ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения НИР.

В настоящее время существует большое количество программных комплексов для расчета по МКЭ, позволяющих создавать пластинчатые расчетные схемы кузовов вагонов с высокой степенью детализации. Но создание подобных расчетных схем, даже с помощью такого распространенного расчетного комплекса, как NASTRAN 2001 для Windows, достаточно трудоемко, что связано с необходимостью приведения в строгое соответствие конечно-элементных сеток панелей обшивки и подкрепляющих элементов набора кузова для их объединения. Кроме того, такие расчетные схемы имеют большое число степеней свободы, что повышает системные требования к персональному компьютеру и увеличивает время расчета.

В связи с этим предлагается использование пластинчато-стержневых конечноэлементных расчетных схем вместо более громоздких пластинчатых, при сохранении степени детализации. В качестве объекта исследования был выбран кузов скоростного пассажирского вагона модели 61-4170, имеющий гладкую наружную обшивку и внутреннюю гофрированную, соединенную с наружной точечной сваркой. Рассматривалась 1/4 часть кузова с учетом допущения о симметрии конструкции кузова и внешних нагрузок относительно вертикальной продольной и поперечной плоскостей. Действие отброшенных частей кузова заменено соответствующими связями по указанным плоскостям симметрии. Закрепление в пространстве расчетной схемы как твердого тела обеспечивается связями по плоскостям симметрии и вертикальной опорной связью по опорной поверхности скользуна. Расчетные схемы созданы с помощью графического ядра моделирования Femap 8.0. Расчет кузова проводился отдельно от продольной сжимающей нагрузки величиной N=2,5 МН и вертикальной нагрузки брутто величиной Q=0,431 МН.

Разработаны два варианта расчетных конечноэлементных схем кузова пассажирского вагона модели 61- 4170 с двухслойной гладкой обшивкой. В первом варианте расчетной схемы все несущие элементы металлоконструкции кузова моделировались 63 698-ю пластинчатыми конечными элементами средним размером 50х50 мм, соединенными в 62 870-ти узлах. Отдельно моделировались гладкая наружная обшивка и гофрированная внутренняя. Точечная сварка наружных и внутренних листов обшивки учитывалась с помощью методики, описанной в работе (Анализ НДС двухслойной обшивки кузова пассажирского вагона модели 61-470 в зоне стыка гофров., Науч. рук. Кобищанов В.В.: НИР- Брянск, БГТУ, 1997). Каждая сварная точка моделировалась специально подобранными стержневыми конечными элементами длиной 0,03.

Второй вариант расчетной схемы представлен 3946-ю стержневыми конечными элементами, моделирующими подкрепляющий набор кузова, 1425-ю стержневыми конечными элементами, моделирующими сварные точки, и 48 524-мя пластинчатыми конечными элементами, моделирующими остальную часть металлоконструкции кузова, соединенными в 48 933-х узлах. При этом напряжения по сечениям стержневых элементов подкрепляющего набора рассчитываются с учетом их стесненного кручения по методике двухуровневой процедуры, описанной в работе «Влияние стесненного кручения элементов каркаса на напряженное состояние кузова вагона» (Материалы конф. 23-24 окт. 2001 г., г.Брянск -Брянск, 2002.-С. 16-20).

Сравнение нормальных напряжений по срединному сечению кузова показало, что рассмотренные варианты расчетных схем дают качественно и количественно близкие результаты.

Сопоставление результатов расчетов позволяет сделать вывод о целесообразности использования пластинчато-стержневых схем МКЭ с учетом нормальных напряжений стесненного кручения стержней для анализа напряженно-деформированного состояния кузовов пассажирских вагонов с двухслойной гладкой обшивкой. Применение такой схемы позволило уменьшить число степеней свободы конечноэлементной модели с 377 220 до 293 598, что снижает время расчета и системные требования к персональному компьютеру. Также отпадает необходимость в строгом приведении в соответствие конечноэлементных сеток панелей обшивки и подкрепляющих элементов для их объединения, что позволяет формировать сплошные панели обшивки по всей длине кузова и далее присоединять к ним стержневые конечные элементы, моделирующие подкрепляющий набор. Это значительно снижает трудоемкость подготовки расчетных схем, упрощает анализ результатов и уменьшает вероятность ошибок.