УДК 629.4
, ,
ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДВУХСЛОЙНОЙ
ОБШИВКИ БОКОВЫХ СТЕН КУЗОВОВ ПАССАЖИРСКИХ ВАГОНОВ
ПРИ АНАЛИЗЕ ИХ НАГРУЖЕННОСТИ
Обоснована методика оценки напряженно-деформированного состояния и усталостной долговечности сварных несущих конструкций кузовов пассажирских вагонов на основе упрощенных пластинчато-стержневых конечноэлементных моделей.
Ключевые слова: пассажирский вагон, кузов, двухслойная обшивка, конечноэлементная модель, напряженно-деформированное состояние, усталостная долговечность.
При разработке ряда вариантов несущих конструкций кузовов современных пассажирских вагонов используется двухслойная обшивка боковых стен. Наружный слой обшивки изготовляется из гладкого стального листа. Для обеспечения устойчивости к листу наружной обшивки с внутренней стороны точечной сваркой приваривается гофрированный лист с трапециевидными гофрами, ориентированными вдоль кузова. Технология точечной сварки листов обеспечивает их работу как единого листа.
При теоретической оценке прочности несущей конструкции кузова встает задача разработки методики адекватного моделирования двухслойной обшивки боковых стен кузова вагона при обеспечении рациональной степени дискретизации.
Основным методом, используемым при анализе напряженно-деформированного состояния вагонных конструкций, является метод конечных элементов. В работах [1-3] был предложен ряд вариантов моделирования двухслойной обшивки боковых стен кузовов пассажирских вагонов в рамках метода конечных элементов. Наибольшей степенью дискретизации обладает методика, предусматривающая моделирование геометрии свариваемых листов 1,2 (рисунок а) и сварной точки 3 трех - и четырехузловыми пластинчатыми конечными элементами.
а) б) в) г)
Рис. Варианты конечноэлементных расчетных схем двухслойной обшивки:
а – с детальным моделированием сварных точек; б – с моделированием сварных точек стержневыми элементами; в – с объединением плоских участков обшивок; г – с ортотропной обшивкой
Такой подход приводит к значительному увеличению размерности конечноэлементной модели и может быть применен только для исследования местного напряженно-деформированного состояния участков двухслойных панелей боковых стен. Второй вариант [2] основан на моделировании листов наружной и внутренней панелей пластинчатыми конечными элементами, а сварных точек - стержневыми элементами 4 (рисунок б). Параметры этих стержневых конечных элементов определяются из условия взаимодействия обшивок при их относительном сдвиге в продольном направлении путем сравнения соответствующих деформаций, полученных по уточненной пластинчатой схеме метода конечных элементов и по пластинчато-стержневой конечноэлементной схеме. Третий вариант [3] предусматривает моделирование прилегающих друг к другу участков обшивки в виде единого пластинчатого элемента 5 (рисунок в) толщиной, равной сумме толщин наружного и внутреннего листов. Гофры внутренней обшивки моделируются отдельными пластинчатыми элементами с толщиной внутреннего листа 6. Участки наружной обшивки в зонах гофров также моделируются пластинчатыми элементами с толщиной, равной толщине наружного листа. Четвертый вариант, предложенный в данной работе, предусматривает моделирование двухслойной обшивки плоскими пластинами, проходящими через срединную поверхность двухслойной обшивки с эквивалентной толщиной, и ортотропной моделью материала (рисунок г).
Двухслойная панель боковой стены вагона обладает конструктивной ортотропией. По этой причине замена в расчетной конечноэлементной схеме двухслойной панели приведенной панелью связана с определением параметров ортотропии, а именно: модулей упругости при растяжении-сжатии вдоль и поперек гофров 
, 
, коэффициентов Пуассона 
, 
. Приведенная толщина ортотропной обшивки приближенно принималась равной сумме толщин гладкого и гофрированного листов. Модуль сдвига для ортотропной обшивки принят равным модулю сдвига стали.
При определении параметров ортотропии приведенной панели учитывалось не только наличие гофрированного листа, но и возможная начальная погибь гладкого листа панели.
Модули упругости ортотропного листа, заменяющего гофрированный лист, 
и 
определялись численным способом путем сопоставления деформаций гофрированной и гладкой ортотропной обшивок, для расчета которых использовались специальные схемы метода конечных элементов.
При оценке напряженного состояния панелей двухслойной обшивки боковых стен из конечноэлементной модели кузова вагона выделяется исследуемая область и разрабатывается ее детализированная конечноэлементная модель с использованием первого или второго варианта моделирования обшивки (рисунки а, б). Граничным узлам конечноэлементной модели исследуемой области задаются перемещения, полученные из конечноэлементной модели кузова в целом.
В качестве критерия выбора варианта моделирования двухслойной обшивки боковых стен пассажирских вагонов принято максимальное соответствие результатов оценки напряженно-деформированного состояния несущей конструкции боковой стены кузова вагона данным натурных стендовых испытаний при минимальной размерности конечноэлементной модели.
В качестве объекта исследований принят кузов купейного пассажирского вагона с креслами для сидения модели 61-4170 производства вагоностроительный завод».
Особенностью конструкции кузова является применение двухслойной обшивки боковых стен, образованной гладким наружным листом толщиной 1,5 мм и внутренними гофрированными панелями толщиной 1 мм с непрерывно расположенными трапециевидными гофрами. В подоконном и надоконном поясах гофры расположены горизонтально вдоль кузова, в межоконных простенках - вертикально. На основе трех вариантов моделирования двухслойной обшивки (рисунки б-г) разработаны три варианта пластинчатых конечноэлементных расчетных схем несущей конструкции кузова пассажирского вагона.
