузовов вагонов
В большинстве случаев в качестве главных ограничений в задачах ОПК кузовов вагонов выступают ограничения по прочности, и процесс ОПК строится таким образом, чтобы в итоге приблизиться к равнопрочным конструкциям. Среди работ, в которых ограничение по прочности выступает в качестве главного, можно выделить диссертационные работы В.П. Лозбинсва [39], СВ. Сорокиной [88], А.Ю. Кузнецова [36] и Мысютина А.П.
В работах [42, 49, 33, 38, 48] в качестве главных ограничений рассматриваются ограничения по прочности и устойчивости. Особый интерес представляет работа [33], в которой предложена методика определения расстояния между дугами, исходя из условия обеспечения местной и общей устойчивости среднего участка панели крыши.
Независимые переменные, подвергающиеся оптимизации в задачах ОПК кузовов вагонов, принято разделять на две группы: 1) переменные, определяющие параметры поперечных сечений несущих элементов (стержневых и несущей обшивки); 2) переменные, определяющие структуру несущей конструкции. Первая группа переменных используется при так называемой параметри ческой оптимизации, а вторая при структурной оптимизации. К настоящему времени накоплен большой опыт в области параметрической оптимизации. Среди первых работ, проводимых в этом направлении, особый интерес вызывают работы [25, 87, 63], в которых поперечные сечения стержневых несущих элементов представляют совокупностью прямоугольных элементов. Такое представление поперечных сечений позволяет автоматизировать процесс определения геометрических характеристик при корректировке сечений. В данных работах отыскиваются не только оптимальные размеры, но и формы поперечных сечений стержневых элементов, т. к. в качестве оптимизируемых параметров выступают координаты двух вершин каждого прямоугольника, лежащие на одной из его диагоналей. Таким образом, форма поперечного сечения стержневого элемента определяется путем оптимизации положения каждого прямоугольного элемента в плоскости сечения, а также за счет вырождения некоторых прямоугольных элементов, образующих сечение. В работе [63] предложен способ выбора форм поперечных сечений, позволяющий уменьшить объем информации о сечениях на основе использования некоторой общей формы поперечного сечения - первообразного сечения. Под первообразным сечением в указанной работе понимается такое сечение, которое состоит из упорядоченного набора прямоугольных элементов, взаимное расположение которых фиксировано. Удаление определенных элементов из первообразного сечения позволяет получить в качестве производных наиболее распространенные в вагоностроении профили.
В работах Ф.Ю. Лозбинева [48, 49] оптимизация поперечных сечений несущих элементов осуществляется с использованием специальных баз данных, включающих информацию о типах и сортаментах профилей. В этих работах оптимизации подвергается также несущая обшивка, представленная в виде стержневых элементов (гофров).
На настоящий момент делаются попытки определения оптимальной формы кузова в целом (определение необходимого количества, координат и форм подкрепляющих элементов, а также общей конфигурации кузова).
К оптимизационным расчетам предъявляются повышенные требования точности расчетов несущих конструкций, так как в процессе оптимизации напряжения во многих элементах несущих конструкций приближаются к допускаемым напряжениям. Таким образом, алгоритмы расчетов и расчетные схемы в задачах ОПК не должны приводить к занижению расчетных напряжений по сравнению с фактическими напряжениями в рассматриваемых сечениях исследуемых объектов.
В настоящее время для оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) несущих конструкций кузовов вагонов широко используется МКЭ, который по своей сущности является приближенным численным методом. Точность расчетов при использовании МКЭ можно повысить за счет разбиения расчетных моделей на более мелкие конечные элементы и за счет использования конечных элементов, учитывающих особенности несущих конструкций.
Для расширения возможностей применения МКЭ к сложным конструкциям, какими являются кузова вагонов, нашли распространение следующие известные способы: - метод суперэлементов; - метод чередования основных систем, предложенный Е.Н. Никольским; - прием модификации расчетных схем на различных этапах расчета; - способ последовательного выделения областей с возрастающей густотой сетки конечных элементов (алгоритм Л.Л. Кожевниковой, известный как метод математической линзы).
Применение метода чередования основных систем и алгоритма Кожевниковой в сочетании с МКЭ в оптимизационных расчетах несущих конструкций отражено в диссертационных работах [36, 38].
