Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор и анализ исследований по аварийным продольным соударениям вагонов. Постановка и формулировка решаемых в диссертации задач 8
2. Разработка методики исследования и выбора параметров конструкционных амортизаторов аварийных продольных соударений
2.1. Формулировка аварийных ситуаций и системный анализ конструктивных устройств пассивной безопасности скоростных пассажирских поездов 15
2.2. Разработка методики исследования динамики продольного аварийного соударения и выбора параметров конструкционных амортизаторов 29
2.3. Разработка модели для исследования динамики аварийного продольного соударения скоростного поезда 42
2.4. Выбор параметров жертвенных частей и элементов 48
2.5. Выводы. , 65
3. Теоретические исследования и выбор параметров амортизаторов аварийных продольных соударений скоростного поезда постоянного формирования ... 61
3.1. Исследование продольной динамики аварийного продольного соударения скоростного поезда и обоснование требований к аварийным амортизаторам - 68
3.2. Исследование нагруженности элементов несущей конструкции жертвенной части промежуточного вагона скоростного поезда 75
3.3. Исследование статического деформирования и выбор параметров амортизаторов аварийных продольных соударений 82
3.4. Исследование нагруженности и выбор параметров жертвенной части несущей конструкции головного вагона скоростного поезда при аварийном соударении 89
3.5. Исследование динамического деформирования и выбор параметров амортизаторов аварийных продольных соударений .96
3.6. Выводы 102
4. Экспериментальные исследования и оценка параметров аварийных амортизаторов высокоскоростного поезда «Сокол» 105
4.1. Разработка методики экспериментальных исследований устройств аварийной амортизации продольных соударений скоростных пассажирских поездов 105
4.2. Исследование конструкционных элементов аварийной амортизации при статическом нагружении 112
4.3. Исследование конструкционных элементов аварийной амортизации при динамическом нагружении 115
4.4. Исследование кузова прицепного вагона высокоскоростного поезда «Сокол» при статическом нагружении 122
4.5. Исследование жертвенной части несущей конструкции головного вагона высокоскоростного поезда «Сокол» при статическом нагружении 125
4.6. Выводы 127
5. Разработка рекомендаций по реализации пассивной безопасности высокоскоростного поезда «Сокол» 129
Заключение 132
Список использованной литературы 135
- Разработка методики исследования динамики продольного аварийного соударения и выбора параметров конструкционных амортизаторов
- Исследование нагруженности элементов несущей конструкции жертвенной части промежуточного вагона скоростного поезда
- Исследование нагруженности и выбор параметров жертвенной части несущей конструкции головного вагона скоростного поезда при аварийном соударении
- Исследование конструкционных элементов аварийной амортизации при динамическом нагружении
Разработка методики исследования динамики продольного аварийного соударения и выбора параметров конструкционных амортизаторов
Значительную депту в современный уровень знаний в области продольной динамики при соударениях вагонов внесли отечественные ученые: И.Г. Барбас, СВ. Вершинский, А.У. Галиев, СВ. Дувалян, Н.Е. Жуковский, Б.Г. Кеглин, В.А. Лазарян, Л.А. Манашкин, Л.Н. Никольский, Н.А. Панькин, Ю.И. Першиц, И.М. Рабинович, Х.А. Рахматулин, Н.К. Снитко, В.В. Соколовский, Е.Л. Стамблер, А.П. Филиппов, Г.С. Шапиро; среди зарубежных исследователей - Л. Трусделл. Этими учеными были исследованы проблемы, связанные с безопасностью подвижного состава, которые возникают при продольных соударениях вагонов [12, 13, 23, 47, 69, 70]. Были выявлены основные закономерности динамической нагруженности экипажей при этих видах эксплуатационных усилий [46, 71], проведены теоретические и экспериментальные исследования неустановившихся движений поезда, вагоны которого оборудованы устройствами поглощения энергии автосцепки с нелинейными силовыми характе ристиками [1, 36] и разработаны эффективные устройства поглощения энергии продольных соударений [54, 55, 85].
