Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Перед вагоностроительной отраслью нашей траны стоит важнейшая задача разработки и выпуска конкурентоспособной продукции, еобходнмой для замены морально и физически устаревшего парка вагонов. Особого нимания при этом заслуживает проблема снижения себестоимости вагонных конструкцій. Для грузовых вагонов этот вопрос в значительной степени связан с уменьшением за-рат на приобретение металла, что обуславливает необходимость выполнения оптимиза-,ии несущих систем этих вагонов.
В параметрическом синтезе конструкций вагонов наибольшее распространение по-гучили традиционные подходы к решению экстремальных задач, связанные с анализом іувствительности к изменению параметров проекта. Следует отметить, что применение іетодик такого типа является затруднительным при поиске рациональных конструктив-1ых решений с учетом реальных ограничений на возможность использования на каждом роизводстве определенного набора профилей металлопроката. В последнее десятилетие ля решения этой проблемы рассматривалась возможность применения генетических итерационных схем, иначе называемых эволюционным моделированием, которые принципи-льно позволяют осуществлять оптимизацию на дискретных множествах параметров. В то кс время синтез деформируемых объектов с помощью генетических алгоритмов подразу-ісваст проведение многочисленных расчетов по анализу напряженно-деформированного 'остояния вариантов несущей системы. Весьма высокая трудоемкость данных проверок бусловила возможность эффективного применения эволюционного моделирования толь-ад для параметрической оптимизации таких относительно несложных объектов, как ваго-ы-платформы. Нерешенным оставался и практически важный вопрос о комплексной оптимизации с помощью генетических алгоритмов структуры и параметров вагонных конструкций.
Поэтому тема диссертационной работы, направленная на создание практически реализуемой методики структурно-параметрической оптимизации несущих систем ку-овов грузовых вагонов, представляется актуальной.
Работа выполнялась в соответствии с положениями Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года.
Целью диссертационной работы является разработка методики, алгоритмов и профаммного обеспечения для структурно-параметрической оптимизации несущих систем кузовов грузовых вагонов с помощью эволюционного моделирования.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
- разработать принципы построения математических моделей разного уровня точности для квазистатического анализа напряженно-деформированного состояния исследуемых конструкций;
разработать экономичную методику для анализа динамики вагонов при одно стороннем ударе в автосцепку;
разработать эволюционную схему структурно-параметрического синтеза тон костенных несущих систем кузовов вагонов;
исследовать на конкретных примерах возможности предлагаемой генетической процедуры;
проверить эффективность представляемого комплекса математических моделей на примере оптимизации кузова конкретной конструкции грузового вагона.
Поставленные задачи решаются при следующих основных ограничениях:
выполняется минимизация массы несущей системы кузова;
расчеты на прочность, жесткость и устойчивость осуществляются в соответствии с требованиями «Норм для расчета и проектирования вагонов железных доро МПС колеи 1520 мм (несамоходных)»;
проверка работоспособности предлагаемой методики оптимизации вагонных конструкций проводится на примере вагона-автомобилевоза модели 11-3114 конструкции ЗАО УК «Брянский машиностроительный завод» («БМЗ»);
не анализируется местная прочность кузовов вагонов, которая может быть рассмотрена после выполнения оптимизационных расчетов.
Методика исследования.
Структурно-параметрический синтез осуществляется на основе эволюционного моделирования в сочетании с методом избыточных структур. Исследование напряженно-деформированного состояния кузова выполняется с использованием конечноэле-ментных моделей разных уровней точности. При этом снижение трудоемкости вычислений для мелких сеток достигается за счет применения быстросходящегося многосеточного алгоритма раздельных и налагающихся местных деформаций. Анализ продольной динамики кузова при одностороннем ударе в автосцепку проводится путем численного интегрирования системы дифференциальных уравнений движения деформируемого объекта методом Ньюмарка.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработана эволюционная процедура структурно-параметрической оптимизации несущих систем кузовов грузовых вагонов;
предложена методика исследования продольной динамики грузового вагона на основе кусочно-линейной аппроксимации силовой характеристики поглощающего аппарата;
разработана система учета конечноэлементных моделей разной степени сложности для расчета вариантов несущей системы кузова грузового вагона в оптимальном синтезе проектируемой конструкции.
Достоверность результатов работы подтверждается сопоставлением результатов расчетов с данными натурных экспериментов, корректным использованием современных методов строительной механики и вычислительной математики.
На защиту выносятся:
алгоритм оптимального синтеза несущих конструкций кузовов грузовых вагонов на дискретных множествах структур и параметров;
методика использования системы конечноэлементных моделей для анализа деформаций конструкции в генетической процедуре оптимизации тонкостенных систем;
- принципы формирования математических моделей для исследования продольной
(инамики кузовов грузовых вагонов при одностороннем ударе в автосцепку.
Практическую ценность работы составляют:
разработанное программное обеспечение для оптимизации кузовов грузовых вагонов;
программные средства для исследования продольной динамики грузовых вагонов;
полученные результаты оптимального проектирования кузова вагона-автомобиле-воза конструкции ЗАО УК «БМЗ».
Реализация работы.
Разработанные в диссертации методика, алгоритмы и программные средства для оптимизации несущих систем вагонов внедрены в конструкторском отделе по вагоностроению ЗАО УК «БМЗ» и используются при проектировании грузовых вагонов.
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы докладывались на десяти международных, всероссийских и региональных научно-технических конференциях: на IV Международной научно-технической конференции «Качество машин» (г. Брянск, 2001 г.); на Международной научно-практической конференции «Подвижной состав железнодорожного транспорта» (г. Гомель, 2004 г.); на двух Региональных научно-технических конференциях «Вклад ученых и специалистов в национальную экономику» (г. Брянск, 2004, 2005 г.г.); на электронной конференции «Современные проблемы науки и образования» (г. Москва, 2004 г.); на двух Международных и Всероссийской научно-практических конференциях «Проблемы и перспективы развития вагоностроения» (г. Брянск, 2004, 2005, 2006 г.г.), на Региональной научно-технической конференции «Механика несущих систем» (г.Брянск, 2008 г.), на Международной научно-практической конференции «Проблемы современного строительства» (г. Пенза, 2011 г.).
По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК России.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, три главы, заключение, список литературы из 152 наименований и приложение. Работа изложена на 141 странице машинописного текста, включая 53 рисунка и 15 таблиц.
