Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса и задачи исследования 12
1.1. Анализ конструкции и данных по повреждаемости корпусов автосцепок в эксплуатации 12
1.2. Анализ конструкции, технологии изготовления и данных
по отказам цельнокатаных колес вагонов в эксплуатации 22
1.3. Анализ методов расчетной и экспериментальной оценки тепловых, деформационных и термодеформационных процессов и структурных превращений при технологических воздействиях, связанных с изготовлением, ремонтом и эксплуатацией 30
1.4. Выводы по главе
Цели и задачи исследования 40
2. Развитие методов численного моделирования тепловых, деформационных процессов и структурообразования в элементах подвижного состава с учетом технологических и эксплуатационных воздействий . 49
2.1. Разработка методики моделирования нелинейных нестационарных процессов теплопроводности применительно к конструктивным элементам железнодорожного транспорта 49
2.2. Разработка методов моделирования кинетики НДС в трехмерной постановке применительно к наиболее ответственным элементам конструкций подвижного состава 57
2.3. Разработка методики решения нелинейных, нестационарных задач термоупругопластичности применительно к эксплуатационным и технологическим воздействиям на элементы подвижного состава
2.4. Разработка методики компьютерного моделирования кинетики структурных и фазовых превращений в колесной стали марки 2 77
2.5. Выводы по главе 2 100
3. Разработка программного обеспечения для компьютерного моделирования термодеформационных процессов и структурообразования в элементах подвижного состава 104
3.1. Принципы построения и требования к программному обеспечению для реализации поставленных задач. Структура программного комплекса 104
3.2. Особенности реализации решения трехмерных нелинейных, нестационарных задач термоупругопластичности в объемной постановке 115
3.3. Верификация математического аппарата и программного обеспечения 117
3.4. Выводы по главе 3 127
4. Применение разработанных методов и программного обеспечения для компьютерного моделирования тепловых и деформационных процессов в элементах подвижного состава при технологических и эксплуатационных воздействиях. разработка рекомендаций по совершенствованию конструктивных и технологических решений с учетом работы материала в упругопластическои области 130 Стр.
4.1. Моделирование и уточненная оценка НДС наиболее часто повреждаемых зон корпуса автосцепки на основе использования КЭМ повышенной степени дискретизации. Определение схем и уровня нагрузок, соответствующих переходу материала в упругопластическую область в зонах концентрации напряжений 130
4.1.1. Анализ напряженно-деформированного состояния зоны перехода от головы автосцепки к хвостовику со стороны малого зуба 130
4.1.2. Рекомендации по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки в зоне перехода от головы автосцепки к хвостовику и обоснование их эффективности на основе результатов компьютерного моделирования 141
4.1.3. Анализ особенностей формирования граничных условий при компьютерном моделировании взаимодействия перемычки хвостовика с клином тягового хомута и упорной плитой 148
4.2. Анализ напряженно-деформированного состояния перемычки хвостовика автосцепки на основе решения задач в упругопластической области с учетом предыстории нагружения при различных схемах и уровне нагруженности в эксплуатации 155
4.2.1. Разработка конечно-элементной модели для компьютерного моделирования процессов взаимодействия перемычки хвостовика с упорной плитой и клином тягового хомута 155
4.2.2. Анализ напряженно-деформированного состояния перемычки хвостовика при действии растягивающего усилия на автосцепку в эксплуатации 157 Стр.
4.2.3. Анализ напряженно-деформированного состояния перемычки хвостовика при действии сжимающих сил, соответствующих нормативным усилиям З МН 185
4.2.4. Анализ напряженно-деформированного состояния перемычки хвостовика при действии сил растяжения и сжатия на автосцепку в эксплуатации с учетом предыстории нагружения 194
4.2.5. Анализ напряженно-деформированного состояния перемычки хвостовика автосцепки с измененной конструкцией. Верификация результатов компьютерного моделирования на основе сопоставления результатов расчета
с экспериментом. 201
4.2.6. Разработка рекомендаций по совершенствованию конструкции перемычки хвостовика автосцепки. Анализ напряженно-деформированного состояния перемычки хвостовика предлагаемой конструкции и обоснование эффективности конструктивных изменений на основе результатов компьютерного моделирования 216
4.3. Обобщенные рекомендации по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки на основе результатов компьютерного моделирования НДС с учетом работы материала в упруго-пластической области 223
4.4. Компьютерное моделирование кинетики напряженно-деформированного состояния цельнокатаного колеса в условиях термического воздействия, связанного с термообработкой при изготовлении на основе разработанной методики и программного обеспечения решения нелинейной нестационарной задачи термоупругопластичности 228 Стр.
4.4.1. Разработка методики компьютерного моделирования кинетики тепловых процессов, структурообразования и напряженно-деформированного состояния цельнокатаного колеса вагона при термической обработке, включающей закалку и последующий отпуск 229
4.4.2. Анализ кинетики тепловых и термодеформационных процессов, а также структурных превращений в цельнокатаном колесе при различных режимах закалки и отпуска 2 4.5. Разработка рекомендаций по совершенствованию технологического процесса термической обработки цельнокатаных колес 272
4.6. Выводы по главе 4 274
5. Разработка и применение расчетно экспериментального метода для оценки остаточных напряжений в наиболее повреждаемых элементах конструкций подвижного состава. верификация результатов расчетов 281
5.1. Разработка методики применения магнитоупругого метода для оценки напряженно-деформированного состояния элементов конструкций подвижного состава. Основные принципы оценки напряженно-деформированного состояния на основе использования магнитоупругого метода 288
5.1.1. Особенности применения магнитоупругого метода для оценки остаточных напряжений в ободе цельнокатаного колеса после термообработки. Анализ результатов экспериментальных исследований и сопоставление с результатами расчетов 291 Стр.