Пристальное внимание исследователей особенно в последнее время обращено на аварийные ситуации, возникающие при эксплуатации грузового и пассажирского подвижного состава. Исследованиями продольных аварийных соударений грузовых поездов занимались: М.М. Болотин, М.Б. Кельрих, А.В. Смольянинов, В.Н. Филиппов; среди зарубежных исследователей - И. Бернулли, П, Конлон, Л. Навье, С. Пуассон. Ими были выявлены основные статистические зависимости причин возникновения аварийных ситуаций [66, 88], обоснованы аварийные расчетные случаи и разработан класс устройств защиты грузовых вагонов в аварийных ситуациях [39, 75, 85]. Значительно меньше изучены в настоящее время аварийные ситуации, связанные со скоростными пассажирскими поездами. Аварийные продольные соударения скоростных пассажирских поездов изучали: А.А. Битюцкий, Ю.П. Бороненко,. Э.Г. Платонов, Ю.М. Черкашин [3, 4, 6, 7, 10, 11, 17, 35, 51, 52, 63, 82, 83].
Возникающие в процессе соударения силы переменны во времени, их максимальные значения зависят от протекания волнового процесса удара и от механических характеристик самого вагона. Для того чтобы определить величины этих сил, необходимо получить совместное решение уравнений соударяемых систем [69, 70, 71,88].
В расчетах несущих конструкций вагонов широко используются многие разработки крупнейшей российской школы специалистов строительной механики МГУПС (МИИТа). Труды А.В. Александрова, А.В. Даркова, В.П. Мальцева, А.Ф. Смирнова, Н.Н. Шапошникова способствовали и продолжают способствовать развитию методов моделирования задач прочности и динамики в различных областях техники, включая вагоностроение [16, 19, 20, 22, 27,31,44,48,49,50,72,86].
Определение напряженно-деформированного состояния конструкций при действии известных внешних нагрузок представляет весьма сложную самостоя тельную задачу. В последние время в связи с бурным развитием вычислительной техники возросла роль численных методов решения задач строительной механики. Наиболее распространенным и универсальным численным методом, ориентированным на применение современных ЭВМ, является метод конечных элементов (МКЭ), который по праву можно отнести к наиболее перспективным численным методам исследования, так как в нем реализовано решение широкого класса задач не только механики твердого деформированного тела, а также теплопроводности, электромагнетизма, гидро—газодинамики и других областей, благодаря своей универсальности, ясности инженерной интерпретации и приспособленности [16, 18, 27, 31, 45,60, 72, 73, 79, 81].
Благодаря своим преимуществам, МКЭ по праву можно отнести к наиболее перспективным численным методам широкого класса задач механики твердого деформируемого тела. Его популяризации способствовали работы О. Зенкевича, К. Бате, Е. Вилсона, М. Секуловича и др. [27, 31, 73].
Успешное развитие МКЭ получил в работах ученых: Ю.Н.Аксенова, И.В. Бруякина, П.М. Варвака, Н.В. Колкунова, В.И. Мяченкова, В.А. Постнова, В.П. Суслова и др. Решение ряда важнейших прочностных и динамических задач в данных работах показали эффективность этого метода. И он нашел отражение в «Нормах для расчета и проектирования вагонов...» издания 1996 года, где говорится, о том, что оценку НДС состояния узлов и деталей вагонов рекомендуется проводить методом конечных элементов [57, 72].
Таким образом, подытоживая краткий обзор исследований по проблемам связанным с повышением безопасности перевозок, путем совершенствования конструкций экипажей, можно выделить основные тезисы, характеризующие современный уровень научно-методических знаний о конструкциях подвижного состава.
Значительное количество исследований посвящено исследованиям динамической нагруженности экипажей в транспортных условиях эксплуатации, обоснованы методы изучения и определены величины динамических нагрузок на элементы конструкций вагонов и локомотивов различных типов; исследована ударная, статическая и усталостная прочность конструкций экипажей различных типов [12, 28, 43, 46, 69, 78, 88].
Рядом исследователей и организаций разработаны эффективные разнообразные устройства поглощения энергии продольных соударений, такие как поглощающие аппараты различных конструкций (металлокерамические пружинно-фрикционные, газо-гидравлические, эластомерные), а также специальные устройства типа плавающей хребтовой балки, ударопоглощающих устройств крепления грузов, наполнительных демпфирующих материалов [1,36,54,55,63].
