Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ 14
1.1. Некоторые тенденции совершенствования конструкций кузовов грузовых вагонов на современном этапе, влияющие на тип несущей системы кузова 14
1.2. Проблема оптимального проектирования в вагоностроении. Обзор работ по оптимальному проектированию кузовов вагонов 18
1.3. Характеристика современных методов теоретического анализа напряженного состояния несущих систем кузовов грузовых вагонов 22
1.4. Краткий обзор методов расчета дискретно под -крепленных оболочек и пластин 29
1.5. Цель исследований. Постановка задачи и ограничения 39
ГЛАВА 2. ОБЩАЯ МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО И ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КУЗОВОВ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ 42
2.1. Требования к методу расчета кузовов вагонов, обусловленные спецификой задачи оптимального проектирования 42
2.2. Метод чередования основных систем как основа теоретического анализа напряженного и дефор -мированного состояния кузовов грузовых вагонов 43
2.3. Основные системы для расчета кузовов грузовых вагонов
2.4. Анализ сходимости итерационного процесса предложенного варианта метода чередования основных систем 58
2.5. Методика проверки алгоритмов расчета 54
2.6. Выводы 66
ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО И ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ТОНКОСТЕННЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СИСТЕМ КУЗОВОВ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ, ДИСКРЕТНО ПОДКРЕПЛЕННЫХ ВЗАИМНО ОРТОГОНАЛЬНЫМИ СТЕРЖНЯМИ 68
3.1. Алгоритмы расчета кузовов по первой и второй основным системам 68
3.1.1. Построение алгоритма расчета элементов обшивки крыши крытого грузового вагона 85
3.1.2. Построение алгоритма расчета панелей крыши на заданные смещения связей по прямолинейным кромкам "
3.2. Алгоритм приближенного метода расчета панелей обшивки кузова на изгиб с учетом геометрической нелинейности Ш
3.3. Определение жесткостных характеристик ортотропных пластин, заменяющих в расчетной схеме панели обшивки кузовов грузовых вагонов 120
3.4. Процедура расчета кузовов вагонов по третьей основной системе -^6
3.4.1. Об учете стесненности кручения подкрепляющих элементов кузовов вагонов ^2
3.4.2. Определение коэффициентов разложения в ряд Фурье внешних воздействий на второй
и последующих итерациях "
3.5. Варианты решения плоской задачи теории упругости, удобные для расчета четвертой основной 144 системы
ГЛАВА 4. ОБЩАЯ ПРОЦЕДУРА РАСЧЕТА КУЗОВА КРЫТОГО ГРУЗОВОГО ВАГОНА 158
4.1. Последовательность прочностного расчета кузова 158
4.2. Специфика расчета кузова по третьей основной системе 59
4.3. Определение коэффициентов разложения в ряд Фурье внешних воздействий при расчете четвертой и первой основных систем 173
4.4. Алгоритм уточненного расчета напряжений в гофтяпpax обшивки
4.5. Заключение 195
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА И ИССЛЕДОВАНИЕ 0С0 -БЕННОСТЕЙ УТОЧНЕННОГО МЕТОДА РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КУЗОВОВ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ 196
5.1. Использование моделирования для экспериментальной проверки метода расчета 196
5.2. Выбор критериев подобия. Анализ возможностей отступления от полного подобия модели и натуры 199
5.3. Методика исследований на моделях кузовов грузовых вагонов
5.3.1. Методическая последовательность исследований 202
5.3.2. Описание моделей кузовов вагонов 203
5.3.3. Методика экспериментального исследования моделей кузовов 208
5.4. Исследования на моделях кузовов грузовых вагонов открытого типа 211
5.4.1. Расчет модели грузового вагона открытого типа с разгрузочными люками на силы распора сыпучим грузом 211
5.4.2. Результаты экспериментального исследования моделей кузовов грузовых вагонов открытого типа с разгрузочными люками 218
5.4.3. Сопоставление результатов расчета и эксперимента при загрубении модели кузова продольной и вертикальной нагрузками 230
5.4.4. Влияние на напряженное состояние эксцентриситета присоединения стоек к обшивке и их жесткости 238
5.4.5. Влияние несущего листа пола 243
5.4.6. Расчет модели кузова восьмиосного полувагона, имеющего раму с несущим листом пола,на продольную нагрузку 243
5.4.7. Результаты экспериментального исследования модели кузова восьмиосного полувагона. Со -поставление результатов эксперимента и расчета 248