5.2. Разработка расчетно-экспериментального метода заводского контроля остаточных напряжений в цельнокатаных колесах вагонов после термообработки 310
5.3. Выводы по главе 5 320
Заключение. 321
Список использованных источников.
- Анализ методов расчетной и экспериментальной оценки тепловых, деформационных и термодеформационных процессов и структурных превращений при технологических воздействиях, связанных с изготовлением, ремонтом и эксплуатацией
- Разработка методики решения нелинейных, нестационарных задач термоупругопластичности применительно к эксплуатационным и технологическим воздействиям на элементы подвижного состава
- Особенности реализации решения трехмерных нелинейных, нестационарных задач термоупругопластичности в объемной постановке
- Анализ напряженно-деформированного состояния зоны перехода от головы автосцепки к хвостовику со стороны малого зуба
Введение к работе
Актуальность проблемы. Железнодорожный транспорт является основной, неотъемлемой частью всего транспортного комплекса Российской Федерации. На его долю приходится почти две трети общего грузооборота и около половины пассажирских перевозок От эффективности и качества его работы в значительной мере зависят темпы экономического и социального развития общества.
Важное значение с позиции обеспечения безопасности движения подвижного состава представляют хрупкие разрушения элементов ходовых частей, автосцепного устройства и некоторых других ответственных элементов конструкций, связанные с зарождением и развитием трещиноподобных дефектов Анализ отцепок вагонов в текущий ремонт показывает, что свыше 40 % их приходится на неисправность ходовых частей и автосцепного оборудования Указанные элементы подвижного состава работают в сложных условиях: теплового, силового, упругопластического деформирования.
Кинетика напряженно-деформированного состояния ответственных элементов конструкций в эксплуатации определяется схемой и уровнем начальных напряжений, сформировавшихся в процессе изготовления, а также в результате тепловых и механических эксплуатационных нагружений.
Уточненная оценка кинетики тепловых и деформационных процессов на основе результатов компьютерного моделирования позволяет более существенно совершенствовать конструкции и сократить долю экспериментальной составляющей при разработке новых перспективных конструкций и упростить экспертную оценку причин разрушений Разработка принципиально новых методов анализа и контроля текущего состояния элементов конструкций на основе сочетания принципов компьютерного моделирования и инструментальных средств дает возможность достоверно оценить нагруженность элементов конструкций и выработать рекомендации по их учучшению
В связи с этим, разработка методов расчета напряженно-деформированного состояния важных ""імігг"п ітігтім ііініГі ницім ЦТІпгі
"~>ос НАЦИОНАЛЬНА*^ БИБЛИОТЕКА
Cflertp^ OS *»,
%щ
состава от эксплуатационных и технологических воздействий в трехмерной постановке с учетом термоупругопластического деформирования материала является актуальным
Цель работы. Основной целью диссертации является: - совершенствование конструкций и технологии изготовления наиболее ответственных элементов подвижного состава и повышение их работоспособности в эксплуатации на основе создания современных методов компьютерного моделирования напряженно-деформированного состояния при эксплуатационных и технологических воздействиях в трехмерной постановке с учетом термоупругопластического деформирования.
Для достижения поставленной цели в диссертации решены следующие задачи:
-
Выполнен анализ конструктивных особенностей и технологии изготовления, статистических данных о повреждаемости в эксплуатации, методов компьютерного моделирования тепловых, деформационных процессов и структурообразования при технологических и эксплуатационных воздействиях на наиболее ответственные элементы конструкций подвижного состава.
-
Разработана методика решения нелинейных, нестационарных задач теплопроводности и термоупругопластичности в трехмерной постановке применительно к элементам конструкций подвижного состава с определением упругих и пластических составляющих всех компонентов деформаций, определяющих работоспособность конструктивных элементов при эксплуатационных, механических и тепловых нагружениях.
-
Разработана методика компьютерного моделирования кинетики структурных и фазовых превращений в колесной стали марки 2.
-
Для проведения компьютерного моделирования тепловых, деформационных, термодеформационных процессов и структурообразования в элементах подвижного состава разработано программное обеспечение, соответствующее методологии, изложенной в п. 2.
5. На основе применения разработанных методов и программного обеспечения для компьютерного моделирования тепловых и деформационных процессов в элементах подвижного состава при технологических и эксплуатационных воздействиях разработаны рекомендации по совершенствованию конструктивных и технологических решений с учетом работы материала в упругопластической области:
Определены схемы и уровень нагрузок, соответствующих переходу материала в упругопластическую область в местах концентрации напряжений зоны перехода от головы автосцепки к хвостовику на основе результатов компьютерного моделирования и уточненной оценки напряженно-деформированного состояния наиболее часто повреждаемых зон корпуса автосцепки при использовании конечно-элементных моделей повышенной степени дискретизации.
Проведен анализ напряженно-деформированного состояния (НДС) перемычки хвостовика автосцепки на основе определения особенностей формирования граничных условий при компьютерном моделировании взаимодействия перемычки хвостовика с клином тягового хомута и упорной плитой и с учетом предыстории нагружения при различных схемах и уровне нагруженности в эксплуатации. Установлены основные положения физической модели и механизма образования и развития трещин в центральной зоне перемычки хвостовика.
На основе результатов компьютерного моделирования НДС с учетом работы материала в упруго-пластической области сформулированы обобщенные рекомендации по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки, защищенные патентами на изобретения.