Как указано выше на точность расчетов оказывает влияние точность смоделированной расчетной схемы МКЭ, которая должна учитывать существенные факторы, влияющие на результаты расчета. Приемлемую точность расчетных схем МКЭ применительно к кузовам вагонов, как указано в работе [42], в настоящее время стремятся обеспечить за счет следующего: 1) Стержневые подкрепляющие элементы в расчетную модель МКЭ вводят в качестве самостоятельных конечных элементов. 2) Учитывают эксцентриситет стержневых подкрепляющих элементов по отношению к обшивке. С этой целью используют конечные элементы с жесткими консолями по концам. 3) При формировании расчетной модели МКЭ стремятся обеспечить тождество жесткостеи конечных элементов и соответствующих конструктивных элементов. С этой целью выполняют следующее: - конструктивные элементы переменного по длине сечения (балки и стойки) моделируют эквивалентными стержневыми элементами постоянного по длине сечения (определяют эквивалентные моменты инерции и площадь сечения); - гофрированную панель моделируют эквивалентной ортотропной, учитывающей податливость гофров в поперечном направлении и ослабленную работу участков обшивки между гофрами вследствие потери устойчивости указанных участков. Методы ОПК кузовов вагонов.
При использовании МКЭ оценка НДС несущих конструкций осуществляется с помощью специально построенного алгоритма, обеспечивающего высокую автоматизацию расчетов на ЭВМ. Ограничения по прочности и устойчивости не могут быть представлены в виде аналитических зависимостей. Это исключает возможность использования для решения оптимизационных задач аналитических (непоисковых) методов. Для решения таких задач в настоящее время широко используются методы направленного поиска.
Математическая модель кузова вагона для анализа устойчивости и прочности несущих элементов
В соответствии с Нормами [67, 68], рекомендующими по возможности образовывать замкнутые шпангоутные рамки из поперечных элементов жесткости кузова, перенесем найденную на этапе 3 величину а (расстояние между дугами крыши) на боковую стену и раму. Таким образом, будут образованы замкнутые рамки из дуг крыши, стоек боковых стен и поперечных балок рамы.
Далее, в расчетную схему кузова вводим элементы жесткости (дуги, стойки, балки) в местах дверных проемов, оконных вырезов и крепления оборудования.
Для боковой стены кузова принимаем радиус гофра равным радиусу гофра обшивки крыши, при этом шаг гофрировки определяем из условия эффективной работы негофрированных участков обшивки боковой стены по формуле (2.8).
Размеры сечения стоек определяются по схеме этапа 4.2 из условия обеспечения общей устойчивости панели боковой стены EJCT EJCT кр , (2.17) где EJCT, EJCT кр - соответственно фактическая и критическая изгибные жесткости сечения стоек с присоединенными участками обшивки, длиной, равной сорока толщинам обшивки где b - ширина панели боковой стены; р - параметр, характеризующий степень неравномерности изменения нормальных напряжений на кромках панели
Гофрированная обшивка в расчетной схеме МКЭ моделируется в виде ортотропных пластин, где в качестве самостоятельных стержневых элементов представлены лишь наиболее нагруженные гофры, такие как верхний гофр крыши, верхний и нижний гофры боковой стены. Жесткостные характеристики ортотропных пластин задаются согласно п. 2.4. По высоте боковая стена в рас-. четной схеме МКЭ разделяется на две или три части.
Построенный на этом этапе исходный вариант несущей конструкции кузова должен находиться в допустимой области параметров проектирования, то есть удовлетворять требованиям прочности и устойчивости. Следовательно, соответствующие нормированные коэффициенты запаса прочности Nnp и устойчивости NycT должны быть больше либо равны единице.
В соответствии с основными расчетными режимами Норм [67, 68] находятся максимальные напряжения в несущих стержневых элементах кузова, а также в верхнем гофре крыши, верхнем и нижнем гофрах боковой стены и определяются нормированные коэффициенты запаса прочности и устойчивости:
N"P= jl j и Ny"= Р j
Здесь amax , [a] - соответственно максимальные расчетные напряжения и допускаемые напряжения по прочности в элементах конструкции; сгсжтах , о кр, [пуст] - соответственно максимальные сжимающие расчетные напряжения, критические напряжения и допускаемый коэффициенты запаса устойчивости в элементах конструкции.
