Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы безопасной эксплуатации парка автоцистерн 9
1.1. Современное состояние парка автоцистерн 9
1.2. Причины возникновения и развития повреждений
1.3. Обзор методов расчета и выполненных исследований прочности оболочечных конструкций
Глава 2. Выбор метода расчета. Математическое моделирование корпусов автоцистерн
2.1. Определение напряженно-деформированного состояния корпусов цистерн. Методы расчета 36
2.2. Методика проведения исследований прочности корпуса автоцистерны. Математическое моделирование 44
2.3. Оценка точности результатов расчета по разработанной методике с использованием программного комплекса ANSYS
Глава 3. Влияние режимов эксплуатации и эксплуатационных повреждений на прочность корпуса цистерны
3.1. Влияние нагрузок, возникающих при равномерном движении цистерны БЦМ 42.1, на прочность корпуса 65
3.2. Прочность корпуса цистерны при разгоне и торможении.
3.3. Прочность корпуса цистерны несущей конструкции при действии крутящих нагрузок 79
3.4. Влияние изгибающих нагрузок на прочность корпуса цистерны несущей конструкции 80
3.5. Исследование напряженно-деформированного состояния корпуса автоцистерны с учетом эксплуатационных повреждений типа вмятины
Глава 4. Оценка работоспособности цистерн из легких сплавов
4.1. Влияние основных режимов нагружения на прочность корпуса цистерны БЦМ 110.1 106
4.2. Влияние дополнительных (проверочных) режимов нагружения на прочность корпуса цистерны БЦМ 110.1 И"
4.3. Исследование напряженно-деформированного состояния корпуса цистерны БЦМ 110.1 из стали 125
4.4. Сравнение результатов расчета цистерны из разных материалов и рекомендации для производства
Общие выводы и предложения Список использованных источников 138
Приложения 151
- Обзор методов расчета и выполненных исследований прочности оболочечных конструкций
- Методика проведения исследований прочности корпуса автоцистерны. Математическое моделирование
- Оценка точности результатов расчета по разработанной методике с использованием программного комплекса ANSYS
- Прочность корпуса цистерны несущей конструкции при действии крутящих нагрузок
Введение к работе
Актуальность работы. Выход России на мировые рынки, напрямую связанный с жесткой конкуренцией, требует совершенствования научных основ проектирования современных специализированных машин, с целью создания новых и совершенствования существующих конструкций. Жизнедеятельность дорожно-транспортного комплекса обеспечивается своевременной доставкой продукции нефтехимического и газового сектора. Для сокращения сроков поставки и увеличения объемов перевозимого груза необходимо создание новых более емких автоцистерн несущей конструкции с применением легких сплавов. В связи с этим развитие методов расчетного моделирования конструкций цистерн для оценки прочности и прогнозирования их поведения, как на стадии проектирования, так и в условиях эксплуатации с целью обеспечения безопасной работы является актуальным.
Внедрение в практику проектирования новых, мощных вычислительных средств и конечно-элементных комплексов позволяет создавать адекватные расчетные модели, достаточно полно описывающие конструкцию цистерны и учитывающие все действующие на нее нагрузки, свойства материала, влияние эксплуатационных повреждений, и в кратчайшие сроки проводить численный эксперимент, заменяющий во многом длительную, дорогостоящую экспериментальную доводку. Разработка таких моделей и методов анализа работоспособности автоцистерн актуальна и в связи с тем, что при необходимости скорейшего выхода на рынок новые конструкции внедряются практически без экспериментальных и доводочных работ, «с листа».
Цель работы. Целью диссертации является обеспечение работоспособности и безопасной эксплуатации автомобильных транспортно-заправочных средств путем совершенствования методов их расчета и анализа напряженно-деформированного состояния при разных эксплуатационных нагрузках, разработки рекомендаций по совершенствованию конструкций, применению новых конструкционных материалов и оценки прочности корпусов цистерн при наличии повреждений.
В соответствии с указанной целью в диссертации были поставлены и решены следующие основные задачи.
1. Провести анализ состояния парка цистерн, их типовых конструкций, применяемых материалов, нагруженности корпусов, выявить основные виды повреждений.
