Введение к работе
Актуальность темы. Актуальность темы объясняется повреждаемостью подвижного состава. При создании и эксплуатации большинства транспортных машин много внимания уделяется процессам их ударного на-гружения. Вагоны испытывают ударные взаимодействия при маневровых соударениях и при переходных режимах движения поездов. -
Интенсификация работы железнодорожного транспорта сопровождается усилением ударных воздействий на грузовой вагон. Это обуславливается в поездной работе возрастанием в несколько раз массы поездов, их длины и скорости движения; при маневровых операциях ускорением роспуска вагонов на сортировочных горках, увеличением массы соударяемых вагонов. Правилами технической эксплуатации допускаются скорости соударения вагонов до 5 км/ч. Однако, фактические скорости соударения значительно выше. Практически на всех автоматизированных горках число соударений отцепов со скоростью более 5 км/ч еще выше и составляет 90%. Вследствие этого увеличивается повреждаемость вагонов, количество и объемы внеплановых ремонтов, повышается вероятность браков и аварий. Затраты на ремонт подвижного состава железных дорог через 5 лет эксплуатации соизмеримы с его стоимостью. Характерно, что ударные воздействия отрицательно влияют не только на несущие элементы конструкции вагона, но и на навесное оборудование вагонов. К примеру, тормозная воздушная магистраль подвержена действию инерционных нагрузок, что может вызвать нарушение плотности и обрыв крепежных деталей, общеизвестны повреждения холодильного оборудования вагонов, вызванные ударами и т.д.
В силу рассмотренных эксплуатационных причин возрастают требования к методам расчета конструкций вагона. Эти методы должны базироваться, с одной стороны, на уточнении расчетных схем кузовов вагонов и вместе с тем учитывать возникающие в процессе удара переменные силы, передающиеся на конструкцию вагона через автосцепку. Характер возникающих сил в свою очередь зависит от автоколебательных процессов, происходящих во фрикционных поглощающих аппаратах, и от волновых про-
цессов, протекающих в кузове вагона. Создание методики, позволяющей учесть изложенные явления, возможно на базе МКЭ с использованием математических моделей амортизаторов ударов подвижного состава с последующим подключением процедур динамического анализа в зависимости от решаемой задачи.
Целью работы является разработка уточненной методики расчета напряженно-деформированного состояния элементов вагона, оценка точности и определение диапазонов применения широко распространенных до настоящего времени квазистатических методов расчета задачи продольной динамики вагона. Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо было решить следующие задачи:
провести анализ задач, связанных с оценкой прочности и надежности элементов вагона, рассмотреть существующие методы и подходы к решению проблем продольной динамики вагона, выполнить анализ существующих численных методов;
разработать методику определения напряженно-деформированного состояния элементов вагона для расчета динамической нагруженности транспортных машин, а также разработать необходимое программное обеспечение, провести его тестирование;
выполнить проверку адекватности математической модели и реальногс объекта путем сопоставления расчета и натурного эксперимента;
исследовать релаксационные колебания при континуальной расчетное схеме вагона и безынерционной модели фрикционного поглощающей аппарата;
выполнить сравнительную оценку динамического и квазистатическоп подходов к решению задачи продольной динамики вагона в детермини рованной и стохастической постановке, связанную с условиями еп эксплуатации.
Методика исследования. Для решения поставленной задачи ис пользовались методы математического моделирования, базирующиеся н применении метода конечных элементов в динамике с обработкой резулі
татов, основывающейся на математической статистике и теории случайных функций.
При разработке математического обеспечения использовались результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния элементов вагона при продольных соударениях и результаты экспериментальных исследований процессов, протекающих при сжатии фрикционных амортизаторов удара.
Научная новизна исследований, проведенных соискателем и выносимых на защиту, заключается в следующем:
разработана уточненная методика оценки напряженно-деформированного состояния кузовов вагонов при нестационарном на-гружении, выполнено подробное сопоставление расчетов по определяемой методике с известными теоретическими решениями и экспериментальными данными;
впервые рассмотрена задача определения условий возникновения фрикционных релаксационных автоколебаний в континуальных системах и в частности при ударе вагона, оснащенного фрикционным поглощающим аппаратом;
выполнен сравнительный анализ применимости квазистатического и динамического подходов в различных задачах оценки напряженно-деформированного состояния при продольных нагружениях: при однократном нагружении, при стохастическом нагружении, при оценке ресурса.
Практическая ценность. Создан пакет прикладных программ МКЭ для расчета динамической нагруженности транспортных машин, состоящий из независимых процедур создания модели исследуемой системы, процедур динамического анализа и процедур статистической обработки результатов расчетов;
Разработана расчетная схема цельнометаллического крытого грузового вагона.
Результаты работы при внедрении новых типов вагонов или модернизации существующих позволяют снизить затраты на проведение натурных
испытаний конструкции. Ориентировочный экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 85 миллионов рублей на один тип внедряемого вагона.
Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертации докладывались на:
IX Международной конференции "Проблемы механики железнодорожного транспорта. Динамика, надежность и безопасность подвижного состава" (Днепропетровск, 1996 г.),
III международной научно-технической конференции "Вибрационные машины и технологии". (Курск, 1997).
Публикации. Основные результаты исследования отражены в 5 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы, включающего 88 наименований. Работа содержит 146 страниц, включающих 62 рисунка, 8 таблиц.