5.4.8. Исследование эффективности алгоритма расчета изгибных напряжений в обшивке с учетом геометрической нелинейности 251
5.4.9. Экспериментальное исследование модели кузова крытого грузового вагона при действии вертикальной нагрузки 253
5.4.10.Расчет модели кузова крытого грузового вагона. Сопоставление результатов рас чета и эксперимента 255
5.4.II.Исследование вариантов расчетных схем для гофрированной обшивки кузова вагона 259
5.5. Выводы 264
ГЛАВА 6 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРО ВАНИЯ КУЗОВОВ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ 266
6.1. Характеристика оптимального проектирования 266
6.2. Постановка задачи оптимального проектирования для кузова вагона 267
6.3. Краткий обзор методов оптимального проектирования приемлемых для кузова грузового вагона 270
6.4. Построение варианта градиентного метода, удобного для оптимизации кузова вагона 279
6.5. Анализ сходимости итерационного процесса оптимального проектирования 283
6.6. Приближенный способ исследования варианта конструкции, получаемого в итоге итерационного процесса оптимизации, на глобальный оптимум 291
6.7. Методические особенности и последовательность процесса оптимизации для кузовов грузовых вагонов 295
6.7.1. Использование иерархического подхода для решения задачи оптимизации 295
6.7.2. Учет специфики конструкций кузовов вагонов в процессе оптимизации 296
6.7.3. Последовательность оптимизационного расчета 303
6.8. Выводы 306
ГЛАВА 7. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЛЯ КУЗОВОВ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ 307
7.1. Постановка задачи 307
7.2. Применение методики для кузова четырехосного грузового вагона открытого типа 308
7.2.1. Результаты расчета оптимизированных характеристик сечений несущих элементов кузова 308
7.2.2. Сходимость итерационного процесса оптимизации 310
7.2.3. Анализ глобальности оптимума полученного варианта конструкции кузова 312
7.2.4. Влияние отклонений от оптимизированных характеристик при конструкторской проработке ЗІ 3
7.3. Оптимизация параметров сечений кузова восьмиосного грузового вагона открытого типа 317
7.3.1. Исходные данные оптимизационного расчета 317
7.3.2. Оптимизированные характеристики сечений 317
7.3.3. Влияние ограничений на результаты оптимизации 319
7.4. Оптимизированные параметры сечений несущих 320 элементов кузовов при увеличенной до 250 кН осевой нагрузке 320
7.5. Результаты оптимизации параметров сечений кузова четырехосного крытого грузового вагона 321
7.6. Возможности дальнейшей оптимизации кузовов грузовых вагонов 326
7.7. Анализ экономического эффекта от оптимизации параметров несущих элементов кузовов грузовых вагонов 331
7.8. Выводы и рекомендации 335
ГЛАВА 8. УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КУЗОВОВ ГРУЗОВЫХ ВАГОНОВ С ОПТИМИЗИРОВАННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ 337
8.1. Постановка задачи 337
8.2. Уточненный расчет кузова крытого грузового вагона 337
8.3. Уточненный расчет кузова четырехосного грузового вагона открытого типа 342
8.3.1. Результаты расчета напряжений в обшивке боковых стен кузова 347
8.4. Уточненный расчет кузова восьмиосного грузового вагона открытого типа 348
8.5. Выводы 352
ЗАКЛЮЧЕНИЕ: основные результаты работы, выводы и предложения 355
ЛИТЕРАТУРА 361
ПРИЛОЖЕНИЕ 383
- Некоторые тенденции совершенствования конструкций кузовов грузовых вагонов на современном этапе, влияющие на тип несущей системы кузова
- Требования к методу расчета кузовов вагонов, обусловленные спецификой задачи оптимального проектирования
- Алгоритмы расчета кузовов по первой и второй основным системам
- Последовательность прочностного расчета кузова
- Использование моделирования для экспериментальной проверки метода расчета
Некоторые тенденции совершенствования конструкций кузовов грузовых вагонов на современном этапе, влияющие на тип несущей системы кузова
Вагонный парк универсальных грузовых вагонов включает грузовые вагоны открытого типа (полувагоны) и крытые грузовые вагоны. Доля этих вагонов в общем вагонном парке превышает 50%. До 1970 г. грузовые вагоны выпускались, в основному деревянной об -шивкой. Такая обшивка отличается высокой повреждаемостью в процессе эксплуатации. Технической переписью выявлено, что 21% крытых вагонов и 72% полувагонов имели неисправную обшивку стен кузова [l35] .