Проведено компьютерное моделирование кинетики напряженно-деформированного состояния и структурных превращений цельнокатаного колеса (ЦКК) при термообработке в процессе изготовления.
На основе анализа результатов моделирования при различных режимах закалки и отпуска разработаны рекомендации по
совершенствованию технологического процесса термической обработки ЦКК. б. На основе использования неразрушающего магнитоупругого метода определения напряжений разработан расчетно-экспериментальный метод определения остаточных напряжений в наиболее ответственных элементах конструкций подвижного состава. Общая методика исследования.
Проведен сбор и обобщение данных о видах и причинах повреждений в эксплуатации ответственных элементов конструкций подвижного состава, таких как корпус автосцепки и цельнокатаные колеса. Анализ напряженно-деформированного состояния элементов конструкций от технологических и эксплуатационных воздействий проведен на основе использования основных положений теории упругости, теории пластического течения и теории теплопроводности путем решения нелинейных нестационарных задач термоупругопластичности и компьютерного моделирования конструктивных элементов объемными конечно-элементными моделями. Для экспериментального определения компонентов остаточных напряжений использован неразрушающий магнитоупругий метод. Компьютерное моделирование проведено на основе программного комплекса (ПК) SANAK, разработанного автором диссертации совместно с рядом специалистов. Научная новизна работы. Научная новизна состоит в следующем:
Разработана методика компьютерного моделирования
тепловых процессов в нестационарной нелинейной постановке с
использованием основных положений теории теплопереноса и
метода конечных элементов в пространственных трехмерных
конструкциях железнодорожной техники Новизна
разработанной методики заключается в том, что обеспечена возможность оценки и корректировки значений теплофизических характеристик и свойств материала в каждой точке конструкции с учетом ее текущего теплового состояния, а также структурного состава, сформировавшегося на предыдущих шагах решения. Для сокращения объема и времени вычислений оценка НДС производится не на каждом шаге решения тепловой задачи, а по достижении некоторого временного отрезка,
величина которого определяется в зависимости от градиента и скорости изменения температур в рассматриваемой зоне.
С целью снижения количества итераций на отдельных шагах решения нелинейных нестационарных задач термоупругопластичности и сокращения времени расчета при формировании вектора невязки и использовании объемных 8" узловых изопараметрических конечных элементов (КЭ) рассматриваются только КЭ, в которых протекают пластические деформации на текущем шаге решения. Правомочность такого подхода доказана на ряде верификационных примеров,
Разработана методика разделения решения деформационной части задачи теплового нагружения конструкции с выделением приведения предела текучести к новому значению в отдельный этап решения, что обеспечивает устойчивое решение нелинейных нестационарных задач термоупругопластичности при сложном нагружении на этапах нагрева и охлаждения.
Разработана методика моделирования кинетики теплового состояния, НДС и структурных превращений при последовательном воздействии любых технологических и эксплуатационных факторов с учетом предыстории нагружения.
Разработана методика анализа кинетики структурных превращений во всем температурном диапазоне существования аустенита, основанная на использовании серии диаграмм анизотермического распада аустенита при охлаждении колесной стали с различных максимальных температур от 900 С до 1350 С. При этом обеспечена возможность рассмотрения процессов с учетом незавершенности структурных превращений при нагреве и охлаждении, на основе использования принципа приращения структурных составляющих на текущем шаге решения.
При условии учета совместного деформирования перемычки и клина установлены основные положения физической модели и механизма образования и развития трещин в центральной зоне перемычки хвостовика, заключающиеся в возникновении и накоплении компонента пластической
деформации удлинения в зоне контакта перемычки с клином тягового хомута при нагружении как растягивающими, так и сжимающими нагрузками. Установлено возникновение при циклическом нагружении знакопеременных напряжений в этой зоне, что при наличии пластической составляющей деформации характеризует работу этой зоны в условиях малоциклового нагружения.
Установлено, что схема и уровень остаточных напряжений в ЦКК после термообработки существенно зависит от времени закалки и схемы охлаждения спрейерами поверхности обода колеса. При этом наиболее неблагоприятная схема охлаждения с позиции НДС обода соответствует варианту охлаждения поверхности катания и гребня с двух сторон.
Разработан расчетно-экспериментальный метод определения остаточных напряжений не только на поверхности, но и во всем объеме обода колеса на основе использования неразрушающего магнитоупругого метода и результатов компьютерного моделирования НДС ЦКК.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Автором совместно с рядом специалистов разработан программный комплекс SANAK, обеспечивающий возможность проведения анализа кинетики тепловых и деформационных процессов в пространственных элементах конструкций подвижного состава. В отличие от известных ПК содержит ряд новых блоков и процедур, связанных с введением более совершенной физической модели материала и анализа протекающих процессов на основе учета в каждой точке тела (модели) структурных составляющих или их смесей, обусловленных спецификой предшествующих теплофизических процессов, а также температурой и параметрами теплофизического процесса в рассматриваемой точке тела в данный момент времени.
Определены и обоснованы наиболее неблагоприятные схемы и уровни нагружения корпуса автосцепки, способствующие переходу материала в упругопластическую область в зонах
концентрации напряжений, к которым следует отнести соединение автосцепки с максимально допустимым вертикальным эксцентриситетом в контуре зацепления при наличии максимального нормативного продольного усилия, на основании чего сформулирована концепция поиска рациональных конструктивных решений, заключающаяся в перераспределении полей напряжений и выравнивании интенсивности силовых потоков по всему рабочему сечению.
