Прочностной анализ вагонных конструкций

Андрей Спиридонов, Олег Степанов, Ирина Воробьева

Одним из направлений деятельности Федерального государственного унитарного предприятия Государственный научно-исследовательский институт вагоностроения (ФГУП ГосНИИВ) является проведение прочностных расчетов конструкций железнодорожных вагонов для перевозки различных грузов. К настоящему времени нашим институтом спроектировано несколько десятков типов и размеров железнодорожных вагонов, которые колесят по дорогам России и за ее пределами, перевозя тысячи тонн груза различного назначения.

Совершенно очевидно, что конструкции вагонов зависят не только от характера перевозимых грузов, но и от множества других условий, которые необходимо принимать во внимание при конструировании подобного рода объектов.

Следует отметить, что разработка проекта вагона требует значительных затрат времени, большая доля которого приходится на выполнение расчетных работ. Нет необходимости объяснять, что железная дорога — это зона повышенной опасности и вопросы прочности и надежности здесь стоят очень остро.

Особенно актуальной в настоящее время является проблема улучшения технико-экономических показателей подвижного состава для российских железных дорог. Объясняется это усилением конкуренции в вопросах производства вагонов. Для того чтобы преуспеть, необходимо прежде всего повышать качество и сокращать сроки выполнения заказов эксплуатирующих организаций. Кроме того, наблюдавшийся в прежние годы спад объемов перевозимых по железной дороге грузов закончился, и сегодня налицо увеличение грузооборота. Такая тенденция, судя по прогнозам, сохранится и в ближайшем будущем.

Все это потребует увеличения производства в России вагонов и улучшения их качественных показателей.

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

Можно сказать, что вопросы оптимизации конструкции 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.

Следует понимать, что для оценки прочности, жесткости, устойчивости и выносливости необходимо использовать современные математические методы, которые дают результаты, близкие к реальным. Таким универсальным решением вышеперечисленных задач является метод конечных элементов. Применение этого метода стало возможным благодаря использованию современных средств вычислительной техники и совершенного программного обеспечения. Прогресс, достигнутый в этих вопросах в последние 15-20 лет, позволил отказаться от частных решений и грубых моделей вагонов, использовавшихся ранее. Применение метода конечных элементов позволяет повысить степень приближения решения конструкторских задач к реальной действительности за счет создания более совершенных моделей.

Понятно также, что только применение вычислительной техники способно существенно улучшить качество проектирования, поскольку при этом появляется возможность расчета многих вариантов конструкции с целью выбора оптимального решения еще на стадии проектирования.

Занимаясь анализом продуктов конечно-элементного анализа, которые представлены на российском рынке программного обеспечения, в 2004 году наш институт заинтересовался программным продуктом APM WinMachine. Эта система разрабатывается Научно-техническим центром Автоматизированного проектирования машин (НТЦ АПМ). В том же году, воспользовавшись возможностью детального знакомства с программой путем бесплатной опытной эксплуатации, мы приняли решение о приобретении системы автоматизированного расчета и проектирования металлических и строительных конструкций — комплекса APM StructFEM, входящего в линейку APM WinMachine. С этого момента мы постоянно применяем данный программный продукт для анализа прочности, жесткости и устойчивости вновь создаваемых вагонов и отдельных их элементов. Мы используем APM StructFEM в следующей комплектации:

•  APM Structure3D (конечно-элементный анализ трехмерных моделей);

•  APM Joint (расчет и проектирование соединений элементов машин);

•  APM Graph (плоский графический редактор);

•  APM Data (база данных параметрических моделей и материалов).

В 2005 году институтом был выполнен ряд прочностных расчетов конструкций грузовых вагонов. Расчетные модели вагонов создавались в среде модуля APM Structure3D из пластинчатых и стержневых элементов. В качестве примера на рис. 1 и 2 приведены пластинчато-стержневые расчетные модели вагонов-хопперов для перевозки цемента (рис. 3) и минеральных удобрений. Фотографии этих вагонов, подготовленных к испытаниям, приведены на рис. 3 и 4. Расчетная модель вагона-хоппера для цемента состоит из 24 116 элементов, а расчетная модель вагона-хоппера для минеральных удобрений — из 55 270 элементов. Время расчета на компьютере с процессором АМD 3,2 МГц составило 20 и 50 минут соответственно. Некоторые результаты расчетов напряженно-деформированного состояния приведены на рис. 3-8.

