Оценка нагруженности вагона модели 15-1547 методами математического моделирования

2.4 Формирование конечно-элементной сетки, задание нагрузок и закреплений

Настройка конечно-элементной сетки Main Menu / Preprocessor / Meshing / Size Cntrls / ManualSize / Global / Size В диалоговом окне Global Element Sizes в строке SIZE Element edge length задать размер элемента (0.2) / ОК.

Разбиение модели Main Menu / Preprocessor / Meshing / Mesh / Areas / Free Выделить поверхности / ОК.

Закрепление модели

В соответствии с заданием котел имеет шарнирно-неподвижные опоры в зонах лежневых опор. Поэтому необходимо закрепить узлы, находящиеся в зонах лежневых опор. Main Menu / Preprocessor / Loads / Define Loads / Apply / Structural / Displacement / On Nodes Для установки шарнирно-неподвижных опор необходимо выделить все закрепляемые узлы / OK. В диалоговом окне Apply U,ROT on Nodes в строке Lab2 DOFs to be constrained выбрать UX, UY, UZ / OK.

После построения конечно-элементной сетки и закрепления модели графическое окно будет выглядеть как на рисунке 5.

 

Рисунок 5 – Конечно-элементная сетка  котла цистерны

 

Нагружение модели

В соответствии с заданием нагрузка – внешнее атмосферное давление при отсутствующем внутреннем давлении, т. е. равномерно-распределенная нагрузка на поверхности. Main Menu / Preprocessor / Loads / Define Loads / Apply / Structural / Pressure / On Areas Для приложения нагрузки выделить поверхности / OK. В диалоговом окне Apply PRES on areas в строке VALUE Load PRES value задать значение нагрузки (50 000) / OK.

В меню утилит выбрать пункт Plot Ctrls / Symbols ..., в появившемся диалоговом окне Symbols в строке Show pres and convect as выбрать Arrous / OK. После расстановки нагрузок графическое окно будет выглядеть, как на рисунке 5.

Видно, что нагрузка на цилиндрической поверхности направлена изнутри, а  на одном из днищ внутрь. Поэтому необходимо приложить давление на днище с обратным знаком.

Напряженно-деформированное состояние  котла показано на рисунке 6.

 

Рисунок 6 – НДС котла вагона цистерны 15-1547 при вакууме и  избыточном внешнем атмосферном давлении.

 

3 Оценка прочности кузова вагона

3.1 План численного эксперимента

Построить напряженно-деформированное состояние (НДС) котла при отсутствии внутреннего давления (вакуум) и наличии внешнего атмосферного давления. Построение внешнего атмосферного давления производится аналогично пункту 2.3 с заданием других величин нагрузок.

  Определить при каком внешнем давлении происходит потеря устойчивости оболочки котла. Для этого необходимо определить предел текучести материала. В соответствии с ним экспериментально определить внешнее давление в программе ANSYS.

3.2 Критерий оценки прочности котла

Расчет котла цистерны выполняется  по III режиму. III группа – тонкостенные элементы, предельным состоянием которых является потеря устойчивости. В связи с малой толщиной этих элементов на их несущую способность существенное влияние оказывают коррозионные повреждения, поэтому к металлу этой группы предъявляются повышенные требования по антикоррозионным свойствам и менее жесткие по прочностным.

Для кузовов грузовых вагонов до настоящего времени наиболее часто  применяется марганцовомедистая сталь марки 09Г2Д (ГОСТ 19282-73), имеющая вследствие присадки меди на 30% большую коррозионную стойкость, чем углеродистая сталь марки Ст 3 (ГОСТ 380-71).

Котел цистерны, как и большинство  других кузовов вагонов, изготовляется  из стали марки 09Г2Д, характеристики материала приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Характеристики стали 09Г2Д

Материал	Объёмная масса ϒ, т/м3	Предел прочности при растяжении, δр МПа	Модуль упругости E·105, МПа	Предел текучести, δт
Стали марки 09Г2Д	7,85	450	2,10	310

Основное условие прочности выражается в следующем виде:

δ_э ≤ [δ_т]

Предел текучести для стали 09Г2Д  в соответствии с III режимом составляет 200МПа. При достижении напряжения 200МПа в оболочке котла произойдет его потеря устойчивости и вероятное схлопывание котла.

3.3 Анализ напряженно-деформированного состояния котла

Внешнее атмосферное  давление составляет 101325 Па. При приложении давления на котел с вакуумом получили НДС приведенное на рисунке 7.

 

Рисунок 7 –  НДС котла вагона цистерны 15-1547 при вакууме и внешнем атмосферном давлении.

В программе ANSYS максимальная величина напряжения (SMX) показана в левом верхнем углу, а поверхность приложения максимальной величины обозначается MX. Согласно экспериментальным расчетам было установлено, что внешнее атмосферное давление необходимое для потери устойчивости котла составляет 0,71МПа.

 

Рисунок 8 – НДС потери устойчивости котла вагона цистерны 15-1547

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

В данной курсовой работе были рассмотрены  конструктивные особенности вагона-цистерны модели 15-1547, проведен анализ напряженно-деформированного состояния котла цистерны. При разработке геометрической модели собственных колебаний кузова на рессорном подвешивании была выбрана расчетная схема и построена конечно-элементная модель котла цистерны.

Таким образом, по полученному НДС (рисунок 8) можно сделать вывод, что допускаемое внешнее атмосферное давление может составлять 7 атмосфер.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

 

1 Конструирование и расчет вагонов: Учебник для вузов ж.-д. трансп./ В.В.Лукин, Л.А. Шадур, В.Н. Котуранов, А.А. Хохлов, П.С. Анисимов; Под ред. В.В. Лукина. М.: УМК МПС России, 2000, 731 с.

2 Основы метода конечных элементов и его применение к расчету вагонных конструкций. Учебное пособие./ А.В. Смольянинов, 1996, 40 с.

3 Компьютерные технологии расчета вагонов и систем: Учебно-методическое пособие. Лапшин В. Ф., Колясов К. М.  – Екатеринбург: УрГУПС, 2008. – 68 с.

 3            20