Достаточно подробно были исследованы процессы соударения вагонов при маневровых операциях, определены характерные виды и причины повреждений конструкций вагонов связанных с воздействием ударных нагрузок, проанализировано влияние различных параметров, характеризующих процесс соударения и особенности конструкции вагона, на ударную прочность его элементов [23,69,70,71,88].
Б отдельных исследованиях [39, 58, 75, 85] собрана и проанализирована статистическая информация об аварийных соударениях грузовых вагонов. На основе этой информации были разработаны разнообразные устройства, защищающие вагоны при продольных аварийных соударениях, такие как защитные щиты и экраны, фалыпднища, бандажи. Так как значительная часть аварий происходит из-за неисправностей и несовершенства конструкций автосцепных и ходовых устройств существенные усилия исследователей и разработчиков были направлены на совершенствование их конструкций.
Исследование нагруженности элементов несущей конструкции жертвенной части промежуточного вагона скоростного поезда
Сама операция разбиения конструкции на совокупность конечных элементов является одной из наиболее трудоемкой. Но сегодня уже имеются программы, позволяющие автоматизировать этот процесс для стержневых, пластинчатых и объемных конструкций.
Затем производится вычисление матриц жесткости элементов. Расчеты по МКЭ различных конструкций отличаются принципиально друг от друга только применяемой матрицей жесткости (МЖ) и матрицей перехода от обобщенных перемещений к внутренним усилиям (МУ). Поэтому основная часть программы остается неизменной; меняются лишь стандартные подпрограммы для построения МЖ и МУ, которые выбираются из библиотеки стандартных подпрограмм вычисления МЖ и МУ для различных типов конечных элементов. Машина автоматически включает указанные подпрограммы в состав основной программы.
При этом одной из важнейших проблем при расчете конструкций по МКЭ на ЭВМ является автоматическое формирование в машине коэффициентов системы алгебраических уравнений для всех конструкций. Общее число неизвестных в МКЭ достигает сотен и даже нескольких тысяч.
Количество коэффициентов общей системы уравнений оказывается порядка 10 - 107. Отсюда ясно, что формирование общей матрицы жесткости должно быть автоматизировано.
В общем случае формирование системы уравнений необходимо знать топологическую схему конструкции и краевые условия, геометрические и физические параметры элементов (размеры, жесткость и т.п.), вид, интенсивность и места приложения внешних нагрузок.
Взаимная связь элементов и краевые условия задаются специальной матрицей индексов[7]. Она имеет размеры Мхг, где М- число элементов, а г - число обобщенных перемещений для одного элемента. Матрица индексов [7] состоит из строк, а каждая г -я строка задает отображение обобщенных координат г -го элемента в множество обобщенных координат всей конструкции - номера узлов неизвестных отдельного элемента в собственной нумерации (местная система координат); Ц - номера узлов неизвестных конструкций, совпадающие по направлению с перемещениями отдельного элемента.
Таким образом, матрица индексов устанавливает связь между векторами узлов перемещений в местной системе координат. Составленная матрица индексов используется для автоматического формирования коэффициентов системы уравнений МКЭ.
При решении задач по МКЭ структура общей матрицы жесткости существенным образом зависит от порядка нумерации и обхода узлов конструкции, а также от порядка нумерации неизвестных внутри одного элемента. При рациональной нумерации узлов система уравнений имеет ленточную структуру. Чем меньше ширина ленты, тем удобнее для решения полученная система уравнений МКЭ (меньше требуется машинного времени, выше точность решения, меньше исходной информации и т.п.).
Рекомендуется придерживаться следующих положений: - для конструкций с регулярной сеткой обход следует производить вдоль меньшего размера конструкции; - для конструкций, имеющих замкнутый контур, обход узлов и их нумерацию нужно производить симметрично относительно некоторого начального узла; - в любом другом случае следует стремиться, чтобы разность между соседними номерами узлов была наименьшей. В частном случае, решение задачи устойчивости вагонных конструкций производится по алгоритму, представленному на рис. 2.13 [9]. с
Обіцая схема алгоритма расчета устойчивости вагонных конструкций МКЭ На первом этапе (блоки 1-4 рис. 2.13) производится формирование и решение системы алгебраических уравнений равновесия также, как и для решения задачи статической прочности при заданной системе внешних сил.
