Расчеты несущих конструкций грузовых вагонов на прочность

Следует отметить, что разработка проекта вагона требует значительных затрат времени, большая доля которого приходится на выполнение расчетных работ. Понятно также, что только применение вычислительной техники способно существенно улучшить качество проектирования, поскольку при этом появляется возможность расчета многих вариантов конструкции с целью вы-бора оптимального решения еще на стадии проектирования.

Можно сказать, что вопросы оптимизации любых конструкций и вагонов в частности, имеют особую актуальность и представляют большой интерес. Мало создать конструкцию вагона как таковую — необходимо, чтобы эта конструкция наилучшим образом отвечала условиям эксплуатации при наименьшей стоимости изготовления. Важно также снизить эксплуатационные расходы. Разработка оптимальной конструкции — вот та целевая функция, к которой необходимо стремиться и достижение которой составляет главную цель любого проектирования.

Очевидно также, что повышение прочности, надежности и долговечности вагонов необходи-мо сочетать с возможно меньшими затратами металла и других материалов, поскольку перевозка вагонов с излишним весом приводит к росту стоимости перевозок грузов по железной дороге.

Нет необходимости объяснять, что железная дорога — это зона повышенной опасности и во-просы прочности и надежности здесь стоят очень остро.

Институт использует Систему APM WinMachine, разрабатываемую компанией НТЦ АПМ (г. Королев, МО) для расчета вагонов на прочность с 2004 года, и к настоящему моменту приобрел определенный опыт в ее использовании. Начиная с 2004 года и по настоящее время, институтом были выполнены прочностные рас-четы примерно восьми единиц вагонной техники. Одними из последних выполненными нами проектов (и расчетов на прочность), выполненными в 2008 году являются расчетные задачи по проектированию вагона- хоппера для перевозки цемента, а также четырехосного вагона-самосвала.

В настоящее время существенно возросла потребность в новых грузовых вагонах, отве-чающих современным требованиям. В связи с этим вагоностроительные заводы нашей страны совместно с научно-исследовательскими и проектными организациями активизировали свою дея-тельность по созданию новых грузовых вагонов. Так, например, Людиновский машиностроитель-ный завод (Калужская обл.) обратился в наш институт с просьбой оказать помощь в создании вагона-хоппера для цемента, а ООО «Череповецкий вагоностроительный завод» - в создании четырехосного вагона-самосвала.

В процессе создания этих вагонов институтом были выполнены прочностные расчеты их конструкций. Создание расчетных моделей, выполнение расчетов, позволяющих адекватно оце-нить и провести прочностной анализ конструкций вагонов, осуществлялись с использованием модуля прочностного анализа APM Structure3D версии 9.4, входящего в состав Системы APM WinMachine. Из других модулей, входящих в состав Системы, отметим использование нами моду-ля расчета соединений APM Joint, плоского графического редактора APM Graph, трехмерного редактора APM Studio, а также баз данных.

При создании расчетных моделей вагонных конструкций, кузова вагонов и их составные части выполнялись, как правило, цельнонесущими, что предъявляет повышенные требования к качеству прочностных расчетов. Для таких конструкций необходимо получить информацию об их несущей способности, устойчивости сжатых элементов и усталостной прочности. Основная цель проводимых расчетов состоит в оценке конструкции грузовых вагонов в части соответствия нор-мативным требованиям и обеспечении безопасности движения.

Расчетные модели вагонных конструкций могут выполняться с использованием стержне-вых и пластинчатых конечных элементов. Имеющийся опыт выполнения расчетов вагонных кон-струкций показывает, что пластинчатая расчетная модель позволяет более точно оценить напря-женное состояние конструкции, особенно в местах соединения сложных по форме узлов друг с другом. Поэтому при создании расчетных моделей в качестве основных элементов были приняты пластины, а в качестве вспомогательных – стержни.