Срок службы деревянной обшивки составляет среднем три года, а затраты на ее ремонт и замену превышают 40 миллионов рублей в год. Низкий уровень надежности упомянутой обшивки определил основную тенденцию совершенствования конструкций кузовов грузовых вагонов - замену деревянной обшивки металлической. В настоящее время завершен переход на выпуск полувагонов с метал -лической обшивкой. Созданы цельнометаллические крытые грузовые вагоны.
Создание цельнометаллических вагонов означает новый этап в грузовом вагоностроении. Этот этап характеризуется не только повышением надежности обшивки кузова, но и переходом на новый тип несущей системы кузова вагона, в котором обшивка является несущим элементом, влияющим на прочность других элементов.
Упомянутый этап потребовал решения ряда сложных задач, связанных, в частности, с определением рациональной формы обшивки и характера подкреплений. В решение этих задач большой вклад внесли коллективы: ЦНИИ МПС, ВНИИВ, МИИТ, БИТМ, Уралвагонзавода.
Кременчугского вагонзавода, Алтайского вагонзавода и других организаций.
На первом этапе было создано несколько вариантов конструкций цельнометаллических полувагонов, которые подверглись экспериментальной и эксплуатационной проверке.
Эти варианты включали следующие типы панелей обшивки боковых стен:
1. Плоская обшивка, подкрепленная стойками, обвязками и раскосами.
2. Панель, образованная плоской обшивкой, обвязками, основными стойками и дополнительными. Дополнительные подкрепляющие стойки имеют меньшие размеры сечений по сравнению с основными и располагаются посередине панели.
3. Обшивка, имеющая корытообразные выштамповки, подкрепленная стойками и обвязками.
4. Обшивка, имеющая выштамповки в виде непрерывных по всей длине стены гофров, подкрепленная стойками и обвязками.
5. Обшивка, имеющая продольные выштамповки - гофры, прерывистые по длине и высоте стены, расположенные между стойками: использовались гофры с поперечным сечением в виде полукольца и с сечением, близким по форме к трапеции.
Разнообразие упомянутых типов панелей обшивки объясняется отчасти тем, что вопрос о выборе оптимальной формы панелей при -ходилось решать опытным путем, поскольку теоретические методы для решения этого вопроса отсутствовали. Необходимо было также накопить данные о технологичности различных вариантов стен с целью определения наиболее технологичного варианта.
Требования к методу расчета кузовов вагонов, обусловленные спецификой задачи оптимального проектирования
Решение задачи оптимизации параметров сечений несущих элементов кузова имеет ряд особенностей.
Одна из главных особенностей состоит в том, что во многих сечениях при оптимальных параметрах напряжения равны допускаемым. Это определяет повышенные требования к точности расчета. Действительно, если в процессе оптимизации будет использоваться приближенный метод, то в отдельных оптимизируемых элементах напряжения могут быть определены не в запас прочности и фактические напряжения в этих элементах превысят допускаемые.
Другая особенность связана со спецификой несущих элементов кузовов вагонов. Во многих случаях параметры обшивки бывают заданы и по условиям эксплуатации варьированию не подлежат. Поэтому основными элементами, подлежащими оптимизации, являются продольные и поперечные стержневые подкрепляющие элементы.