На втором этапе (блоки 5-6 рис. 2.13) с использованием значений начальных напряжений вычисляются матрицы устойчивости КЭ и формируется глобальная матрица устойчивости. Это производится аналогично тому, как формируется глобальная матрица жесткости с преобразованием матриц отдельных КЭ в глобальную систему координат и суммирования узловых значений коэффициентов с использованием матрицы индексов.
Вычисление величины X (блоки 8-9 рис 2.13) производится с применением итерационного алгоритма, в качестве критерия сходимости которого принимается величина допуска на амплитуду внешней нагрузки F. В результате анализа четырех наиболее широко применяемых в МКЭ итерационных методов: метода обратных степеней, покоординатных итераций, итерационного метода Якоби и итерационного метода Ланцоша [20, 22, 72, 73] выбирается метод, позволяющий устойчиво получать точные значения при минимуме итераций.
В данной работе был выбран метод Ланцоша. Величина допусков, при применении этого метода, была получена в результате серии численных экспериментов и была принята равной 0,001 от F. Это позволило получать точные значения А. в результате 2-3 шагов итерации.
При потере устойчивости вагонных конструкций, как правило, необходимо определить минимальное значение критической силы для заданной схемы на-гружения. Поэтому в результате вычисляется наименьшее значение А,, при котором на следующем шаге алгоритма определяется вектор {q }, определяющий форму потери устойчивости конструкции.
Получаемое значение критической нагрузки является значением, которое справедливо для идеальной конструкции без первоначальной погиби. Для получения значения критической силы с учетом первоначальной погибей используются поправочные коэффициенты, полученные в [26] и опробованные в вагоностроении.
На следующем этапе разработанной методики для повышения эффективного поглощения энергии конструкцией производится выбор параметров жертвенных элементов. Основной задачей при этом является приближение суммарной кривой деформирования жертвенной части пассажирского вагона к принятой идеальной модели деформирования.
Задача выбора параметров жертвенных элементов также может решаться упрощенным и уточненным способами.
При упрощенном способе модель идеализации деформирования конструкции жертвенного элемента представлена на рис. 2.14. При этом принимается, что происходит потеря устойчивости конструкции и далее равномерное пластическое деформирование жертвенного элемента до исчерпания его рабочего хода.
Исследование нагруженности и выбор параметров жертвенной части несущей конструкции головного вагона скоростного поезда при аварийном соударении
При проведении расчетных исследований конструкция концевой части головного вагона скоростного поезда рассматривалась как пространственная многосвязная дискретно подкрепленная оболочка. Поэтому при формировании конечно-элементной расчетной схемы была использована пластинчатая идеализация реальной конструкции.
В качестве глобальной системы координат при составлении расчетной схемы была выбрана правая декартова система с центром на продольной оси вагона в крайнем переднем узле жертвенной части головного вагона. Ось «X» системы координат направлена вдоль поперечной оси вагона, ось «Y» системы координат направлена вертикально вверх, ось «Z» системы координат направлена вдоль оси вагона.
При разработке расчетной схемы для описания оболочки были использованы конечные элементы типа SHELL, которые используются для идеализации толстой оболочки с мембранными и изгибными свойствами, для анализа трехмерных структурных и тепловых моделей. Каждый узел конечного элемента имел 6 степеней свободы (3 поступательные и 3 поворотные). Было принято, что в пределах одного конечного элемента свойства являются изотропными, а толщина постоянной.
В связи с тем, что конструкция жертвенной части головного вагона и система приложения нагрузок симметричны относительно продольной плоскости, была рассмотрена половина конструкции, с введением соответствующих кинематических ограничений в узлах, лежащих в плоскости симметрии.
При нанесении сетки конечных элементов, плотность сетки была выбрана из условия увеличения точности решения при уменьшении требуемых вычислительных ресурсов.
Для адекватного моделирования воздействия остальной части конструкции вагона на жертвенную часть головного вагона, в месте отсечения было введено условие совместности перемещения узлов абсолютно жесткой пластины в продольном направлении. Нагрузка на жертвенную часть задавалась деформацией, приложенной на эту пластину, и составляла 1 м.