На основе проведенных исследований разработаны рекомендации по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки в зоне перехода от головы к хвостовику, заключающееся в введении дополнительного элемента жесткости (патент на изобретение). В геометрию поперечного сечения хвостовика предложено ввести овальную форму расчетной геометрии.
Установлено, что при растяжении корпуса автосцепки нормативной нагрузкой 2,5 МН в центральной части перемычки материал деформируется в упругопластической области, причем расстояние зоны пластического деформирования от поверхности контакта с клином в направлении продольной оси автосцепки достигает 18 мм. Максимальные значения интенсивности пластических деформаций составляют е,=0,129 %. При этом зона расположения пластических деформаций совпадает с областью формировании трещин в перемычке в эксплуатации, компонента пластической деформации, перпендикулярная продольной оси автосцепки является деформацией удлинения (ех=0,0136...0,03 %) и представляет собой основную причину образования и развития трещин в этой зоне. Показано, что при сжатии автосцепки усилием З МН максимальные значения интенсивности пластических деформаций в зоне упругопластического деформирования составляют є,=О,0333 %. Наибольшее значение пластической деформации отмечается в горизонтальном направлении, перпендикулярном продольной оси автосцепки (поперечные), которое является деформациями
удлинения с абсолютными значениями єх=0,0152...0,0234 %, что способствует возникновению и развитию в этой зоне трещин.
Новым конструктивным решением в зоне перемычки хвостовика, направленным на перераспределение контактного давления со стороны клина, является введение плоской площадки на поверхности контакта перемычки хвостовика и аналогичной плоской площадки на клине тягового хомута (патент на изобретение), что позволяет устранить возникновение пластических деформаций в опасных зонах и повысить стойкость против образования трещин.
Проведенный анализ термической обработки ЦКК с определением напряженно-деформированного состояния и структурообразования явились основой рекомендаций по совершенствованию технологии термической обработки колес на заводе (акт внедрения).
Разработаны рекомендации по практическому применению расчетно-экспериментального метода для неразрушающего контроля остаточных напряжений в ЦКК на заводе.
Работы по тематике диссертации выполнялись в соответствие с Планами НИОКР МПС и ОАО «РЖД». Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались: на 23 конференциях, в том числе на Второй международной конференции «Актуальные проблемы железнодорожного транспорта» (г. Москва, 1996), 4-th International conference on railway bogies and running gears (Budapest, 1998), на Международной конференции «Сварка и родственные технологии» (г. Киев, 1998), на Всероссийской научно-технической конференции (с Международным участием), (г. Москва, 2000), на Научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов», (г. Москва, 2001, 2002, 2004), на Всероссийской с международным участием научно-технической конференции, «Сварка и контроль» (г. Пермь, 2004), на Всероссийской научно-технической конференции «Технология, оборудование и подготовка кадров в сварочном производстве» (г. Москва, 2003).
Материалы диссертации обсуждались на научных семинарах и совместном заседании кафедр МИИТа «Вагоны и вагонное хозяйство», «Технология сварки, материаловедение и износостойкость деталей машин», «Организация и безопасность движения», а также некоторые разделы работы, связанные со структурообразованием при воздействии теплоты на материалы ж.д. подвижного состава рассматривались на научном семинаре кафедры «Сварка и диагностика» МГТУ им. Баумана.
Публикации.
Всего опубликовано 50 научных работ, из них по теме диссертации 33.
Объем и структура диссертации.
Анализ методов расчетной и экспериментальной оценки тепловых, деформационных и термодеформационных процессов и структурных превращений при технологических воздействиях, связанных с изготовлением, ремонтом и эксплуатацией
Сравнительный анализ представленных данных свидетельствует о том, что на протяжении последних 15-ти лет наибольшее количество повреждений приходится на перемычку хвостовика. Причем, их доля стабильно составляет более 40 %. Сократилось количество трещин по зеву, но возросло в последние годы количество корпусов, поврежденных трещинами в зоне перехода. По сравнению с первой половиной восьмидесятых годов в последние годы стабильно - около 10 % повреждений, приходится на долю остаточных деформаций боковой стенки головы автосцепки со стороны малого зуба. В сумме на долю трещин по перемычке хвостовика и зоне перехода в совокупности в «выпучиванием» боковой стенки в последние годы приходится до 80 % всех дефектов.
Таким образом, анализ данных по отказам корпусов автосцепок в эксплуатации, поступивших в деповской ремонт, свидетельствует о том, что прочность корпуса автосцепки в указанных зонах во многом определяет прочность и безотказную работоспособность автосцепки в целом. Высокая повреждаемость трещинами и остаточными деформациями свидетельствует о необходимости совершенствования конструкции корпуса автосцепки с целью снижения концентрации напряжений в наиболее повреждаемых зонах, перераспределению силовых потоков между наиболее и наименее нагруженными областями.
Повреждение корпусов автосцепок трещинами наблюдается уже в первые годы эксплуатации. Их ремонт зачастую не приводит к желаемым результатам, и повторные трещины формируются уже в первые месяцы эксплуатации после ремонта, как по наплавленному металлу, так и по зонам термического влияния. Наибольшую опасность для безопасности движения представляют хрупкие разрушения элементов автосцепного устройства в эксплуатации, которые, как правило, приводят к обрывам поездов. Неоднократно отмечалось в ходе проведения экспертиз и анализа разрушений, что обрывы происходят как в первые годы эксплуатации, так и после ремонта вагона. Например, обрыв перемычки хвостовика автосцепки по старой трещине произошел через 9 дней после деповского ремонта вагона в депо Унеча Московской ж. д. Разрушения происходят как по старым трещинам, сформировавшимся в предыдущий период эксплуатации, так и по рабочему сечению без наличия каких либо дефектов литейного или усталостного характера. Несколько случаев обрывов корпусов по хвостовику имели место через 15 ... 45 месяцев эксплуатации после ремонта в депо Иркутск-сорттировочный, причем дефектов, которые явились бы причиной разрушения не обнаружено.
