Оценка нагруженности вагона модели 15-1547 методами математического моделирования




Федеральное агентство  железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уральский государственный университет  путей сообщения»

 

 

 

Кафедра «Вагоны»

 

 

Оценка нагруженности  вагона модели 15-1547              методами математического моделирования

Часть 2 «Инженерный анализ конструкции кузова вагона методом конечных элементов»

Комплексный курсовой проект

по дисциплине «Компьютерные технологии расчета вагонов и систем»

 

 

 

 

 

Проверил:

профессор, д.т.н.

Павлюков А.Э.

Выполнил:

ст.гр. В–329

Хасанов А.М.


 

 

 

 

Екатеринбург

2012

 

Реферат

 

 

В данной курсовой работе всего: страниц 20, рисунков 8, таблиц 2, использованных источников 3.

 

 

Вагон-цистерна, котел, внешнее атмосферное давление, конечный элемент, геометрическая модель, расчетная схема, предел текучести, напряжение.

 

 

 

В курсовой работе проводится анализ конструкции котла вагона-цистерны 15-1547 методом конечных элементов и определяется, при каком внешнем атмосферном давлении происходит потеря устойчивости оболочки котла. Для этого строится геометрическая модель котла цистерны с действующими на неё нагрузками.

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………………5

1 Особенности конструкции и действующие нагрузки…..…...…………...6

1.1 Анализ работ, посвященных расчету конструкций вагонов методом конечных элементов……………………..…………………………….….....................6

1.2 Описание конструктивных особенностей котла вагона-цистерны............6

1.3 Расчет действующих на котел нагрузок…………………………………....8

2  Разработка конечно-элементной модели котла…………………...……10

2.1 Выбор и обоснование типа конечного элемента…...…………………….10

2.2 Задание характеристик материала………..……………………………….10

2.3 Построение геометрической модели котла цистерны…………………...11

2.4 Формирование конечно-элементной сетки, задание нагрузок и закреплений…………………………………………………………………………....13

3 Оценка прочности кузова вагона……………..…………………………..16

3.1 План численного эксперимента...…………………………………………16

3.2 Критерий оценки прочности котла……….…………………………….....16

3.3 Анализ напряженно-деформированного состояния котла……………....17

Заключение…………………………………………………………………….19

Список используемой литературы………………………………………….20 

Введение

 

В данной курсовой работе объектом исследования является котел четырехосного вагона-цистерны модели 15-1547 на который действует внешнее атмосферное давление.

При разработке геометрической модели определяем свойства объекта, которые должна отображать модель; производим сбор информации о выбранных свойствах объекта проектирования; производим выбор и обоснование типа конечного элемента; производим анализ напряженно-деформированного состояния узла.

Вагоны совместно с железнодорожным путем образуют сложные динамические системы с большим числом степеней свободы. Для расчета таких систем составлены дифференциальные уравнения. Для решения задачи действующей нагрузки на котел вагон-цистерны необходимы знания из курса высшей математики, теоретической и прикладной механики, сопротивления материалов, знание программы ANSYS, операционной системы Windows, умение работать в Microsoft Word, Microsoft Excel.

При разработке геометрической модели расчета нагрузок на котел применяется программа ANSYS.

 

 

1 Особенности конструкции и действующие нагрузки

1.1 Анализ работ, посвященных расчету конструкций вагонов методом конечных элементов

Метод конечных элементов широко применяется  во многих научных и инженерных приложениях. Применение метода конечных элементов в расчетах прочности кузовов вагонов в значительной мере объясняется наличием программных комплексов, обладающих высокой степенью автоматизации трудоемких операции составления и решения систем алгебраических уравнений метода, автоматизации сеточного представления области, минимум требований к исходной информации и другое.

Метод конечных элементов дает возможность достаточно полно учесть геометрические формы и реальные условия работы конструкций, распределение в пространстве внешних нагрузок, граничные условия, а также физические свойства используемых в конструкции различных материалов.

Основная идея метода конечных элементов состоит в том, что рассматриваемая конструкция разделяется на ряд простейших по форме частей – элементов. Размеры элементов обычно малы по сравнению с размерами всей конструкции, но они имеют конечные размеры. Отсюда и название метода, подчеркивающие его отличие от методов упругости, где при составлении основных уравнений равновесия тело делится на бесконечно малые элементы, из-за чего поведения тела описываются системой дифференциальных уравнений, а в методе конечных элементов – системой алгебраических уравнений.

1.2 Описание конструктивных особенностей котла вагона-цистерны

По роду перевозимых грузов различают  цистерны для перевозок нефтепродуктов, кислот и аналогичных им агрессивных  продуктов, сжиженных газов, пищевых продуктов, химических грузов.

Вагон-цистерна модели 15-1547, изображенная на  рисунке 1, производства ОАО «МЗТМ» состоит из: котла и рамы с боковыми швеллерами, двух двухосных тележек модели 18-100, автосцепных устройств и автотормозного оборудования.

 

Рисунок 1 – Четырехосная вагон-цистерна модели 15-1547

 

Котел представляет собой цилиндрическую емкость сварной конструкции, состоящую  из обечайки и двух днищ 3200-10-200 ГОСТ 6533-78. Нижний лист обечайки толщиной 11 мм имеет уклон к сливному прибору 25..30мм для полного слива продукта. Боковые и верхние листы выполнены толщиной 10 и 9мм соответственно. На котле приварена горловина люка с ограничителями уровня налива продукта, патрубок сливных приборов и предохранительно-впускных клапанов.

