9 - 2008

Расчеты несущих конструкций грузовых вагонов на прочность

Андрей Спиридонов, Олег Степанов

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. Это особенно актуально в связи с принятием Правительством РФ Федеральной программы «Разработка и производство в России грузового подвижного состава нового поколения». К настоящему времени нашим институтом спроектировано несколько десятков типов и размеров железнодорожных вагонов, которые эксплуатируются и на дорогах России, и за ее пределами и перевозят тысячи тонн грузов различного назначения.

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 выбора оптимального решения еще на стадии проектирования.

Вопросы оптимизации любых конструкций, в том числе и вагонов, имеют особую актуальность и представляют большой интерес. Мало создать конструкцию вагона как таковую — необходимо, чтобы она 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 проектирования.

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.

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

Институт использует систему APM WinMachine, разрабатываемую компанией НТЦ АПМ (г.Королев, Московская обл.), для расчета вагонов на прочность с 2004 года и к настоящему моменту приобрел определенный опыт в ее применении.

Начиная с 2004 года и по настоящее время институтом были выполнены прочностные расчеты примерно восьми единиц вагонной техники. Одними из последних выполненных нами в 2008 году проектов (и расчетов на прочность) 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, отвечающих современным требованиям. В связи с этим вагоностроительные заводы нашей страны совместно с научно-исследовательскими и проектными организациями активизировали свою деятельность по созданию новых грузовых вагонов. Например, Людиновский машиностроительный 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 и выполнение расчетов, позволяющих адекватно оценить 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, мы применяли модуль расчета соединений APM Joint, плоский графический редактор APM Graph, трехмерный редактор APM Studio, а также базы 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 нормативным требованиям и обеспечения безопасности движения.

Расчетные модели вагонных конструкций могут выполняться с использованием стержневых и пластинчатых конечных элементов. Имеющийся опыт выполнения расчетов вагонных конструкций показывает, что пластинчатая расчетная модель позволяет более точно оценить напряженное 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. В качестве примера на рис. 1 представлена пластинчато-стержневая модель вагона-хоппера для перевозки цемента, а на рис. 2-4 — пластинчатые расчетные модели отдельных узлов четырехосного вагона-самосвала. Проведенные испытания опытных образцов конструкций вагонов на прочность показали, что величина напряжений и перемещений в элементах их конструкций отличается от соответствующих расчетных значений не более чем на 20%. Это достаточно хорошая сходимость результатов при определенных различиях расчетных моделей и реальных конструкций в разных нюансах конструкции и нагружении внешними нагрузками при испытании опытных образцов вагонов, не всегда совпадающих с расчетными схемами.

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

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

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

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

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

 

Рис. 3. Модель нижней рамы вагона-самосвала

Рис. 3. Модель нижней рамы вагона-самосвала

 

Рис. 4. Модель борта вагона-самосвала

Рис. 4. Модель борта вагона-самосвала

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

Есть также возможность импорта трехмерных моделей через обменные форматы STEP и SAT с 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 со­единения некоторых элементов. Для этого используется трехмерный редактор APM Studio, в последних версиях которого возможно также проведение прочностных расчетов и просмотр карт результатов.

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

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. 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

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

 

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. 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

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 отдельных решаемых задач. Сегодня оно достигает 2-3 млн степеней свободы, что позволяет проводить расчет достаточно сложных конструкций. Под качественным улучшением понимается ускорение процедуры выполнения расчетов, интерфейсные улучшения как в режиме подготовки модели, так и в режиме показа результатов. Кроме того, постоянно совершенствуется генератор разбиения на конечные элементы, улучшается качество КЭ-сетки и сокращается время ее создания.

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

Желательно, чтобы в ходе дальнейшего совершенствования программы разработчики обеспечили выполнение ею таких задач, как:

  • 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.

Желаем всему коллективу НТЦ АПМ успехов в дальнейшем совершенствовании выпускаемых им программных комплексов и расширения возможностей их использования.


Андрей Спиридонов

Окончил Московский институт водного транспорта в 1993 году, в настоящее время занимает должность заведующего отделом ОАО «НИИ вагоностроения».

Олег Степанов

Окончил Московский институт инженеров железнодорожного транспорта в 1974 году, в настоящее время занимает должность главного специалиста.

В начало В начало

САПР и графика 9`2008