Более 85 % обрывов приходится на корпуса автосцепок со сроком эксплуатации до 20 лет, причем на первые пять лет эксплуатации приходится до 8% обрывов, от 6 до 10 лет-до 22%, а от 11 до 15 лет более 21 %.
Следует отметить, что количество случаев обрывов корпуса автосцепки резко возрастает с увеличением веса поезда. Так при весе поезда в диапазоне 1001.. .2000 тонн количество обрывов корпусов составляет 4,34 %, а при весе более 4000 тонн - более 65,2 % от общего числа разрушений.
Корпус автосцепки имеет сложную геометрическую форму, содержит большое количество концентраторов напряжений. Поэтому оценка напряженно-деформированного состояния корпуса автосцепки до недавнего времени осуществлялась преимущественно эмпирическими методами. Теоретические исследования на основе использования математических и численных методов касались, в основном, отдельных часто повреждаемых зон, которые выделялись из конструкции, отсутствующие элементы моделировались наложением соответствующих связей.
Большой вклад в теоретические и экспериментальные исследования НДС автосцепки внесли такие ведущие ученые в области ж. д. транспорта как Л.Н. Никольский, СВ. Вершинский, Н.А. Костенко, А.А. Хохлов, А.А. Долматов, Н.А. Костина,, В.В Коломийченко, В.И. Сакало, И.Г. Жарикова, В.А. Татаринцев, И.Б. Феоктистов, В.Н. Максимов и другие [3...18].
Исследованию НДС корпуса автосцепки в зоне перемычки посвящены работы [10,11]. Одной из первых работ по расчетной оценке НДС хвостовика автосцепки в зоне перемычки была работа А.А. Долматова [6], где перемычка рассматривалась как плоская статически неопределимая рама. Анализ полученных результатов и возможность использования подобного подхода к оценке НДС перемычки приведены в работе [15]. Исследования проводились на модели из органического стекла с использованием хрупких лаковых покрытий и тензорезисторов. Установлено, что удовлетворительное соответствие результатов теоретических и экспериментальных исследований относится к областям, находящимся на достаточном удалении от зоны контакта перемычки и клина, В зоне контакта зафиксированы трещины лакового покрытия и расхождение теоретических и экспериментальных результатов. Расчетным путем при растяжении нормативной нагрузкой 2,5 МН, распределенной по зоне контакта перемычки с клином по закону косинуса, получены напряжения на уровне 650 МПа. Результаты экспериментальных исследований на основе использования поляризационно-оптического метода подтвердили наличие высокого уровня напряжений в этой зоне [15] и доказали необходимость проведения уточненной оценки НДС корпуса автосцепки на основе использования современных численных методов и разработанных на их основе программных продуктов.
Значительное внимание уделялось исследованию НДС зоны перехода от головы к хвостовику. В работе [5] предпринята попытка оценки НДС зоны перехода в плоской постановке с использованием метода конечных элементов (МКЭ). В качестве граничных условий использованы результаты, полученные при экспериментальных исследованиях с использованием метода фотоупругости и тензометрии. Подробные экспериментальные исследования корпуса автосцепки, зоны перехода и хвостовика проводились в БГТУ и ВНИИЖТ методом тензометрии с использованием тензорезисторов с базой 10, 5 и 1 мм [5, 19, 20...24], а также поляризационно-оптическим методом и с помощью хрупких лаковых покрытий. В ходе проведенных испытаний выявлено определяющее влияние вертикального эксцентриситета продольного усилия на формирование НДС зоны перехода, распределение нагруженности отдельных элементов и максимальные значения напряжений. Установлено, что наибольшую нагружен-ность испытывает боковая стенка со стороны малого зуба и примыкающие к ней горизонтальные полки. Максимальные значения напряжений зафиксированы в углах сопряжения вертикальной стенки и горизонтальных полок. По мере удаления от зоны перехода к перемычке хвостовика наблюдается существенное перераспределение напряжений по сечению и снижение максимальных значений. Использование хрупких лаковых покрытий позволило получить качественную картину распределения напряжений на поверхности перемычки хвостовика. Зоны формирования трещин в лаковом покрытии совпали с областями выявления трещин в перемычке в эксплуатации [24].
Результаты экспериментальных исследований зоны перехода с использованием метода фотоупругости качественно подтвердили картину распределения напряжений, полученную с использованием тензометрии [25].
На основе обобщенных результатов расчетных и экспериментальных исследований НДС в работах [12, 26] была получена зависимость максимальных напряжений в зоне перехода от величины эксцентриситета приложения продольной силы. Предложенные зависимости не позволили провести уточненную оценку НДС в зоне перехода. В работах [27...29] показано, что при расчете максимальных напряжений коэффициенты концентрации напряжений остаются неизменными только при действии сил, вызывающих появление упругих деформаций.