2. Уточнить и дополнить существующие расчетные схемы корпусов цистерн и выбрать систему параметров, отражающих особенности работы цистерны несущей конструкции.
3. Разработать расчетные модели на базе современных конечно элементных комплексов, учитывающие особенности цистерны несущей конструкции.
4. Провести оценку прочности корпуса цистерны несущей конструкции при разных видах нагружения с целью разработки рекомендаций по рациональному проектированию новых конструкций.
5. Исследовать работоспособность корпуса цистерны несущей конструкции с учетом основных эксплуатационных повреждений (вмятин) с целью разработки мероприятий по их контролю и диагностированию.
6. С помощью разработанных расчетных моделей провести анализ прочности корпуса цистерны несущей конструкции из алюминиево-магниевого сплава с целью разработки рекомендаций по обеспечению работоспособности конструкции.
Научная новизна работы
1. Уточнена и дополнена система расчетных нагрузок действующих на корпус полуприцепа-цистерны несущей конструкции, путем замены коэффициента перегрузки на переднее днище при режиме экстренного торможения с п=2 на n=a/g и введения дополнительных (проверочных) расчетных режимов нагружения таких как кручение и изгиб.
2. На базе конечно-элементных комплексов разработаны новые расчетные модели цистерн несущей конструкции с применением конечных элементов высокого порядка shell 93, более точно описывающих напряженно-деформированного состояния корпуса цистерны при эксплуатационных нагрузках.
3. С помощью новых расчетных моделей обосновано применение легких сплавов для производства цистерн несущей конструкции. Результаты численного анализа показали, что при рациональном конструировании цистерн из алюминиево-магниевого сплава их прочностные показатели удовлетворяют нормативным требованиям при эксплуатационных нагрузках с коэффициентом запаса прочности Пт=2.2.
4. Исследовано влияние повреждений (вмятин) на работоспособность корпуса автомобильной цистерны в эксплуатации и предложена методика, позволяющая оценить способность металла работать в упруго-пластической области с учетом образовавшейся пластической деформации.
Достоверность полученных результатов подтверждается сравнением результатов численных исследований с результатами экспериментальных исследований, напряженно-деформированного состояния корпуса цистерны несущей конструкции завода ЦемМаш и положительной экспертной оценкой результатов расчета исследуемых цистерн специалистами ЗАО «БЕЦЕМА».
Практическая ценность
1. Предложена методика оценки прочности цистерн несущей конструкции, позволяющая в короткие сроки оценивать работоспособность новых конструкций на стадии проектирования.
2. Даны рекомендации по конструктивным изменениям цистерны несущей конструкции БЦМ 42.1, в соответствии с которыми рекомендовано использовать при производстве данного типа цистерн толщину стенки обечайки 4 мм, днища 5 мм.
3. Даны рекомендации по конструктивным изменениям цистерн несущей конструкции из алюминиево-магниевого сплава БЦМ 110.1, в соответствии с которыми рекомендовано увеличить радиус закругления в области стыка днища и обечайки с 60 до 100 мм и использовать при изготовлении толщину листа обечайки 5 мм, днища - 6 мм.
4. Даны рекомендации по изменению ГОСТ Р 50913-96 в части эксплуатационных нагрузок при оценке работоспособности цистерны несущей конструкции. Предложено заменить коэффициент перегрузки на переднее днище при режиме экстренного торможения с п-2 на n=a/g, что позволит получить более точное представление о напряженно-деформированном состоянии в области днища в момент экстренного торможения.
Реализация результатов работы. Основные результаты исследований и рекомендации использованы в ЗАО «БЕЦЕМА», 751-м_ремонтном заводе (г. Ростов, Ярославская область) и 25-м Гос. НИИ (г. Москва).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и одобрены на семинаре Научно технического центра автоматизированного расчета и проектирования в машиностроении, на 59-й, 60-й, 61-й, 62-й научно-методических конференциях МАДИ (ГТУ), на июньской выставке научных достижений МАДИ (ГТУ) в 2004 году, на Всероссийской научно-практической конференции «Российский автопром: теоретические и прикладные проблемы машиноведения» в ИМАШ РАН, 2007 год, на Научно-методической конференции МАДИ (ГТУ) в 2008 году. Диссертационная работа заслушана и одобрена на расширенном заседании кафедры «Детали машин и теория механизмов» с привлечением специалистов кафедр «Строительная механика», «Производство и ремонт автомобилей и дорожных машин» и «Дорожно-строительные машины» МАДИ (ГТУ).