Рис. 1. Пластинчато-стержневая расчетная модель вагона-хоппера для цемента

Рис. 2. Пластинчато-стержневая расчетная модель вагона-хоппера для цемента с приложенными к ней расчетными нагрузками

При неудовлетворительных результатах расчета в конструкцию вагона вносились изменения и расчет повторялся до достижения положительного результата. Такой подход позволяет выполнить детальный прочностной анализ конструкции вагона и оптимизировать ее весовые параметры.

Следует также отметить достаточную простоту работы при создании пластинчато-стержневых конструкций, что является одним из важных преимуществ системы APM Structure3D по сравнению с западными аналогами, имеющими идентичные функциональные возможности. Простота работы достигается за счет использования специализированной графической среды для создания таких моделей, а также  инструментов экспорта моделей, созданных другими графическими инструментами.

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

Рис. 3. Вагон-хоппер для цемента

Рис. 4. Вагон-хоппер для минеральных удобрений

Сравнение результатов расчета с результатами испытаний показало, что характер напряженного состояния, полученный при испытаниях вагонов, полностью совпадает с характером напряженного состояния конструкций вагонов, полученным расчетным путем. Разница в уровнях напряжений по результатам испытаний и по результатам расчетов не превышает 15-17%. При этом следует учитывать некоторое отличие величин и характера приложения испытательных нагрузок от расчетных.

Система АРМ WinMachine для автоматизированного проектирования является весьма удобным инструментом, который позволяет эффективно управлять процессом проектирования и оперативно использовать созданные заделы и наработки по конструкциям вагонов, что приводит к значительному сокращению сроков создания новых вагонов при повышении качества проектных работ. Пользуясь случаем, хотим высказать ряд пожеланий к разработчикам с целью улучшений функциональных возможностей модуля APM Structure3D. При разработке будущих версий было бы желательно:

Рис. 5. Пластинчато-стержневая расчетная модель вагона-хоппера для минеральных удобрений

Рис. 6. Карта распределения максимальных эквивалентных напряжений вагона-хоппера для цемента при воздействии на него ударной нагрузки

•  предусмотреть возможность копирования объектов вместе с нагрузками;

•  добавить средства для прямых измерений линейных и угловых параметров отдельных элементов расчетных моделей с целью контроля их размеров;

•· предусмотреть возможность автоматического задания нагрузки на конструкцию от распора сыпучим грузом. Нагрузки на расчетную модель вагона в этом случае приходится задавать вручную, что является весьма трудоемким процессом. Очень хотелось бы автоматизировать этот процесс, используя только плотность груза;

•  дополнить модуль процедурой автоматического определения центра тяжести расчетной модели и ее отдельных элементов. Определение этого очень важного параметра вручную для вагонных конструкций  также отнимает немало времени и сил.

В заключение отметим, что система APM WinMachine постоянно совершенствуется как количественно, так и качественно. Под количественным улучшением понимается увеличение числа решаемых задач. Под качественным улучшением понимается ускорение процедуры выполнения расчетов, интерфейсные улучшения — как в режиме подготовки модели, так и в режиме показа результатов. Также постоянно совершенствуется генератор разбиения на конечные элементы. Улучшается качество КЭ-сетки и сокращается время ее создания.

Разработчики внимательно относятся к просьбам пользователей, к их замечаниям и предложениям. Например, к моменту завершения этой статьи в НТЦ АПМ было принято решение о включении перечисленных предложений сотрудников ФГУП ГосНИИВ в план работ над версией v.9.2 модуля APM Structure3D, выход которой запланирован на конец текущего года.

Рис. 7. Карта распределения суммарных линейных перемещений вагона-хоппера для минеральных удобрений при воздействии на него ударной нагрузки

Рис. 8. Карта распределения максимальных эквивалентных напряжений вагона-хоппера для минеральных удобрений при воздействии на него ударной нагрузки

Хотим особо отметить также  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.

Уверены в том, что инструменты компании НТЦ АПМ и в будущем помогут нам в создании новых, более совершенных образцов подвижного состава для российских железных дорог.

САПР и графика 5`2006