Для несущей гофрированной обшивки нормированные коэффициенты запаса устойчивости определяются как минимальные из совокупности нормированных коэффициентов запаса общей и местной устойчивости ее элементов (гофров), а также общей устойчивости панелей обшивки. 7. Изменение сечений несущих элементов с целью уменьшения металлоемкости несущей конструкции и повторный расчет нового варианта конструкции по МКЭ.
Изменение сечения элемента происходит в соответствии с ведущим ограничением (но прочности или устойчивости), определяемым как наименьшее из нормированных коэффициентов запаса прочности и устойчивости, и прекращается тогда, когда в рассматриваемом элементе Nnp «1 и (или) NycT »1.
В случае изменения сечения гофрированной обшивки для повторного расчета по МКЭ определяются новые значения приведенных характеристик ортотропных пластин.
Специфика пагружения кузовов вагонов в эксплуатации предполагает возникновение наряду с растягивающими силами сжимающих сил. Отсюда несущая способность современных конструкций кузовов вагонов, представляющих собой тонкостенные подкрепленные конструкции, должна оцениваться не только прочностными расчетами, но и расчетами на устойчивость.
Отмечая тот факт, что потеря устойчивости возможна как в упругой стадии деформаций материала, так и за ее пределами, в настоящей работе согласно Нормам [67, 68], не допускающим возникновение в несущих элементах кузовов вагонов пластических деформаций, ограничимся анализом устойчивости в пределах упругих деформаций.
Ниже рассмотрим два рода потери устойчивости - первого и второго, различаемые в инженерной практике.
Потеря устойчивости первого рода характеризуется появлением качественно новых форм деформаций и отражает картину потери устойчивости предельно идеализированных систем.
В реальных конструкциях, несущие элементы которых уже изначально находятся в сжато-изогнутом состоянии, явление потери устойчивости первого рода наступает крайне редко. Здесь имеет место так называемая потеря устойчивости второго рода, для которой характерно сильное развитие прежних (исходных) форм деформаций без появления деформаций нового типа. В этом . случае, момент наступления потери устойчивости обычно фиксируется по нарушению линейной зависимости между деформациями и напряжениями, когда деформации начинают расти гораздо быстрее, чем нагрузка.
Наличие в кузовах вагонов эксцентрично присоединенных элементов, начальной технологической погиби и ряда других несовершенств, приводит к тому, что анализ устойчивости необходимо проводить с позиций устойчивости второго рода.
Рассматривая несущую конструкцию кузовов вагонов как сложную статически неопределимую систему, приведем общую схему процесса потери устойчивости, характерную для такой системы.
Как известно, несущая способность статически неопределимой системы не всегда исчерпывается потерей устойчивости отдельных ее элементов. Объясняется это особенностью в такой системе процесса выпучивания, который сопровождается одновременно перераспределением напряжений, когда элемент, потерявший устойчивость, может сбросить часть своей нагрузки на соседние, более устойчивые элементы. Так, например, Нормами [67, 68] допускается возможность потери устойчивости плоских участков обшивки, заключенных между соседними гофрами.
Следует отметить, что в.статически неопределимой системе возможна ситуация, когда выпучивание отдельного ее элемента может привести к цепному процессу выключения из работы других (не выпученных) элементов. Следовательно, в такой системе надо исключать возможность потери устойчивости тех ее элементов, с которых может начаться данный цепной процесс.
Применительно к сварным конструкциям современных кузовов вагонов с несущей гофрированной обшивкой процесс потери устойчивости последней можно представить следующим образом. Предположим, что технологически изогнутые плоские участки обшивки, заключенные между соседними гофрами, первыми начнут терять устойчивость как наименее жесткие элементы (изгибная жесткость из плоскости таких элементов мала). Потеряв устойчивость, такие участки обшивки частично выключаются из дальнейшего восприятия нагрузок, что в свою очередь приведет к возрастанию нагрузки на соответствующие гофры обшивки. Далее, наиболее нагруженные гофры обшивки (отдельные гофры или группа гофров) раньше других начнут терять устойчивость, передавая нагрузку на соседние не потерявшие устойчивость гофры обшивки.