Разработка методики решения нелинейных, нестационарных задач термоупругопластичности применительно к эксплуатационным и технологическим воздействиям на элементы подвижного состава
Наибольшие трудности при разработке программного обеспечения на основе использования МКЭ связаны с формированием, хранением и использованием на этапе решения системы уравнений таких массивов, как матрица теплопроводности, матрица жесткости и вектор нагрузок (тепловых, силовых). ПК предыдущих поколений решали эту проблему за счет размещений соответствующих массивов на магнитных носителях типа магнитная лента или жесткий диск. Это приводило к необходимости реализации поблочной схемы записи и чтения соответствующей матрицы, что существенно увеличивало время решения системы уравнений, а также зачастую приводило к необходимости переформирования матриц на каждой итерации при решении упругопластических задач. Автором в ходе проведенных исследований установлено, что максимальный размер памяти выделяемой одному блоку ограничен и определяется структурой организации адресации операционной системы и, как следствие, лимитирует размер области для хранения матрицы. Кроме того, установлено, что при размещении матрицы в области памяти, одновременно охватывающей как физическую, так виртуальную ее часть отмечается существенное (в несколько раз) снижение скорости решения системы уравнений, т.к. в этом случае время решения определяется не временем доступа к физической памяти, а объемом буфера и скоростью операций чтение-запись жесткого диска. Поэтому, с целью ускорения процессов обмена информации в ПК реализована следующая схема выделения и хранения со по ответствующих матриц. Сначала определяется необходимый размер области для размещения матрицы исходя из параметров решаемой задачи. Далее, если он превосходит размер максимально возможного блока (определяется схемой организации адресации операционной системы) на основе использования механизма указателей языка программирования СИ происходит выделение нескольких блоков максимального размера, количество которых вычисляется исходя из параметров задачи. Это обеспечивает, во-первых, возможность размещения матрицы максимально возможного размера, во-вторых, ускорение решения за счет одновременного использования областей физической и виртуальной памяти. Аналогичные объемы могут быть выделены и для других матриц. Пределы определяются объемом свободной области на диске. Открытость системы позволяет автору при необходимости расширить эти границы за счет изменения схемы организации хранения блоков матрицы. Это следует отнести к оригинальным разработкам, выполненным в данной диссертации, позволяющим существенно сократить время решения задачи за счет применения рациональной схемы хранения и использования рабочих массивов.
Принимая во внимание один из базовых принципов построения современных программных продуктов - принцип организации обмена информации между пользователем и программой посредством диалога, в рассматриваемом ПК на всех стадиях решения использован механизм диалоговых окон. Этого удалось достичь при программировании на языке C++ в интегрированной среде VISUAL C++, которая обеспечивает возможность создания многооконных программных продуктов на базе технологии классов C++ с поддержкой создания в рамках одного процесса множества отдельных потоков. Использование многооконной идеологии позволило на каждом этапе работы программы реализовывать диалог с пользователем посредством отдельного окна, содержащего необходимый объем справочной информации, а также в простой и удобной форме предлагать пользователю вводить информацию для последующих этапов работы программы. Это особенно актуально при решении термодеформационной задачи, когда выбираются различные шаги решения для соответствующих этапов работы программы (тепловая задача, деформационная задача), а также при работе постпроцессора, когда пользователю предлагается определить перечень выводимых исходных данных и их диапазон.
Работа пользователя с ПК строится по следующей схеме.
На начальном этапе разрабатывается конечно-элементная модель конструкции, определяются узлы и конечные элементы. Каждый узел описывается координатами. Каждый КЭ описывается соответствующим количеством узлов. Определяются граничные условия. Вся информация о модели и граничных условиях формируется в текстовом формате. Для этих целей ПК располагает встроенным текстовым редактором. При создании сложных моделей подготовка исходных данных может осуществляться в таких программных продуктах, как WORD и EXCEL, что существенно (в разы) сокращает время на подготовку исходных данных и снижает вероятность ошибки. Для сокращения объемов вводимой информации в структуре исходных данных широко используется механизм повторителей, обеспечивающий описание объектов, имеющих общие параметры посредством указания ссылок на них.
Для оценки качества и соответствия геометрической формы описанной модели реальному объекту разработан графический модуль, обеспечивающий возможность анализа объекта в трех основных плоскостях, а также пространственное представление модели.
После подготовки исходных данных в текстовом формате следует этап решения задачи. Учитывая особенности реализации ПК при планировании вычислительного процесса, программа в соответствии с размерами задачи максимально использует для своих целей ресурсы компьютера (100% использование центрального процессора, оперативной памяти, операции обмена информацией с жестким диском минимальны).
Особенности реализации решения трехмерных нелинейных, нестационарных задач термоупругопластичности в объемной постановке
Максимальные значения напряжений в этой зоне снизились по сравнению с типовой автосцепкой и составили: стх=+279,3 МПа, ау=+104,7МПа, az=-2,4 МПа, а;=217,6 МПа.
Таким образом, обобщая полученные результаты можно сделать следующие выводы. Введение дополнительного элемента жесткости в области верхнего угла зоны перехода от головы автосцепки к хвостовику со стороны малого зуба способствовало существенному перераспределению напряжений и снижению их концентрации в этой зоне. Установлено, что во всех наиболее неблагоприятных с позиции возможности пластических деформаций вариантах приложения нормативных нагрузок и наличия вертикального эксцентриситета в контуре зацепления интенсивность напряжений в области
Изолинии сжимающих напряже-верхнего угла зоны перехода нии на поверхности в нижнем углу зоны несущественно (на 30...57%) рехода, сжатие усилием 3 МН, вар. 5, изоли-ниже значений предела теку нии, МПа: 1- -500, 2- -450, 3- -400, чести рассматриваемой мар 4- -350, 5- -300,6- -250, 7- -200, 8- -150. ки стали.