На защиту выносятся:
1. методика оценки работоспособности цистерны несущей конструкции при эксплуатационных нагрузках с помощью расчетных моделей МКЭ на этапах проектирования;
2. методика диагностирования повреждений типа вмятин, образовавшихся в процессе эксплуатации;
3. влияние конструкционных и эксплуатационных факторов на работоспособность цистерн несущей конструкции и рекомендации по совершенствованию цистерн такого типа.
Публикации. По материалам диссертации написано семь статей, из них 2 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, приложения и списка литературы из 146 наименований. Работа изложена на 172 страницах, включая 91 рисунок и 14 таблиц.
Обзор методов расчета и выполненных исследований прочности оболочечных конструкций
Приведенный в первом разделе анализ парка автоцистерн позволил, в качестве объекта исследования выбрать цистерну несущей конструкции для перевозки жидких нефтепродуктов. Цистерна такого типа представляет собой замкнутую круговую, цилиндрическую или эллиптическую оболочку в ряде случаев ступенчато-переменного сечения с плоскими и эллиптическими днищами. Обечайки цистерн подкреплены кольцами жесткости, накладками и различными конструктивными усилениями.
При расчетах прочности несущих нагрузку элементов, для оценки работоспособности применяют различные критерии: силовые, деформационные, энергетические. При этом, возникающие в элементах конструкции эксплуатационные напряжения не должны достигать предельных значений. Допустимые значения напряжений определяются по пределам текучести а0,2 (или &т), прочности ав, длительной прочности овт или ползучести тп при заданной температуре с введением соответствующих нормативных коэффициентов запаса п
Запас прочности конструкции выбирается с учетом возможных при эксплуатации деградационных процессов (старения материалов, износа, коррозии), изменения нагруженности конструкции и будет уменьшаться в процессе эксплуатации.
Критерием предельного состояния будем считать уменьшение запаса прочности до предельной величины: аэкв - эквивалентное напряжение (МПа).
Определением напряженно-деформированного состояния оболочечных конструкций уже длительное время занимаются ученые ведущих учебных и научно-исследовательских институтов страны. Традиционно, в расчетах корпуса широко используется теория оболочек. Большой вклад в развитие теории оболочек внесли такие ученые как: Биргер Н.А. [139], И. Г. Бубнов [49], Б. Г. Галеркин [50], С. П. Тимошенко [51], А. Л. Гольденвейзер [52], В. В. Новожилов [53, 54], В. 3. Власов [55, 56], И.В. Демьянушко [145] и др.
Власов в 1932 г. предложил полубезмоментный метод, а в 1945 г. -техническую теорию оболочек. В 60-70 годы появилось большое количество прикладных методов расчета пространственных конструкций, разработанных, в частности, в МИИТе (рук. А. В. Александров [57]), ЛИИЖТе (А. П. Филин [58, 59]) и др. Большое количество работ посвящено прочности гладких и подкрепленных цилиндрических оболочек. Основные идеи теории подкрепленных оболочек были высказаны В. 3. Власовым и А. И. Лурье, которые считали, что такую оболочку можно рассматривать как конструкцию, состоящую из оболочки и подкрепляющих ее одномерных упругих элементов. По В. 3. Власову влияние ребер на оболочку учитывается реакциями, которые затем с помощью уравнений равновесия ребер исключаются из уравнений равновесия оболочки. Получаемые при этом уравнения в частных производных используются для решения конкретных задач. А. И. Лурье для вывода уравнений равновесия использовал принцип возможных перемещений.
Для определения НДС по моментной или полубезмоментной теории оболочек многие авторы применяли как одинарные, так и двойные тригонометрические ряды. В развитии прикладных методов расчета пластин и оболочек следует отметить исследования школы МВТУ (В. Л. Бидерман [79], В. И. Феодосьев и др.).