Таким образом, процесс потери устойчивости по вышеприведенной схеме будет представлять собой цепной процесс выключения из работы все новых и новых гофров, и в конечном итоге выразится в потерю устойчивости целых панелей обшивки. Нормами проектирования вагонов предусматривается проверка устойчивости тонкой подкрепленной обшивки кузова по схеме, базирующейся на анализе ее возможных форм потери устойчивости, которая включает в себя следующие этапы: - проверку местной устойчивости продольного подкрепляющего элемента обшивки на участках между соседними поперечными элементами; - проверку местной устойчивости подкрепленной панели обшивки на тех же участках; - проверку общей устойчивости целых панелей обшивки (крыши, боковой стены) на длине базы вагона. Анализ устойчивости подкрепленной обшивки по вышеприведенной нормативной схеме заключается в поиске определяющей формы потери устойчивости, т. е. той, которая возможна раньше других.
Описание общего программного комплекса оптимизации с учетом устойчивости и прочности
На внутреннем цикле оптимизационной процедуры переход от одной . формы к другой осуществлен путем переноса габаритной рамки первой на вторую, при рассмотрении конструктивных ограничений последней.
При этом наилучший вариант формы сечения гофра, имеющий наименьший весовой показатель, принимается в качестве исходного на текущей итерации.
Процесс оптимизации гофрированной обшивки на внутреннем цикле оптимизации заканчивается определением приведенных характеристик ортотроп-ных пластин, моделирующих в расчетной схеме МКЭ данную обшивку.
Выполняется расчет по МКЭ текущего варианта несущей конструкции, полученного на внутреннем цикле оптимизации (на шаге 5). Проверяется выполнение всех установленных ограничений, и при этом, если ограничения не выполняются, то текущий вариант несущей конструкции теряется и осуществляется переход к варьированию следующей по очереди оптимизируемой группе (к шагу 5). Здесь предусматривается проверка общей устойчивости гофрированных панелей и общей устойчивости гофра. 7. Вычисляется значение величины оптимизируемой функции цели М(п+ для текущего варианта конструкции и сравнивается с исходным значением М(п , при этом: - если М(,+ М - текущий вариант несущей конструкции теряется и осуществляется переход к варьированию следующей по очереди оптимизируемой группе (к шагу 5); - если М(,+1) М(11) - текущий вариант несущей конструкции принимается за исходный и осуществляется переход к варьированию следующей по очереди оптимизируемой группе (к шагу 5).
Оптимизация заканчивается, когда пройдена вся очередь на оптимизацию групп. Модифицированный алгоритм покоординатного метода отличается от вышеприведенного алгоритма тем, что на шаге 7 при выполнении условия ]у[(ч+ ) ]yj(n) осуществляется возврат к шагу 3. В этом случае, оптимизация заканчивается, когда изменение массы конструкции между двумя соседними итерациями мало (меньше заданной малой величины).
Блок-схема алгоритма оптимизации представлена на рис. 2.30. Формирование структурной схемы исходного варианта конструкции
В настоящей работе оценивается устойчивость продольно-сжатых стержневых элементов и несущей обшивки кузова вагона. Программа оптимизации, реализующая алгоритм структурно-параметрической оптимизации (см. рис. 2.30), представлена на рис. 3.1 и 3.2 в виде укрупненных блок-схем. Здесь демонстрируется только часть общего программного комплекса оптимизации, а именно программа оптимизации с учетом устойчивости несущих элементов кузова вагона.
Программы (см. рис. 3.1), заключенные в блоки 1 - 4 и выделенные на рисунке жирным контуром, были разработаны непосредственно автором настоящей работы. Все остальные программы являются программным продуктом Лозбинева Ф.Ю [46], за исключением программы расчета НДС по МКЭ, в основу которой положен программный продукт, разработанный на кафедре «Вагоны» Брянского института транспортного машиностроения под руководством Е.Н. Никольского [66].