На первом шаге был произведен расчет жертвенной части головного вагона с изначальными параметрами с учетом пластических конечных деформаций. В результате проведенных исследований были получены данные о деформированном состояния модели (рис.3.17) и кривая зависимости усилия деформирования от деформации несущей конструкции жертвенной части головного вагона (рис. 3.19), по которой было определено максимальное усилие.
В результате проведенных исследований было выявлено, что конструкция жертвенной части головного вагона деформируется по сценарию потери устойчивости с развитой зоной предварительной пластической деформации. Максимальное значение усилия, при- этом, значительно превышают допускаемые, определенные на первом этапе методики, а коэффициент поглощения энергии (г\) чрезвычайно мал. В связи с этим, с целью снижения максимального усилия, были изменены параметры в исходных данных расчетной модели. Для решения поставленной задачи был применен комбинированный метод модификации конструкции, включающий в себя: провоцирование конструкции на потерю устойчивости при аварийном продольном соударении путем задания начальных Рис. 3.17. Динамика изменения деформированного состояния конструкции жертвенной части головного вагона с изменением фиктивных пластических деформаций при перемещении на: а) 0.25 м: б) 0.5 м: в) 0. 75 м и г) 1.0 м погибей основных несущих балок, с другой стороны была уменьшена продольная жесткость конструкции, путем уменьшения толщины несущих элементов.
Исходя из выше сказанного, для определения форм потери устойчивости на следующем шаге была произведена оценка устойчивости модели по Эйлеру. В результате расчета были получены первые 10 мод потери устойчивости жертвенной части головного вагона. Основные из них представлены на рис. 3.18.
На следующем шаге был произведен расчет жертвенной части головного вагона с модифицированными параметрами. В результате расчета была получена кривая зависимости усилия деформирования от деформации несущей конструкции жертвенной части головного вагона (рис.3.19).
Резюмируя выше сказанное, по результатам проведенных исследований по уточненному способу позволили сделать следующие выводы: - разработана и реализована конечно-элементная модель жертвенной части головного вагона, учитывающая конечные пластические деформации; - определена история деформирования несущей конструкции; - полученная модификация позволила существенно снизить максимальное значение усилия деформирования и несколько повысить коэффициент поглощения энергии; - однако, коэффициент поглощения энергии данной конструкции недостаточен и для его повышения необходимо применение дополнительных жертвенных элементов. Решению проблемы повышения коэффициента поглощения энергии жертвенной части несущей конструкции посвящен следующий этап работы.
Исследование конструкционных элементов аварийной амортизации при динамическом нагружении
.Результаты сравнения статических, динамических и расчетных исследова ний конструкционных элементов по всем этапам представлены в таблице 4.5. Сравнение результатов производилось для значений рабочего хода, определенного в динамике, что связано с почти неограниченной возможностью сжатия образцов при статических исследованиях на гидравлическом прессе и не может быть реализовано на натурном вагоне. Сравнивались средние продольные усилия, которые характеризуют уровень усилия, передающегося на кузов вагон при столкновении, а также значения энергоемкости каждого образца. Максимальные расхождения при этом составили: по усилию - 16%, а по энергоемкости -11%.
Деформированное состояние жертвенного элемента №16 в зависимости от времени деформирования по данным экспериментальных и расчетных исследований представлено на рис. 4.5.
По результатам проведенных исследований при квазистатическом и динамическом нагружении конструктивных элементов для создания конструкции жертвенной части головного вагона электропоезда «Сокол» предлагается: - принять в качестве основных составляющих устройств аварийной амортизации конструктивные элементы №№ 014 и 016 в виде сотовых многорядных конструкций; - провести статические и динамические исследования устройств аварийной амортизации в сборе для определения их итоговых характеристик; - провести динамические исследования жертвенной части головного вагона электропоезда «Сокол», оборудованной устройствами аварийной амортизации, для определения ее итоговых характеристик и оценки эффективности в условиях, приближенных к реальному соударению.
Исследования кузова прицепного вагона высокоскоростного поезда «Сокол» при статическом нагружении.