Рис. 1. Пластинчато-стержневая расчетная модель вагона-хоппера для перевозки цемента, выполненная в модуле APM Structure3D

Рис. 2. Расчетная модель верхней рамы вагона-самосвала, смоделированная из пластинчатых конечных элементов

Рис. 3. Модель нижней рамы вагона-самосвала

Рис. 4. Модель борта вагона-самосвала

Расчеты конструкций вагонов выполнялись до проведения прочностных испытаний, что позволило использовать результаты расчета для разработки программ и методик испытаний.

Модуль прочностного расчета APM Structure3D имеет достаточно простой и удобный ин-терфейс как для создания расчетной конечно-элементной модели, так и при просмотре результатов расчета. Кроме того имеется возможность импорта скелета стержневой или стержнево-пластинчатой конструкции через файл формата *.dxf (в том числе и трехмерного) из сторонных графических редакторов. Пользователю остается только присвоить сечения всем стержневым элементам конструкции и задать толщины пластинчатым элементам, а также уточнить параметры используемого материала(ов).

Есть также возможность импорта трехмерных моделей через обменные форматы STEP и SAT, приложением нагрузок и заданием опор к таким моделям, с последующей автоматической генерацией конечно-элементной сетки, но при решении наших задач этим методом возможна оценка напряженно деформированного состояния только отдельных узлов и мест соединений от-дельных элементов. Для этого используется трехмерный редактор APM Studio, в последних вер-сиях которого возможно также проведение прочностных расчетов и просмотр карт результатов.

Рис. 5. Карта эквивалентных (по Мизесу) напряжений при действии на кузов вагона сил от распора сыпучим грузом и продольной растягивающей силы, величиной 2,0 МН

Рис. 6. Карта эквивалентных напряжений при действии на борт вагона-самосвала сил от распора грузом

В качестве примера, на рис. 5, 6, 7 и 8 приведены карты напряжений вагонных конструк-ций при различных режимах нагружения, включая моделирование удара, возникающего при сцепке вагонов.

Рис. 7. Карта напряжений при действии на верхнюю раму вагона-самосвала инерционных нагрузок при соударении вагона-самосвала с другими вагонами (сила удара 3,5 МН)

Рис. 8. Карта напряжений при действии на нижнюю раму вагона-самосвала ударной нагрузки, величиной 3,5 МН

Отметим, что Система APM WinMachine постоянно совершенствуется как количественно, так и качественно. Под количественным улучшением мы понимаем увеличение числа решаемых задач, а также размерностей отдельной решаемой задачи. На сегодняшний день она достигает 2 – 3 млн. степеней свободы, что позволяет проводить расчет достаточно сложных конструкций. Под качественным улучшением понимается ускорение процедуры выполнения расчетов, интерфейс-ные улучшения — как в режиме подготовки модели, так и в режиме показа результатов. Также постоянно совершенствуется и генератор разбиения на конечные элементы. Улучшается качество КЭ-сетки и сокращается время ее создания.

Хотим также особо отметить то, что техническое сопровождение программных продуктов компании НТЦ АПМ — это не просто декларативное заявление, а реальная огромная помощь пользователям со стороны службы технической поддержки. Сотрудники этой службы не просто отвечают на поставленные перед ними вопросы, но и реально помогают в создании модели, да и в дальнейшем не остаются безучастными к процессу расчета и анализу полученных результатов.

Желательно, чтобы при дальнейшем совершенствовании программы разработчики попыта-лись обеспечить выполнение программой следующих задач:

• автоматизированное задание распределенных нагрузок на стенки емкости от распора их сыпучими грузами;
• более подробная диагностика модели с целью более быстрого поиска и исправления ее ошибок;
• более подробная помощь в работе с программой, особенно с новыми видами расчета и функциями, а в некоторых случаях и с пошаговыми инструкциями.

Об авторах

Степанов Олег Константинович
Окончил Московский институт ин6женеров железнодорожного транспорта в 1974 году, в настоящее время занимает должность главного специалиста.