В этой связи, следует отметить диссертацию В. Н. Котуранова [60], в которой был выполнен расчет котла железнодорожной цистерны. Автор обосновал введение в расчетную схему абсолютно жестких в своей плоскости диафрагм и соответствующих этому описанию граничных условий при нагружении поперечными нагрузками. Напряжения от локальных нагрузок на котел имеют по дуге окружности затухающий характер, и автор рекомендовал внутренние усилия в оболочке аппроксимировать затухающими по мере удаления от зон приложения нагрузки.
На протяжении последних лет у нас и за рубежом интенсивно развивается механика разрушения и физико-механическое моделирование реальных процессов деформирования и разрушения материалов конструкций. В разработке этих важных в том числе и для автомобилестроения, разделов науки о прочности, следует отметить исследования: Гриффитса А. А., Ирвина Дж., Орована О. Е., Си Г. С, Сиратори М., Плювинажа Г., Черепанова Г. П., Панасюка В. А., Ивановой В. С, Писаренко Г.С., Барсоума С, Трощенко В.Т., Морозова Е.М., Карзова Г.П., Мешкова Ю.Я., И.В. Демьянушко [146] и др. В многочисленных работах [63-66, 76 и др.] рассмотрен широкий спектр проблем прочности и долговечности конструкций. В этих работах, прежде всего, существенно углубляется и конкретизируется определение разрушения конструкции. По современным представлениям [65, 66] «разрушение является многостадийным процессом, развивающимся во времени в локальных объемах металла и приводящим к глобальному нестабильному разделению при достижении предельного состояния».
Методика проведения исследований прочности корпуса автоцистерны. Математическое моделирование
При выполнении инженерных расчетов на прочность с помощью МКЭ неизбежен этап создания расчетных моделей. Это один из наиболее ответственных этапов, от которого зависит корректность полученных результатов. При создании моделей, возможно выбрать материал, необходимые размеры конструкций и оценить ее сопротивление внешним воздействиям. Модель представляет собой отображение объективной реальности и может иметь разную природу, структуру и форму представления.
В данной работе были проведены исследования прочностных характеристик корпуса автомобильной цистерны несущей конструкции БЦМ 42.1 (рис 2.2). Данная конструкция, за счет переменного сечения и большого спектра воспринимаемых нагрузок, представляет особый интерес, к тому же у завода изготовителя есть предпосылки снизить её металлоемкость. При построении модели корпуса БЦМ 42.1 принимались следующие базовые размеры: корпус цилиндрической формы разных диаметров (форма «гусь»), меньший диаметр обечайки- 1810 мм, больший диаметр обечайки - 2010 мм, длина корпуса цистерны - 11250 мм, высота эллиптических днищ - 392мм, толщина листа обечайки S =4 мм, толщина днищ 8 = 5 мм, толщина волнорезов ровна толщине стенок обечайки, толщина перегородок секций ровна толщине эллиптических днищ. Вместимость номинальная при 20 град 33 000 л; масса груженой цистерны без учета опор - 38 000 кг; допускаемое расчетное повышение давления — рш=0.02МПа. Материал обечайки сталь 09Г2С со следующими механическими свойствами: aD=456 МПа; ат=268 МПа; [сгт]=178.5 МПа; модуль упругости Е = 2x106 Па; плотность р =7850 кг/м ; коэффициент Пуассона v = 0.21; относительное удлинение при разрыве [6]=21%.
Корпус автомобильной цистерны представляет собой тонкостенную оболочку, геометрическая модель срединной линии которой создана в Autocad, а затем импортирована в Ansys. Аналогичным образом смоделированы дополнительные элементы конструкции («глухие» перегородки, волнорезы, опоры, рама). Для удобства работы с конструкцией в программе имеется функция «компоненты (слои)», которая позволяет независимо работать с отдельными ее элементами. Для работы с внутренними элементами, поверхностями и линиями, окружающие объекты можно делать прозрачными (рис. 2.3).
Затем оболочка и дополнительные элементы аппроксимируются оболочечными конечными элементами, описанными в разделе 2.1, с заданными свойствами материала и толщинами элементов рис. 2.4. Генераторы произвольной сетки в программе Ansys обладают широким набором внутренних и внешних опций управления качеством сетки. Так, например, реализован алгоритм разумного выбора размеров конечного элемента, позволяющий строить сетку элементов с учетом кривизны поверхности модели и наилучшего отображения ее реальной геометрии. Кроме того, каждый из этих генераторов снабжен самым современными алгоритмами сглаживания и рафинирования размеров сетки, что снижает число элементов неудовлетворительной формы и прерываний процедуры построения сетки.
