Расчет на распорную нагрузку элемента боковой стены вагона-минераловоза модели 11-740 (Раздел дипломного проекта)

5 Расчет на распорную нагрузку элемента боковой стены

вагона – минераловоза модели 11-740

При выполнении инженерных расчётов на прочность неизбежен этап создания моделей прочностной надёжности элементов конструкций. С помощью таких моделей, возможно, выбрать материал и необходимые размеры конструкций и оценить её сопротивление внешним воздействиям.

Однако, некоторые факторы, воздействуя на моделируемый объект, способны с течением времени изменить его физические, химические и эксплуатационные свойства. Подобная ситуация наблюдается вследствие эксплуатации вагон перевозящие коррозионно-активные грузы. В данном случае взаимодействие металла конструкции вагона с окружающей средой (минеральные удобрения, кислоты и т.д.) происходит постепенное изменение толщины контактируемого металла в сторону уменьшения.

У вагонов минераловозов коррозионному износу, в большей степени, подвержены боковая стена, торцевая стена, элементы крыши вагона. Исходя из выше перечисленного расчёт элемента боковой стены (с учётом коррозионного износа) – наиболее актуален.

Для упрощения расчётов, а также, в связи с отсутствием статистических данных о изменении геометрических характеристик элементов конструкции вагонов перевозящие коррозионно-активные грузы (в частности вагон минераловоз) были сделаны следующие допущения:

1) коррозионный износ является равномерным по всей поверхности обшивки;

2) величина износа определяется по линейному закону:

,                                          (5.1)

где х – количество лет эксплуатации.

5.1 Методика конечно-элементного анализа

элемента боковой стены вагонов – минераловозов

При разработке конечно-элементной модели элемента боковой стены кузова за основу была принята конструкция вагона модели 11-740 [27]. Выбор именно этой модели вагона - минераловоза обусловлен рядом причин:

-  данная модель вагона - минераловоза являются наиболее распространенной на сети железных дорог России;

-  средний срок эксплуатации вагонов этой модели в плотную приблизился к установленному нормативно-технической документацией, что повышает актуальность вопроса прогнозирования остаточного срока эксплуатации.

Процедура разработки конечно - элементной модели элемента боковой стены кузова вагона - минераловоза включает следующие этапы:

-  выбор типа анализа;

-  разработка геометрической модели кузова;

-  генерация конечно-элементной сетки и построение КЭМ;

-  разработка схемы приложения нагрузок и закреплений.

5.1.1 Выбор типа анализа

Этот этап включает в себя выбор типа элементов, используемых в расчёте, задание реальных постоянных, задание свойств материала и т.д.

В качестве типа элемента вертикальной стойки используется трёхузловой балочный элемент рисунок 5.1. Это обосновывается тем, что вертикальная стойка однородный элемент конструкции, на которую действует изгибающая нагрузка в соответствии [28]. Характеристиками этого типа конечных элементов являются длинна L, момент инерции I, модуль упругости Е.

Рисунок 5.1 - Трехузловой балочный элемент.

В качестве типа элемента обшивки используется четырёхугольный восьмиузловой оболочечный элемент рисунок 5.2, который может быть представлен как искривленный параллелепипед в трехмерном пространстве с линейчатой поверхностью по толщине, а верхняя и нижняя лицевые панели являются четырехугольниками Это обосновывается тем, что обшивка подвержена перемещению во всех плоскостях, при воздействии на неё нагрузки.

5.1.2 Разработка геометрической модели элемента боковой стены кузова

На этом этапе строилась геометрическая модель элемента боковой стены кузова вагона - минераловоза в соответствие [29]. При этом вводились следующие допущения:

-  не учитывалось влияние загрузочных люков на общее напряженно-деформированное состояние;

-  обшивка боковой стены заменялась сплошным листом с жесткостью эквивалентной жесткости обшивки боковой стены реальной конструкции;

-  давление груза на боковою стену передавалось по всей поверхности, считая, что уровень засыпки груза находится у верхней обвязки.

h – толщина элемента в узле ;

 – единичные узловые векторы ортогональные вектору, связывающему лицевые поверхности оболочки, и аппроксимирующие направление нормали в узлах;

 – углы поворота нормали относительно векторов ;

 – криволинейные координаты на срединной поверхности КЭ;

z– линейная координата по толщине.

Рисунок 5.2 - Криволинейный трехмерный элемент оболочки четырехугольной формы.

5.1.3 Генерация конечно-элементной сетки и построение КЭМ

На разработанную геометрическую модель наносилась конечно-элементная сетка. Размеры КЭ удовлетворяли требованию [28]:

                                                                                                  (5.2)

где     а, h – соответственно длина стороны и толщина элемента.

В качестве примера, на рисунок 5.3 приведена конечно-элементная модель части боковой стены кузова вагона.

Рисунок 5.3 - Конечно-элементная модель элемента боковой стены минераловоза модели 11-740.

5.1.4 Разработка схемы приложения нагрузок и закреплений

На следующем этапе были разработаны схемы приложения расчетных нагрузок. В соответствие с [30] расчет производился на распорные нагрузки по III расчетному режиму, как наиболее “жесткий”.