Детализированная пластинчато-стержневая конечноэлементная расчетная модель кузова вагона с двухслойной обшивкой, смоделированной по второму варианту, сформирована 5,3·104 пластинчатыми конечными элементами, объединенными в 7,8·104 узлах. Точечная сварка моделируется 1,5 тыс. стержневых элементов длиной 0,03 мм. Общее число степеней свободы конечноэлементной модели составило 4,7·105.
Детализированная конечноэлементная модель кузова вагона, включающая двухслойную обшивку в соответствии с третьим вариантом (рисунок в), сформирована 11·104 пластинчатыми элементами, объединенными в 9,8·104 узлах, и обладает 5,9·105 степенями свободы.
Пластинчатая конечноэлементная модель кузова вагона с заменой двухслойной обшивки ортотропными пластинами (рисунок г) сформирована 5·104 пластинчатыми элементами, объединенными в 4,9·104 узлах, и обладает 2,9·105 степенями свободы.
Наименьшей трудоемкостью подготовки и минимальным количеством степеней свободы обладает модель с представлением двухслойной обшивки в виде ортотропной пластины.
Адекватность результатов, получаемых с использованием разработанных конечноэлементных моделей, оценивалась путем сопоставления нормальных напряжений в среднем и шкворневом поперечных сечениях кузова от продольной сжимающей нагрузки величиной 2,5 МН с данными натурных статических стендовых испытаний, проведенных «Тверской институт вагоностроения» [4].
Сопоставление нормальных напряжений, полученных расчетным и экспериментальным путем, показывает их удовлетворительное соответствие. При этом результаты, полученные с использованием модели представления двухслойной обшивки ортотропными пластинами, отличаются от экспериментальных в среднем не более чем на 20%.
Анализ деформированного состояния несущей конструкции кузова вагона с учетом максимально допустимой технологией изготовления начальной погиби гладкого листа панели показал снижение жесткости кузова до 10-15%. Изменение жесткостных характеристик кузова оказывает влияние на его усталостную долговечность.
Оценка указанного влияния проведена путем исследования усталостной долговечности сварных несущих конструкций вагонов с использованием двух методик: – [5] и [6].
Исходя из результатов исследований, приведенных в [7], предел выносливости сварного шва 
предлагается определять с использованием уточненных значений коэффициентов концентрации напряжений в швах, полученных на основе методов Колосова – Мусхелишвили и конформного отображения [8;9]. Для учета влияния на усталостную долговечность остаточных сварочных напряжений применена методика [10].
Усталостная долговечность кузова вагона определяется долговечностью наиболее нагруженного сварного соединения, находящегося в зоне приварки шкворневой балки к хребтовой.
Полученные сроки службы сварной несущей конструкции сопоставлялись с результатами уточненных расчетов [2]. Сопоставление показало их удовлетворительное соответствие: разница не превысила 18%, идущих в запас прочности несущей конструкции кузова.
Таким образом, исходя из принятых критериев наиболее целесообразным вариантом моделирования несущей двухслойной обшивки боковых стен пассажирских вагонов является вариант с представлением обшивки в виде ортотропной гладкой панели. Данный вариант позволяет значительно снизить трудоемкость подготовки конечноэлементных моделей и их размерность при сохранении удовлетворительной точности получаемых результатов. Предложенная методика также позволяет учесть начальную погибь гладкой обшивки, что уточняет оценку напряженно-деформированного состояния кузова и его усталостной долговечности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Анализ НДС двухслойной обшивки кузова пассажирского вагона модели 61-4170 в зоне стыка гофров: отчет о НИР (заключительный) /науч. рук. – Брянск: БГТУ, 1997. – 24 с.
2. Антипин, усталостной долговечности и живучести сварных несущих конструкций пассажирских вагонов с учетом их нагруженности при движении: дис…. канд. техн. наук/ . – Брянск, 2004. – 165 с.
3. Расин, эксплуатации кузовов пассажирских вагонов при нормативных продольных соударениях: дис…. канд. техн. наук/ . – Брянск, 2010. – 114 с.
4. Отчет о научно-исследовательской работе по теме 00.00.1.041/1 «Исследование прочности измененной конструкции кузова вагона модели 61 – 4170 при статическом приложении нагрузок». – Тверь: ТИВ, 2000. – 102 с.
5. Когаев, и износостойкость деталей машин: учеб. пособие для машиностр. спец. вузов/ , . – М.: Высш. шк., 1991. – 319 с.
6. Бирюков, часть тягового подвижного состава/ , , [и др.]; под ред. . – М.: Транспорт, 19с.
7. Кобищанов, прогнозирования усталостной долговечности несущих конструкций кузовов вагонов/ , // Труды V Международной конференции «Научно-технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения»( г. Санкт – Петербург, 14-17 окт. 2003 г.). – СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. – С. 248-257.
8. Terasaki, T. Effect of factor in weld reinforcement of stress concentration factor/T. Terasaki, T. Akiyama, N. Yokoschima [et al.]// J. Jap. Weld. Soc. – 1982. - №9. - P. 66-72.
9. Kawai, S. Effect of ground and penned on fatigue strength of welded joints under high mean stresses/ S. Kawai, K. Koibuchi// Ibid.- 1975.- №7.- P. 62-69.
10. Кудрявцев, остаточных напряжений на долговечность сварных соединений/ //Автоматическая сварка. – 1990. – №1. – С. 5-8.
Материал поступил в редколлегию 3.09.13.
Основные порталы (построено редакторами)