На рис. 4.18 представлены изолинии сжимающих.напряжений в зоне нижнего угла зоны перехода при сжатии автосцепки усилием 3 МН и наличии эксцентриситета (варианте, рис. 4.4). Анализ полученных результатов свидетельствует о значительном снижении максимальных значений напряжений, их концентрации и перераспределении по высоте сечения. Максимальные значения напряжений в этой области располагаются, как и прежде, в нижней части, сечения и составляют ах=-393,6 МПа, оу=-108,5 МПа, az=-21,2 МПа (рис. 4.18). Максимальное значение интенсивности напряжений Сті=397,2 МПа отмечается в нижней части вертикальной стенки хвостовика. Обращает на себя внимание тот факт, что введение элемента жесткости привело к смещению максимальных значений напряжений по телу хвостовика от зоны перехода к перемычке (рис. 4.18).
На рис. 4.19 приведено распределение напряжений в нижнем углу зоны перехода при растяжении автосцепки нормативным усилием 2,5 МН и наличии эксцентриситета (вариант 6, рис. 4.4). Изменение конструкции привело к снижению уровня максимальных значений напряжений в этой зоне снижению их концентрации и перераспределению по вертикальной стенке хвостовика. Максимальные значения напряжений в этой зоне составили Рис. 4Л 9. Изолинии растягивающих напря-ах=+329 МПа, ау=+90 МПа, жений на поверхности в верхнем углу зоны ov=+17 МПа, 7j=265 МПа перехода, растяжение усилием 2,5 МН, вар. (значения напряжений у ти- 6, изолинии, МПа: 1-+400,2-+350, 3-+300, повой автосцепки составляли: 4- +250, 5- +200,6- +150,7- +100,, 8- +50. о\=+988МПа, ау=+322 МПа, az=+165 МПа).
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что сжатие или растяжение автосцепки улучшенной конструкции при наличии эксцентриситета не приводит к значительной концентрации напряжений и формированию НДС высокого уровня в углах зоны перехода от головы автосцепки к хвостовику. Сравнительный анализ с результатами, полученными для типовой автосцепки, свидетельствует о том, что максимальные напряжения в зонах их концентрации уменьшились на 50 % и более процентов вследствие их перераспределения по сечению. Кроме того, наблюдается смещение области максимальных значений напряжений от зоны перехода от головы к хвостовику по телу хвостовика к перемычке и перераспределение напряжений по сечению хвостовика.
Как отмечалось ранее, НДС хвостовика типовой автосцепки СА-3 характеризуется значительной неоднородностью полей напряжений, наличием ярко выраженной зоны концентрации напряжений в области перехода к голове автосцепки со стороны малого зуба. НДС хвостовика с предложенными изменениями конструкции отличается выравниванием значений напряжений по сечению и длине, вследствие перераспределения силовых потоков между вертикальной стенкой и горизонтальными полками. Наблюдается сглаживание максимумов напряжений в зоне перехода и равномерное увеличение среднего уровня напряжений по поверхности хвостовика. Таким образом, имеет место формирование НДС, характеризующегося постоянством уровня и невысокими значениями максимумов, что обеспечивает реализацию принципа рационального использования рабочего сечения.
Таким образом, изменения геометрии поперечного сечения хвостовика автосцепки и зоны перехода приводят к снижению концентрации напряжений в наиболее нагруженных зонах за счет перераспределения напряжений на области меньшей нагруженности.
Взаимодействие корпуса автосцепки в процессе эксплуатации с другими элементами автосцепного устройства, такими как клин тягового хомута и упорная плита осуществляется в зоне перемычки хвостовика. Как отмечалось ранее (глава 1), эта зона корпуса автосцепки является наиболее часто повреждаемой в эксплуатации трещинами. Наличие высокого уровня эксплуатационных напряжений создает условия для зарождения и развития трещин, способных приводить к разрушению корпуса автосцепки.
Взаимодействие перемычки с клином и упорной плитой осуществляется по двум поверхностям, имеющим цилиндрическую форму. Для адекватной оценки НДС перемычки хвостовика в процессе компьютерного моделирования необходимо рассматривать вопросы контактного взаимодействия перемычки с клином и перемычки с упорной плитой. При формировании граничных условий для решения рассматриваемой задачи необходимо определить зависимость величины зоны контакта от продольного усилия, действующего на корпус автосцепки и закон распределения контактного давления для случая моделирования контртела нагрузкой, распределенной по поверхности контакта. Решение этой задачи может быть получено на основе рассмотрения контактного взаимодействия двух тел согласованной цилиндрической формы,
Основные положения, позволяющие определить перемещение точек поверхностей в зависимости от вида нагружения и формы поверхностей были сформулированы в работах Герца, Джонсона и других авторов. Среди них, применительно к рассматриваемой задаче можно выделить следующие [136, 137]:
Анализ геометрии контактных поверхностей перемычки хвостовика, упорной плиты и клина тягового хомута свидетельствует о том, что при соблюдении условия взаимной параллельности осей цилиндрических поверхностей и их перпендикулярности плоскости XOZ расчетной модели, что реализовано на практике, ось симметрии контактной зоны, совпадающей с большой полуосью эллипса контакта также параллельна оси Y. Область контакта, в этом случае представляет собой полосу шириной 2а и длиной Ь. Таким образом, имеет место частный случай контакта двух цилиндров, при котором величина зоны контакта при условии равномерного распределения нагрузки вдоль оси Y может быть определена из рассмотрения плоской задачи.