Все разработанные в настоящей работе программы составлены на алгоритмическом языке FORTRAN-77. Описание общего программного комплекса оптимизации с учетом устойчивости и прочности Описываемая версия общего программного комплекса оптимизации настоящей диссертационной работы предназначена для решения задач структурной и параметрической оптимизации нерегулярных пространственных стерж 93
Блок-схема подпрограммы MDAT8: оптимизация параметров и формы поперечного сечения несущей гофрированной обшивки невых и пластинчато-стержневых несущих систем типа кузовов вагонов с высокой степенью статической неопределимости по критерию минимума массы металла при ограничениях по прочности, устойчивости и конструктивных. В данном комплексе реализованы в виде программ следующие алгоритмы оптимизации: - простой и модифицированный алгоритмы параметрической оптимизации покоординатным методом из допустимой области параметров проектирования по критерию минимума массы металла при ограничениях по прочности, устойчивости и конструктивных (см. п. 2.5); - алгоритм структурной оптимизации предварительного этапа проектирования по критерию минимума массы металла при тех же ограничениях (см. п. 2.5). Помимо указанных программ общий программный комплекс содержит следующие компоненты: - пакет программ расчета НДС несущих систем по МКЭ. Данный пакет МКЭ включает в себя библиотеку конечных элементов, имеющую в своем составе не только прямые, но и изогнутые стержневые элементы, плоские треугольные и прямоугольные пластины-мембраны и изгибаемые прямоугольные пластины; - базу данных прокатных и гнутых профилей, используемых в вагоностроении, в которую включена информация о восьми типах прокатных и пяти типах гнутых профилей (общее количество профилей - 300): двутавр прокатный (23 профиля), швеллер прокатный (22 профиля), коробка из двух прокатных швеллеров (22 профиля), уголок прокатный неравнополочный (35 профилей), уголок прокатный равнополочный (52 профиля), зет прокатный равнопо-лочный (3 профиля), зет хребтовой балки рамы вагона (2 профиля), профиль прокатный вагонной стойки (2 профиля), швеллер гнутый равнополочный (48 профилей), уголок гнутый неравнополочный (30 профилей), уголок гнутый равнополочный (25 профилей), профиль гнутый корытный равнополочный (29 профилей), профиль гнутый зетовый (7 профилей). При разработки программного продукта настоящей диссертационной работы в качестве языка программирования был выбран алгоритмический язык базового программного комплекса - FORTRAN, а в качестве компилятора -Microsoft FORTRAN PowerStation версии 1.0, позволяющий решать проблему дальних адресов расширенной памяти при работе в среде операционных систем MSDOS и WINDOWS.
Загрузка исполнительных модулей в оперативную память ЭВМ осуществляется через управляющую программную оболочку, реализующую алгоритм оперативного управления стратегией поиска оптимума [48], по принципу: высвобождение оперативной памяти ЭВМ предшествующим исполнительным модулем в момент загрузки в нее последующего исполнительного модуля. При этом проблема межмодульного обмена данными решается на уровне местной файловой системы. Заметим, что в описываемом комплексе не предусмотрен вызов исполнительного модуля структурной оптимизации str.exe через управляющую программную оболочку ml0.exe.
Проверка алгоритма оптимизации с учетом устойчивости и программного комплекса на тестовых примерах
Несущая конструкция рассматриваемого кузова представляет собой цельнометаллическую сварную конструкцию, образованную рамой, двумя боковыми и двумя торцевыми стенами и крышей.
Рама кузова составлена из набора продольных и поперечных балок, верхние полки которых образуют горизонтальную плоскость, и перекрытия в виде металлического настила пола с толщиной листа 2 мм. Здесь в качестве продольных балок выступают хребтовая балка и две нижние боковые обвязки, а в качестве поперечных - две лобовые, две шкворневые и семнадцать промежуточных балок, шесть из которых усиленны. Хребтовая балка выполнена из двух усиленных зетовых профилей № 31 ГОСТ 5267.3-78 и предназначена непосредственно для установки автосцепки и поглощающего аппарата и передачи ударно-тяговых нагрузок на кузов через передние и задние упорные угольники, установленные на заклепках внутри данной балки. Нижние боковые обвязки выполнены из гнутого катанного профиля сечением 125x80x8 мм. Лобовые и шкворневые балки представляют собой сварные конструкции переменного коробчатого сечения с толщиной листа соответственно 8 и 10 мм. К нижним полкам шкворневых балок приварены опоры для скользунов и пятники. Промежуточные поперечные балки имеют гнутый зетобразный профиль постоянного и переменного сечений и предназначены для повышения жесткости рамы и передачи на кузов нагрузки от веса груза, а также непосредственно для крепления тормозного оборудования. Каждая 3-я, 5-я и 6-я промежуточные балки в отсчете от шкворневых балок усилена и имеет переменное сечение размерами 316x100x6 мм (318x100x8 мм) у хребтовой балки и 84x100x6 мм (80x100x8 мм) у нижней боковой обвязки (в скобках приведены размеры для 6-ой балки). Все остальные поперечные балки имеют профиль постоянного сечения размером 80x40x4 мм.