Упомянутые элементы должны достаточно точно учитываться в расчетной схеме, что обусловливает необходимость принимать для кузовов грузовых вагонов расчетную схему в виде тонкостенной пространственной системы, дискретно подкрепленной продольными и поперечными стержневыми элементами.
Однако здесь возникает противоречие, связанное с другой особенностью задачи оптимального проектирования. Известно, что численная реализация упомянутой задачи в связи с громоздкостью методов оптимизации представляет значительные трудности. Этим, в частности, объясняется существующий разрыв между теорией оптимального проектирования и практическими приложениями теории. Чтобы задача оптимизации могла быть доведена до практически приемлемых результатов, необходимо строить алгоритмы оптимального проектирования на базе возможно простых алгоритмов расчета на -пряженного и деформированного состояния.
Итак, с одной стороны, алгоритм расчета должен быть достаточно простым.
Вместе с тем алгоритм должен учитывать следующее: 1 . Дискретность продольных и поперечных подкреплений.
2 . Эксцентриситет подкрепляющих элементов по отношению к обшивке. В работе _74J показано, что неучет эксцентриситета приводит к значительной погрешности.
3 , Возможную переменность размеров поперечных сечений по длине подкрепляющих элементов, вытекающую из процесса оптимизации.
4 . Жесткое соединение в узлах продольных и поперечных подкрепляющих элементов, а также подкрепляющих элементов с обшив -кой.
5 , Фактическую ширину подкрепляющих элементов, поскольку для элементов рамы кузова она значительна.
Решить эту противоречивую задачу известными методами, обзор которых приведен в первой главе, не представляется возможным.
Алгоритмы расчета кузовов по первой и второй основным системам
В первой основной системе из-за введенных дополнительных связей под действием внешней нагрузки деформироваться будут только панели обшивки боковых стен и несущего пола между соседними стойками и поперечными балками рамы кузова, причем каждая панель будет деформироваться независимо от других. Поэтому здесь панель боковой стены можно рассматривать как отдельную, прямоугольную пластину. На начальном этапе расчета внешним воздействием на пластину является нормальная к плоскости пластины нагрузка, от распора сыпучим грузом. Расчетная схема панели обшивки боковой стены в основной системе I показана на рис.3.I.
Поскольку панель обшивки может иметь часто расположенные гофры, расчетная схема принимается в виде ортотропной пластины.
Последовательность прочностного расчета кузова
Обобщая полученные выше результаты, сформулируем последовательность расчета на примере наиболее общей несущей системы кузова крытого грузового вагона.
Расчет начинается с рассмотрения первой основной системы при действии на кузов усилий распора сыпучим грузом.
Для расчета применяется алгоритм I, с помощью которого вычисляются напряжения от изгиба в панелях обшивки, углы поворота продольных кромок и одновременно узловые усилия, необходимые для расчета основной системы Ш по методу конечных элементов.
Для этого используются выражения реакций в связях по стойкам, представленные в виде тригонометрических рядов, причем разложение в ряд производится по координате, совпадающей с осью стойки.
Расчетом второй основной системы на поворот связей по про -дольным кромкам уточняются изгибные напряжения в обшивке боковых и торцевых стен. Производится расчет кузова по третьей основной системе методом конечных элементов. Кузов разделяется на элементы - стержни (балки рамы, стойки, обвязки и дуги) и прямоугольные панели обшивки между соседними стойками и обвязками. В третьей основной системе крыша заменяется вписанной складкой. Наличие гофрировки обшивки учитывается приведением к ортотропной модели. Отдельные гофры, для которых желательным является уточненный анализ напряженного состояния (например, гофры вблизи дверного выреза) вводятся в расчетную схему в качестве самостоятельных конечных элементов.
В третьей основной системе кузов представляется в виде специализированной стержневой системы, для расчета которой предпочтение отдано методу конечных элементов, поскольку наличие готовых программ существенно облегчает расчет на ЭВМ. Одновременно использование МКЭ дает возможность уже при расчете третьей основ ной системы учесть компоненты линейного смещения связей по кромкам панелей в первой и второй основных системах, то есть смещения связей, которые уточняют расчет на последующих итерациях.
