Аналитический расчёт общего напряжённо-деформированного состояния кузовов пассажирских вагонов на основе применения многослойных балочных схем

Парк пассажирских вагонов постоянно пополняется новыми конструкциями. Совершенствование этого вида подвижного состава ориентировано на повышение комфортных условий для пассажиров, что достигается за счёт выбора рациональных планировочных решений, использования в системах жизнеобеспечения различных новинок, применяемых для оборудования жилых помещений, совершенствования ходовых качеств вагона. Все стороны проблемы комфортных условий теснейшим образом связаны с конструкцией кузова вагона, его размерными параметрами.

Кузова пассажирских вагонов относятся к несущим узлам, воспринимающим все виды нагрузок, которые испытывает вагон в эксплуатации. Они наиболее материалоёмки, а их линейные размеры определяются пассажироёмкостью, осевыми нагрузками и условиями вписывания в заданные габариты. Ограничения на соотношение размерных параметров кузова обусловлены обеспечением автоматической сцепляемости и проходом различных нормативных кривых. Характеристики прочности кузовов должны быть такими, чтобы обеспечивать защиту пассажиров в любых экстремальных условиях. Безопасность во многом определяется формой контура поперечных сечений кузова, которая задаётся формой шпангоутов (поперечных стержневых подкреплений). Последние по длине кузова распределены достаточно равномерно с шагом около 0,5 м. Продольные стержневые подкрепления — стрингеры — имеют обычно прямолинейную продольную ось. Они связывают шпангоуты в единую систему, представляющую стержневой каркас кузова. Силовая часть пассажирского помещения образуется, помимо стержневого каркаса, листовой обшивкой, жёстко связанной с этим каркасом. Имея в виду, что контур поперечных сечений кузова жёсткий и соотношение длины кузова и наибольшего размера поперечного сечения достаточно большое, несущая конструкция кузова с точки зрения строительной механики вписывается в понятие «балка на двух опорах с двумя консолями».

Благодаря этому картина общего напряжённо-деформированного состояния соответствует балочной форме. Тем более этому соответствует такая интегральная характеристика как частота собственных колебаний кузова как упругого объекта. Очевидно, что на общее напряжённо-деформированное состояние кузова как балки будут накладываться местные эффекты из-за локального характера воздействия ряда нагрузок (в опорной части кузова, взаимодействующей с ходовыми частями, в зонах передних и задних упорных угольников ударно-тяговых приборов, крепления массивного оборудования и т. д.).

Можно утверждать, что даже для непрерывных нагрузок, таких как собственный вес кузова и полезная масса, обусловленная пассажирами и багажом, простой балочный расчёт конструкции будет малоэффективным.

Наличие различного рода вырезов в оболочке кузова будет существенно искажать балочные компоненты напряженно-деформированного состояния кузова, и потому конечно-элементное моделирование его работы имеет 4 заметное преимущество перед всеми другими методами. В то же время, можно ожидать, что балочный эффект работы кузова, такой как прогиб балки и изменение центральной оси сечений, под всеми видами нагрузок будет сохраняться. Будут сохраняться и балочные формы собственных колебаний и частот. Выявление вышеперечисленных особенностей работы предлагаемой схемы с помощью конечно-элементных моделей требует определённых расчётных затрат.

Имея в виду регулярное размещение оконных вырезов на большей длине несущей части кузова, можно предложить менее сложную модель, чем конечно-элементную, для оценки уточнённых балочных характеристик напряжённо-деформированного состояния кузова, таких как продольные усилия и изгибающие моменты в несущих поясах, прогибы и продольные перемещения сечений этих поясов, вибрационные параметры. Под несущими поясами следует понимать крышу и надоконные зоны (верхний пояс), продольные элементы рамы, пол и подоконные зоны (нижний пояс). Поперечные подкрепления поясов обеспечивают неизменяемость контура их сечений (жёсткие сечения). Это позволяет рассматривать пояса как стержневые объекты. Межоконные простенки следует отнести к элементам, обеспечивающим упругую связь между несущими поясами. Предполагая, что упругие реакции в простенках влияют на все виды перемещений несущих поясов, в вертикальной и продольной плоскостях симметрии, можно сказать, что работа межоконных простенков идентична работе упругого основания с распределительными свойствами.