Боковая стена образована набором вертикальных стоек, связанных между собой верхней обвязкой, выполненной из гнутого швеллера сечением 120x60x4 мм, и гофрированным листом наружной обшивки толщиной 2 мм с высотой гофров 23 мм, расположенных на расстоянии 250 мм. Общее количество вертикальных стоек - 18, из них: две шкворневые, две дверные и две угловые. Шкворневые стойки имеют корытный профиль, образованный из двух гнутых зетобразных профилей сечением 80x40x4 мм каждый. К верхним полкам шкворневых стоек приварены соединительные планки, расположенные с определенным интервалом по высоте стоек. Дверные стойки выполнены из ко-рытного профиля сечением 80x80x40x4 мм. Угловые стойки имеют гнутый уголковый профиль сечением 80x80x4 мм, а промежуточные стойки - гнутый зетобразный профиль сечением 80x40x3 мм.
В металлоконструкции кузова дуги крыши, стойки боковых стен и поперечные балки рамы располагаются в одной плоскости и образуют замкнутый контур (шпангоут).
Каждая торцевая стена образована верхней обвязкой из гнутого уголкового профиля сечением 80x63x4 мм, четырьмя стойками корытного профиля сечением 80x80x40x4 мм и наружной обшивкой из гофрированных листов толщиной 2 мм с высотой гофров 23 мм, расположенных на расстоянии 250 мм.
Крыша имеет два радиуса кривизны и состоит из 23-х дуг гнутого уголкового профиля сечением 60x40x3 мм, из которых две концевые, и наружной обшивки. На участках малого радиуса наружная обшивка представлена гладким листом толщиной 2 мм, а на участках большого радиуса - гофрированным листом толщиной 2 мм с высотой гофров 23 мм, расположенных на расстоянии 250 мм.
Все несущие элементы рамы, крыши, боковых и торцевых стен выполнены из стали 09Г2Д ГОСТ 19282-81, за исключением нижнего и среднего листа наружной обшивки боковых и торцевых стен и среднего листа крыши, выполненных из низколегированной стали 10ХНДП ГОСТ 19282-81, а также хребтовой балки, выполненной из стали 10Г2БД-12 ГОСТ 19282-81. Для исследования несущей конструкции кузова принята расчетная схема МКЭ, представленная на рис. 5.1, в которой взята 1/4 симметричная часть ку Рис. 5.1. Расчетная схема МКЭ 1/4 части кузова грузового вагона пяти-вагонной рефрижераторной секции РС-5 зова, исходя из симметрии конструкции и нагрузки. Действие отброшенной части учитывается путем введения симметричных связей в узлы данной схемы, расположенные по плоскостям симметрии.
В пластинчато-стержневой расчетной схеме кузова стержневыми элементами аппроксимированы все балки, стойки и дуги, а обшивка - ортотропными пластинами. Из обшивки в качестве самостоятельных стрежневых элементов выделены наиболее нагруженные гофры. Она составлена из 341 конечного элемента: 205 стержневых элементов, 12 треугольных и 124 прямоугольных пластин. Общее количество узлов - 152.
В расчетной схеме принята следующая система координат: плоскости X Z и X Y проходят на уровне срединной плоскости соответственно металлического листа настила пола и наружной обшивки боковой стены, а плоскость Y Z совпадает с плоскостью вертикальной симметрии лобовой балки.
Несущая обшивка кузова в схеме представлена сравнительно крупными прямоугольными элементами, имеющими в продольном направлении размеры, равные расстоянию между соседними поперечными элементами кузова. По ширине кузова обшивка разбита следующим образом. На боковой стене обшивка разделена на три части. Верхняя и нижняя части обшивки имеют дополнительную разбивку для учета узлов, образованных стержннями-гофрами (элементы 168 - 175 и 184 - 191) (см. рис. 5.1). Срединная поверхность обшивки крыши аппроксимирована ломаной линией с изломами в местах расположения стоек торцевой стены. Деление поперечных балок рамы на три части осуществлено с учетом размещения стоек торцевой стены.
Оптимизация несущей конструкции исследуемого кузова осуществлена по разработанным в настоящей работе алгоритмам оптимизации, реализованных в виде программ в автоматизированной системе [46].
К исследуемому кузову на предварительном этапе проектирования применена структурная оптимизация. Данная оптимизация выполнена по критерию минимума объема металла подкрепленной обшивки при ограничениях по прочности, устойчивости и конструктивных.