Для достижения отмеченного панели обшивки между стойками, дугами и обвязками вводятся в расчетную схему в виде конечных элементов - прямоугольных ортотропных пластин, для которых принят линейный закон изменения перемещений вдоль контура. Это позволяет также при расчете третьей основной системы учесть жесткость обшивки и обеспечить сходящийся итерационный процесс расчета.
Однако, при желании, расчет третьей основной системы может выполняться также методом сил и смешанным методом, при этом общая методическая схема расчета по первой, второй, третьей и четвертой основным системам сохраняется без изменения.
Прямоугольные панели обшивки в третьей основной системе представляют собой конечные элементы больших размеров. Это сокращает количество неизвестных и существенно упрощает расчет.
Вместе с тем, присущий методу конечных элементов недостаток, заключающийся в приближенном характере изменения деформаций по кромкам панелей, здесь устраняется последующим расчетом кузова по четвертой и первой основным системам. При расчете третьей основной системы общая система координат выбиралась так, как показано на рис. 4.1. Для получения неособенной матрицы жесткости системы в расчет целесообразно включать симметричную часть кузова, заменяя действие отброшенной части соответствующими связями. Последовательность нумерации узлов соответствует обходу вдоль контура поперечного сечения кузова. В каждом узле вводится шесть неизвестных перемещений: первое, второе и третье соответствуют линейным перемещениям вдоль осей 0К;0У и 01 ; четвертое, пятое и шестое - угловым перемещениям относительно осей координат (рис.4.1).
Использование моделирования для экспериментальной проверки метода расчета
Построенные в главе Ш алгоритмы основаны на ряде упрощающих гипотез. Так, например, гофрированная обшивка рассматривается как ортотропная. Чтобы оценить, в какой мере результаты расчета адекватны действительной картине напряженного состояния, необходимо сопоставить расчетные и экспериментальные данные.
Представляет практический интерес также анализ этапов итерационного метода расчета по тому вкладу, который они вносят в итоговые результаты.
Решение упомянутых задач удобно производить на моделях кузовов. Приоритет в развитии модельных исследований кузовов вагонов принадлежит проф. Никольскому Е.Н. Им сформулированы основные особенности методики. По этой методике на кафедре " Вагоностроение" Брянского института транспортного машиностроения выполнены исследования моделей всех типов кузовов вагонов. В последние годы метод модельных испытаний кузовов использовался в других организациях. Дальнейшее развитие метода содержится в работах проф. Овечникова Н.Н. применительно к кузовам тепловозов [125] .
Накопленный опыт выявил преимущества и недостатки исследований на моделях кузовов. Основным преимуществом является удобство метода модельных испытаний, возможность выполнить испытания по такой программе, которая не может быть практически реализована на натурном объекте. Так, например, для тонкостенных балок необходимо определение срединных напряжений в стенках.При натурных испытаниях определение срединных напряжений в балках замкнутого профиля оказывается затруднительным. Модельные испытания делают возможным подробное исследование конструкции в процессе ее проектирования. При этом обеспечивается повышенная точность эксперимента, существенно сокращаются сроки проведения испытаний, достигается значительная экономия средств. Использование моделей позволяет проводить сравнительные испытания нескольких вариантов конструкции, различающихся каким-либо одним узлом.
Вместе с темлмодельные испытания в силу своей специфики не могут заменить собой натурные испытания. Это связано с задачами экспериментального исследования изучаемого объекта,среди которых можно выделить две следующие:
1. Получение информации о фактическом напряженном состоянии конкретной конструкции.
2. Экспериментальная оценка приемлемости рассматриваемого способа расчета.
Дли решения первой задачи предпочтительными являются натурные испытания, поскольку величины напряжений существенно зависят от местных факторов (местных особенностей формы и соединения узлов, различных концентраторов, включая сварные швы и т.п.). Местные факторы различны на каждом объекте, а на модели они могут быть существенно иными, чем на натурном объекте. В связи с этим,определение напряжений в натурном объекте по результатам испытания модели кузова может производиться с известной осторожностью и лишь для таких сечений, где влияние местных факторов не является значительным.