Статические исследования опытного натурного трансформаторного вагона скоростного электропоезда «Сокол» в испытательной лаборатории статической и усталостной прочности крупногабаритных конструкций «Гарант» ЦЬЖИ им. акад. А.Н. Крылова по разработанной программе статических испытаний.
Опытный натурный кузов вагона располагался в эллинге ресурсных и статических испытаний (ЭРСИ) ИЛ «Гарант», оснащенным стационарным силовым оборудованием: силовым полом, потолком и Змя силовыми стенами. Общий вид установки кузова вагона на стенд представлен на рис. 4.5.
Нагружение кузова опытного вагона производится с помощью основного испытательного оборудования ЭРСИ - системы нагружения пространственных конструкций (СНПК 2000-300). Регистрация и обработка инструментальных измерений деформаций в процессе испытаний осуществляется с использованием информационно-измерительной системы (ИВС) «Алгоритм». Прогибы и перемещения измеряются индикаторами часового типа и специальными датчиками.
Схемы нагружения кузова вагона реализовывались с помощью специально изготовленного для этих целей нагрузочного устройства. Нагрузочное устройство представляет собой две плоские жесткие планшайбы, одна из которых, неподвижная, закреплена на силовой стене, а вторая, установленная на контрфорсах, перемещается по специальным направляющим, расположенным на силовом полу перпендикулярно стене. Гидравлические силовозбудители размещаются по бокам кузова вагона между планшайбами и вдоль продольной оси вагона между шкворнями и неподвижным контрфорсом, установленным позади подвижной планшайбы.
В результате проведенных экспериментальных исследований была получена совмещенная диаграмма «нагружение - деформация» кузова трансформаторного вагона (рис. 4.6). Из полученной диаграммы видно, что в начале деформирования происходит пик потери устойчивости основных элементов конструкции, после которого происходит равномерное деформирование. Затем, происходит второй пик потери устойчивости вспомогательных элементов несущей конструкции жертвенной части вагона, за которым идет равномерное сжатие вплоть до начала деформирования пассажирского салона (жилой зоны).
По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы: - была определена истинная картина напряженно-деформированного состояния кузова вагона при воздействии на него системы внешних сил, в максимально возможной мере приближающейся к реальной картине деформирования; - произведена оценка приемлемости используемых при расчетах прочности и устойчивости кузова вагона схем и приемов; - получена совмещенная диаграмма «нагружение - деформация» кузова трансформаторного вагона; - фактическая жесткость двух тамбуров кузова трансформаторного вагона составила 3,75-Ю8 Н/м, критическое усилие при этом - 1,3-МН, а рабочий ход-1,6 м;
Таким образом, в результате проведенных экспериментальных исследова-ий было выявлено, что жертвенная часть несущей конструкции деформирует-я по сценарию потери устойчивости (что подтверждает принятые допущения ри теоретических исследованиях деформирования жертвенной части несущей онструкции прицепного вагона), были определены реальные жесткости жерт-енной части и пассажирского салона, которые были использованы для коррек-ировки динамической модели скоростного поезда.
Исследования жертвенной части несущей конструкции головного вагона высокоскоростного поезда «Сокол» при статическом нагружении.
Экспериментальные исследования натурного образца носовой части го-овного вагона производились в испытательной лаборатории ЦНИИ им. акад. i.H. Крылова на стенде большегрузных испытательных машин. Общий вид ус-ановки опытного образца в стенд представлен на рис. 4.7.
Нагружение опытного образца производилось продольными квазистатиче-кими силами при помощи испытательной машины МУГ-3000 с продольном силиемЗООО тс.
Погрешности реализации заданной программы нагружения определялись [огрешностями силоизмерителя, которые при нагрузках свыше 50 тс не пре-ышают 2% от измеряемой величины.
При нагружении опытного образца возрастающим квазистатическим уси-іием производились как инструментальные измерения, так и визуальные наблюдения за характером поведения узла в процессе нагружения.
Регистрация и обработка результатов инструментальных измерений деформаций в процессе нагружения осуществлялись с использованием информа-щонно-измерительной системы (ИВС) «Алгоритм». Прогибы и перемещения (змерялись индикаторами часового типа и специальными датчиками.