Следующий этап — задание нагрузок и граничных условий. Заданные нагрузки и ограничения определяют граничные условия для расчетной модели. К нагрузкам относятся ограничения степеней свободы, сосредоточенные, распределенные, объемные и инерционные усилия. Каждое заданное сочетание (конфигурация) нагрузок называется шагом нагружения, и анализ может состоять из одного или более таких шагов. Значения нагрузки для данного шага нагружения могут меняться постепенно от шага к шагу (т.е. нагрузка может быть плавной, иметь наклонный участок) или меняться скачком за один шаг. Последний вариант можно использовать, например, для моделирования резкого нагружения при анализе переходных, нестационарных процессов. Опции шага нагружения используются для организации массивов выходных величин, управления сходимостью решения и обычного определения нагрузок на шаге нагружения. Так, например, пользователь может задать число дополнительных, более мелких, шагов в пределах одного шага нагружения или указать, должна ли нагрузка меняться плавно на данном шаге нагружения. На основе опыта эксплуатации, обслуживания автоцистерн и выполненных исследований в [72] предложены режимы нагружения и нормативные условия, отражающие основные эксплуатационные воздействия.
Нагрузка на корпус автомобильной цистерны БЦМ 42.1, возникающая при равномерном движении, складывается из одновременного действия внутреннего давления паров, перевозимой жидкости, и нагрузок от массовых сил груженой цистерны (рис. 2.5).
В соответствии с законом гидростатики, давление, производимое внешними силами на поверхность жидкости, передается одинаково по всем направлениям. Поэтому на заполненную часть цистерны действует давление Р = Рвн.+ Рг.ст. (Рвн. - давление срабатывания предохранительного клапана, Рг.ст -гидростатическое давление перевозимого нефтепродукта).
При анализе режимов эксплуатации рассматривались все случаи нагружения для выбора так называемых расчетных режимов нагружения, которые подразделялись на основные (нормативные) и дополнительные (проверочные). К основным относятся те случаи, при которых разница между действующими и допускаемыми напряжениями минимальна и которые в конечном итоге определяют прочность и массу конструкции.
Оценка точности результатов расчета по разработанной методике с использованием программного комплекса ANSYS
Чтобы оценить корректность использования описанной выше методики, в данном разделе представлены результаты экспериментальных и расчетных исследований прочности корпуса автомобильной цистерны несущей конструкции АРУП - 8, предназначенной для перевозки минеральных удобрений. Экспериментальные исследования проводились ранее кафедрой «Детали машин и теория механизмов» МАДИ (ГТУ) на комплексной испытательной трассе НИИ 21 Министерства обороны в Броницах и были посвящены выявлению возможностей для снижения металлоемкости оболочки. Испытания, результаты которых использованы при сравнении, проводились на гладком асфальтовом покрытии и при движении по синусоидальной неровности (рис. 2.12, 2.13).
Контроль напряжений производился с помощью тензометрических датчиков наклеенных в соответствии со схемой (рис. 2.14). В области замера напряжений наклеивалось по два горизонтальных и два вертикальных датчика, так необходимо было предусмотреть резервирование тензометрической схемы.
При расчетах АРУП - 8 были приняты следующие данные: масса груженной цистерны Шррц = 12 тонн, собственная масса цистерны с арматурой тц = 1.5 т, избыточное давление воздуха внутри цистерны рвн. = 1.5 атм, толщина стенок цистерны 8 = 4 мм, толщина днища 5i = 14 мм, расчетная длина цилиндрической части цистерны L = 4800 мм, расчетный радиус сечения цистерны R = 700 мм, средняя рабочая скорость 10 км/час. Удельный вес сыпучего груза у — 2 т/м . Максимальное давление в нижней части корпуса для сыпучего материала равно рм= ygh. Коэффициент перегрузки, учитывающий динамическое воздействие на корпус цистерны при равномерном движении примем, как в ГОСТ Р 50913-96 для жидких грузов п=2, приняв, что в вертикальном направление поведение жидкого и сыпучего груза при динамических нагрузках сопоставимо. Суммарное давление в нижней части корпуса при равномерном движении с учетом коэффициента перегрузки составит рсум= рм+ Рвн= 0.2 МПа. Граничные условия в упругой опоре при данном режиме нагружения задавались в соответствии с таблицей 2.1.