На рис. 4.20 приведена схема взаимодействия хвостовика и упорной плиты, при наличии сжимающего усилия Р. Расстояние между соответствующими точками ненагруженных поверхностей в данной задаче может быть определено по формуле
Анализ напряженно-деформированного состояния зоны перехода от головы автосцепки к хвостовику со стороны малого зуба
В рамках поставленной задачи на основе результатов компьютерного моделирования НДС наиболее нагруженных и часто повреждаемых в эксплуатации зон корпуса автосцепки с учетом работы материала в упруго-пластической области, а также накопления остаточных деформаций и напряжений на предыдущих этапах нагружения разработаны следующие рекомендации по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки.
Для повышения локальной жесткости и перераспределения полей напряжений по поверхности в конструкцию зоны перехода предложено ввести дополнительный элемент жесткости. Исследованиями установлено, что он начинается на вертикальной стенке хвостовика автосцепки, а заканчивается на боковой стенке головы со стороны малого зуба. Размеры элементов жесткости определены с позиции максимального снижения концентрации напряжений с учетом рационального использования металла. Установлено, что увеличение длины элементов жесткости на боковой стенке хвостовика не приводит к существенному перераспределению полей напряжений в боковой стенке. Повышение жесткости рабочего сечения боковой стенки со стороны малого зуба за счет введения ребра способствует перераспределению НДС стенки в сторону снижения концентрации напряжений и максимальных значений в зоне повышенной повреждаемости в эксплуатации - в верхнем и нижнем углах зоны перехода, а также к усилению боковой стенки в области "выпучивания". На изменения конструкции корпуса автосцепки в области зоны перехода от голвы к хвостовику и поперечного сечения хвостовика получен «Патент на изобретение» № 2179127 [166].
Анализ полученных результатов свидетельствует о том, что сжатие или растяжение автосцепки при наличии эксцентриситета не приводит к значительной концентрации напряжений и формированию НДС высокого уровня в углах зоны перехода от головы автосцепки к хвостовику. Сравнительный анализ с результатами, полученными для типовой автосцепки, свидетельствует о том, что максимальные напряжения в зонах их концентрации уменьшились на 50% и более процентов вследствие их перераспределения по сечению. Кроме того, наблюдается смещение области максимальных значений напряжений от зоны перехода по телу хвостовика к перемычке и перераспределение напряжений по сечению хвостовика.
Учитывая неравномерность распределения силовых потоков по сечению хвостовика, существенное превышение уровня напряжений на вертикальных стенках при относительно низких значениях напряжении на горизонтальных полках, предложено ввести изменения в геометрию поперечного сечения хвостовика (рис. 4.15). Предложенная конструкция призвана способствовать лучшему перераспределению полей напряжений между вертикальными и горизонтальными элементами сечения хвостовика, снижению концентрации напряжений в углах сечения. Переход к новой конструкции не приводит к значительному увеличению веса корпуса автосцепки, т.е. не наблюдается увеличение металлоемкости конструкции.
Предлагаемое изменение конструкции поперечного сечения хвостовика автосцепки приводит к перераспределению полей напряжений не за счет увеличения толщин стенок, а за счет более рационального использования металла, вследствие снижения концентрации напряжений в локальных областях и перераспределения последних по менее нагруженным зонам. Наблюдается выравнивание нагруженности хвостовика автосцепки по всей длине. Уровень максимальных напряжений не превышает средний уровень напряжений по телу автосцепки.
Как отмечалось ранее, НДС хвостовика типовой автосцепки СА-3 характеризуется сильной неоднородностью полей напряжений, наличием ярко выраженной зоны концентрации напряжений в области перехода к голове со стороны малого зуба. НДС нового хвостовика, напротив, отличается выравниванием значений напряжений по сечению и длине, вследствие перераспределения силовых потоков между вертикальной стенкой и горизонтальными полками. Наблюдается сглаживание максимумов напряжений в зоне перехода и равномерное увеличение среднего уровня напряжений по поверхности хвостовика. Имеет место формирование НДС, характеризующегося постоянством уровня и невысокими значениями максимумов, что обеспечивает реализацию принципа рационального использования рабочего сечения.
Изменения геометрии поперечного сечения хвостовика автосцепки и зоны перехода приводят к снижению концентрации напряжений: в наиболее нагруженных зонах за счет перераспределения напряжений на области меньшей нагруженности.
Проведенные исследования по оценке НДС перемычки хвостовика автосцепки СА-3 и конструкции с плоской площадкой в зоне контакта с упорной плитой показали, что наличие цилиндрической контактной поверхности с клином при растяжении нормативным усилием 2,5 МН приводит к формированию в центральном сечении перемычки зоны высоких напряжений и уп-ругопластического деформирования материала. Установлено также, что после разгрузки в этой зоне возникают растягивающие остаточные напряжения.
Принимая во внимание тот факт, что введение плоской площадки на поверхности хвостовика в зоне контакта с упорной плитой обеспечивает качественное снижение и перераспределение напряжений при сжатии автосцепки нормативным усилием З МН, предложена конструкция перемычки хвостовика автосцепки, включающая две плоские площадки в зонах контакта с клином и упорной плитой (рис. 4.101), Введение плоской площадки в зоне контакта перемычки с клином обеспечивает распределение контактных давлений по фиксированной площади не зависимо от величины продольного усилия, что наблюдается при наличии цилиндрических контактных поверхностей; На предложение по совершенствованию конструкции перемычки хвостовика путем введения плоской площадки в зоне контакта с клином и аналогичной площадки у клина получен «Патент на изобретение» № 2179126 [165].
Похожие диссертации на Совершенствование конструкций массивных несущих деталей подвижного состава на основе анализа напряженно-деформированного состояния при эксплуатационных и технологических воздействиях