Такая трактовка позволяет представить кузов обычного вагона в виде двухслойной балки, несущие слои которой взаимодействуют через упругую прослойку. Получается сравнительно простая модель, отражающая основные особенности конструктивного оформления несущего кузова пассажирского вагона. Для двухэтажного вагона балка, имитирующая его работу, будет иметь три несущих пояса.

Модель имеет практическую целесообразность потому, что она позволяет достаточно точно оценить общее напряжённо-деформированное состояние кузова, а, кроме того, быть тестовым примером при формировании сложных конечно-элементных схем. При медленно изменяющихся по длине кузова нагрузках и в зонах, удалённых от приложения локальных воздействий, изменения внутренних усилий и перемещений должны быть близкими к балочным, определяемым с учётом особенностей кузова как балки.

Решению задач, связанных с таким моделированием работы кузова пассажирского вагона, посвящена предлагаемая диссертационная работа.

Заключение

1. Поставлены и решены статическая и динамическая задачи по оценке общего напряжённого состояния кузовов пассажирских вагонов по схеме многослойных балок. Решение было получено с использованием вариационных методов, с помощью которых была сформирована система дифференциальных уравнений, моделирующих работу кузова. В качестве нагрузок выбраны нормативные вертикальная статическая и динамическая нагрузки, продольные растягивающие и сжимающие силы. Учтена односторонняя продольная нагрузка, имитирующая удар.

2. В работе получено развитие и уточнение методики расчёта кузовов пассажирских вагонов. Она использует идеи, заложенные в расчётах кузовов автомобильных вагонов, устраняя допущенные технические и принципиальные ошибки в реализации методики расчёта последних. В частности, устранён неправильный учёт эксцентриситета между центральной осью поясов и линией стыковки с ними простенков. Обращено внимание на некорректную, в случае представления кузова как континуального объекта, трактовку уравнения Лагранжа второго рода для динамической задачи расчёта. На основе численных экспериментов сделано предположение, что целесообразно в плотности энергии деформации системы учитывать деформацию кузова как однородной балки (балки Бернулли). предложено применять метод перемещений, который упрощает решение задач динамики кузовов.

4. Физический смысл уравнений представляет условия равновесия внутренних и внешних сил, возникающих в несущих поясах, записанные относительно их перемещений.

5. Адекватность разработанной математической модели кузова проверялась сопоставлением имеющихся экспериментальных данных, относящихся к одноэтажному вагону, с результатами расчётов, в которых была использована математическая модель кузова одноэтажного вагона в виде трёхслойной балки с двумя несущими поясами и промежуточным упругим слоем. Результаты сопоставления вполне удовлетворительны, что подтверждает эффективность выбранной расчётной схемы и сформированной математической модели. Численный эксперимент позволил установить целесообразность учёта работы кузова как балки Бернулли.

6. Для решения практических задач, связанных с созданием конструкций двухэтажного кузова пассажирского вагона, проведены расчёты по разработанной методике, отражающие влияние различных нагрузок, предусмотренных нормативными документами, действующих на кузов, и влияние изменения характеристик конструкции кузова (например, жёсткости простенков). Согласно этим расчётным данным, характер работы кузова как многослойного объекта корреспондируется с характером работы кузова как однородной балки. Однако, в ряде случаев, наблюдается заметная корректировка распределения и величины рассчитываемых параметровпрогибов, продольных перемещений и внутренних усилий.

7. Результаты проведенных расчётов позволили сделать вывод о том, что нет необходимости использовать построение полной конечно-элементной модели кузова для оценки главных особенностей поведения конструкции при основных видах нагрузок. В частности, характер перемещений центральных продольных осей несущих поясов кузова, сразу получаемый в результате применения этой методики, в конечно-элементном расчёте можно установить лишь в результате дополнительной обработки. Конечно-элементные расчёты незаменимы для оценки локальных деформаций, а общее напряжённо-деформированное состояние эффективнее определять, рассматривая кузов как многослойную балку.

8. Выполненные оценки динамических характеристик кузова показывают, что собственные частоты колебаний несущих поясов имеют высокие значения. Благодаря этому исключается возможность резонансных явлений при вынужденных колебаниях по балочным формам при действии на кузов периодических возмущающих воздействий (возмущения, связанные с прохождением стыковых неровностей пути и неровностей другого характера).

9. Необходимо обращать внимание на нагружение простенков, которые представляют наиболее слабый узел кузова пассажирского вагона, ввиду испытываемого ими нагружения высокими продольными сжимающими силами, что может привести к потере их устойчивости.