При расчете корпуса цистерны на изгибающие нагрузки суммарное давление в нижней части корпуса составит рсум= Рм+ Рвн= 0.177 МПа (коэффициенты динамичности не учитываются). Изгибающая сила (F=8.5xl04 Н, составляет 70% от веса груженой цистерны) приложена в центральной части опорной плиты вертикально вверх (см. рис. 2.9). Граничные условия при данном режиме нагружения задавались в соответствии с таблицей 2.2.
Прежде чем начать испытания цистерны на участке трассы с неровностями, тензометрические замеры проводились при движении машины по гладкому асфальтному покрытию. Результаты этих замеров представлены в табл. 2.4. Данные замеры напряжений являются исходными для сравнения возникающих напряжений от динамического воздействия неровностей при движении. Эквивалентное напряжение, возникающее в корпусе цистерны, на основании показаний датчиков, рассчитывалось по формуле:
Далее цистерна с наклеенными датчиками испытывалась на типовой трассе КИТ с синусоидальными неровностями. Участки этой трассы выполнены с разным шагом неровностей. На рис. 2.15 схематично показан вид синусоидальных неровностей с высотой синусоиды 150 мм и длиной неровности 1 (см. таб. 2.3).
Результаты экспериментальных исследований прочности корпуса цистерны АРУП-8 при движении по синусоидальной бетонной трасе со скоростью 10 км/ч представлены в таблице 2.3. Результаты экспериментальных и численных исследований корпуса цистерны АРУП-8, по которым проводились сравнения, при движении по гладкому асфальту и синусоидальной бетонной трасе представлены в таблице 2.4.
На основании, приведенных в таблице 2.3 данных были построены графические зависимости эквивалентных напряжений от местоположения датчиков (рис. 2.16, 2.17).
Из графика (рис. 2.16) видно, что результаты расчета корпуса цистерны АРУП-8 при равномерном движении без учета коэффициента динамичности и результаты эксперимента при равномерном движении цистерны по гладкому асфальту отличаются на 10-13%. На рис. 2.17 представлены эквивалентные напряжения, возникающие в корпусе цистерны несущей конструкции АРУП-8 при действии изгибающих нагрузок во время движения по синусоидальной бетонной трасе с длиной «волны» 1=2м и 1=3м и результаты расчета напряженно-деформированного состояния корпуса этой же цистерны по представленной методике при двух режимах нагружения: а) равномерное движение с учетом коэффициента динамичности п=2 (см. рис. 2.6); б) при действии изгибающих нагрузок (см. рис. 2.9).
Анализ результатов экспериментальных данных, полученных при движении цистерны по синусоидальной трассе показал, что по мере увеличения длины неровности уровень максимальных напряжений понижается, но при этом отмечено незначительное повышение напряжений в области датчиков 3 и 4. Сравнение результатов расчета и экспериментальных данных показало, что результаты проверочного расчета с учетом изгибающих нагрузок соответствуют верхним значения экспериментальных данных при разных значениях 1. Так различие между экспериментальными данными при движении по синусоидальной трассе и результатами расчета при равномерном движении с учетом коэффициента динамичности 2 составляет 16%, а с результатами проверочного расчета (изгибающие нагрузки) 5-10%.
Проведенные исследования подтверждают необходимость проведения проверочных расчетов при проектировании новых конструкций цистерн. Полученная разница между результатами расчета и экспериментальными данными является удовлетворительной при оценке точности расчета по предложенной методике с использованием программного комплекса ANSYS.
Прочность корпуса цистерны несущей конструкции при действии крутящих нагрузок
Этот и следующий разделы посвящены анализу цистерны с точки зрения дополнительных (проверочных) расчетов. Задача таких расчетов, как отмечалось выше, оценить прочность цистерны и ее поведение в ситуациях, которые не рассматриваются при проектировании. В данном случае, моделируются воздействие на цистерну при наезде на препятствие (яму) колесом или рядом колес. При моделировании ситуации кручения корпуса автоцистерны БЦМ 42.1, нагрузка включает три компонента: весовое давлением груза (и элементов конструкции), рабочее предохранительного клапана и крутящие нагрузки, возникающие при перераспределении массы груженой цистерны вследствие потери сцепления с дорогой колеса или ряда колес. Таким образом суммарное давление в нижней части корпуса будет составлять рсум= рг.ст+ Рвн= 34.8х 103 Па. В результате попадания левого ряда колес опорной тележки в яму они теряют сцепление с дорогой и цистерна заваливается на бок. Крутящие нагрузки задавались с помощью граничных условий в соответствии с таблицей 3.3.
В данном случае, мы моделируем шарнир опорной плиты с рессорой, который исключает перемещения, но разрешает поворот вокруг вертикальной оси. С одной стороны опорной тележки в опорах установлены рессоры и исключены соответствующие перемещения (см. рис. 2.8). При выводе результатов расчетов использованы те же контрольные зоны, что и при проектировочных расчетах (см. рис. 3.1).
В данном случае, карта деформаций (рис. 3.12, 3.13) отражает общее изменение координат в каждой точке корпуса автоцистерны с учетом податливости рессор. Так наибольшие перемещения при данном режиме нагружения приходятся на заднюю часть корпуса, что и следовало ожидать.
На рисунке 3.14 показаны контурные распределения эквивалентных напряжений при кручении цистерны, которые находятся в диапазоне аэкв =10 — 120 МПа и выделены наиболее нагруженные зоны для более детального представления НДС по всей длине корпуса. Из рисунка видно, что в области опорной плиты напряжения достигают аэкв =100 МПа. В области перехода диаметров - аЭкв = 75 МПа, в области первой опоры опорной тележки и в средней части корпуса напряжения достигают наибольших значений (аэкв = 120 МПа). В области остальных опор напряжения находятся в пределах аэкв — 50 МПа. Результаты исследований показывают, что при моделировании режима нагружения с крутящими нагрузками рассмотрена предельная ситуация, при которой в реальной ситуации произойдет переворот цистерны, однако максимальные напряжения в этом случае не достигают предельно допустимых значений (пт=2.2).
При преодолении неровностей дороги (действие изгибающих нагрузок), передняя часть цистерны поднимается, в результате из трех задних пар рессор работает только последняя. Таким образом, цистерна опирается только на переднюю рессору (опорная плита) и на пару задних рессор (см. рис 2.9). Суммарное давление в нижней части корпуса будет составлять рсум= рг.ст+ Рші= 34.8 х 10 Па. Изгибающие нагрузки задавались с помощью граничных условий в соответствии с таблицей 3.4. На рисунке 3.15 показаны контурные распределения эквивалентных напряжений от действия выше указанных нагрузок и принятых ограничений.
Расчеты показали, что при равномерном движении с учетом изгибающих нагрузок, значения эквивалентных напряжений значительно ниже, чем при равномерном движении с учетом закручивающих нагрузок (рис. 3.16 а)-3.16 н)). В области опорной плиты (2) напряжения достигают максимальных значений по краям и находятся в пределах аэкв= 30 МПа. В области стыка днища и обечайки (1, 10) напряжения находятся в пределах стэкв= 25 МПа. Наибольшие напряжения отмечены в области перехода диаметров (3) и составляют аэкв= 52 МПа и в области второй оси опорной тележки (8, 9) - сэкв= 43 МПа.
При преодолении сравнительно высоких жестких препятствий, за счет явления «переламывания» средней части корпуса свойственно возрастание напряжений. Однако в случае конструкции корпуса цистерны формы «гусь» нагрузки перераспределяются в область перехода диаметров. В средней части цистерны (5, 6) не зафиксировано значительного возрастания напряжений, характерных рассмотренному режиму нагружения.
Проведенные расчеты показали, что при данном режиме нагружения напряжения перераспределились относительно ранее рассмотренных случаев, и, в связи со спецификой конструкции со ступенчато-переменным сечением наибольшие напряжения приходятся на область перехода диаметров и их величина не превышает аэкп = 70 МПа (пт=3.8).