Для удобства обслуживания цистерна имеет наружную и внутреннюю лестницы. Управление сливом - верхнее и осуществляется самотеком или принудительно с применением дополнительных технических средств. Для защиты от повышения давления внутри котла свыше 0,15МПа и ликвидации вакуума при сливе продукта из цистерны на котле устанавливается предохранительно-выпускной клапан.

В таблице 1 приведены технические  характеристики вагона-цистерны модели 15-1547. Толщина броневого листа составляет 11мм, верхних и боковых листов 9мм, днищ 10мм.

 

Таблица 1 – Технические характеристики вагона-цистерны модели 15-1547


Параметры

Технические характеристики

Грузоподъемность, т

68

Масса тары, т

24,8

Объем котла, м3

85,6

База вагона, мм

7800

Длина, мм:

               по осям сцепления автосцепок

               по концевым балкам рамы

 

12020

11480

Удельный объем, м3/т

1,26

Высота от уровня головок рельсов, мм:

4636

Диаметр котла внутренний, мм

3200

Длина котла наружная, мм

11194

Рабочее давление в котле, МПа

0,15

Давление создаваемое в котле  при  гидравлическом испытании, МПа

0,39

Конструкционная скорость, км/ч

120

Габарит по ГОСТ 9238-83

1-ВМ


1.3 Расчет действующих на котел нагрузок

Внешнее давление атмосферного воздуха  при разряжении (вакууме) внутри котла, возникающем вследствие охлаждения паров жидкости после пропарки цистерны или в результате слива груза при закрытых крышках горловин люков. Согласно нормам расчетов вагонов на прочность расчетная величина избыточного внешнего давления (при вакууме) для оболочки котла принимается равной 0,05 МПа. При таком давлении должна обеспечиваться устойчивость оболочки.

На котел цистерны действуют  следующие нагрузки:

– внутреннее давление;

– внешнее давление;

– вертикальные силы;

– боковые силы;

– продольные силы.

В соответствии с заданием котел  рассчитывается на внешнее атмосферное давление, которое равномерно распределено по поверхности, следовательно остальными силами можно пренебречь.

 


 

 

 

 

 


 

 

Рисунок 2 – Расчетная схема котла цистерны 15-1547

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Разработка конечно элементной модели котла

2.1 Выбор и обоснование типа конечного элемента

Котел цистерны представляет собой  четырехугольную пластину сварной  конструкции. Для расчетов в программе ANSYS можно использовать конечный элемент Shell Elastic 4node 63.

Shell Elastic 4node 63 - элементы типа SHELL63 имеют форму четырехугольной тонкой пластины с четырьмя узлами по углам. Данный тип элементов позволяет использовать только линейные материалы. Элементы этого типа могут принимать вырожденную треугольную форму.

Для задания конечного элемента необходимо выбрать в программе ANSYS Main Menu / Preprocessor / Element Type / Add/Edit/Delete В появившемся диалоговом окне Element Types нажать кнопку Add…, в окне Library of Element Types выбрать в левой колонке Structural Shell, в правой – Elastic 4node 63, нажать ОК

В качестве констант для элемента Shell63 задается толщина стенок котла  цистерны Main Menu / Preprocessor / Real Constants / Add/Edit/Delete В диалоговом окне Real Constants нажать Add…, в диалоговом окне Element Type for Real Constants нажать OK, в диалоговом окне Real Constants Set Number 1, for SHELL63 в строку Shell thickness at node I TK(I) ввести толщину стенки котла цистерны (0.01 м).

2.2 Задание характеристик материала

Main Menu / Preprocessor / Material Props / Material Models В диалоговом окне Define Material Model Behavior задать Structural / Linear / Elastic / Isotropic (структурные, линейные, эластичные, изотропные свойства материала). В диалоговом окне Linear Isotropic Material Properties for Material Number 1 задать характеристики материала 09Г2Д: в строке EX ввести значение модуля Юнга, равное 2.1·1011 Па; в строке PRXY ввести коэффициент Пуассона, равный 0.3, нажать OK.

2.3 Построение геометрической модели котла цистерны

Для построения цилиндрической части  котла необходимо создать окружность в плоскости XY с центром в начале координат и радиусом равным 1.6 м. Затем вытянуть окружность вдоль отрезка, построенного перпендикулярно плоскости окружности и длиной 9.65 м.

Построение окружности Main Menu / Preprocessor / Modeling / Creat / Lines / Arcs / Ву Cend & Radius В командную строку ввести координаты центра окружности (0,0,0) / Enter, затем радиус окружности (1.4) / Enter / OК. В результате в графическом окне появится окружность. На правой панели нажать кнопку Oblique View.

Построение ключевых точек для  отрезка.

Main Menu / Preprocessor / Modeling / Create / Keypoints / In Active CS В диалоговом окне Create Keypoints in Active Coordinate System в строке Keypoint number задать порядковый номер точки; в строке X,Y,Z Location in active CS в соответствующие поля ввести координаты точки / OК.

Построение линии

Main Menu / Preprocessor / Modeling / Create / Lines / Lines / Straight Line Для того чтобы построить линию, необходимо выделить точку 5, затем точку 6 / ОК.

Вывести на экран линии Utility Menu / Plot / Lines После построения линии графическое окно будет выглядеть, как на рисунке 3.

Рисунок 3 – Построение цилиндрической части котла

Построение оболочки

Main Menu / Preprocessor / Modeling / Operate / Extrude / Lines / Along Lines Для построения оболочки путем вытягивания окружности вдоль отрезка

необходимо выделить окружность / OK, выделить отрезок / OK.

Для построения сферических днищ необходимо построить дугу, затем путем вращения дуги вокруг заданной оси создать сферическую поверхность.

Для построения дуги необходимо построить  точки с координатами начала, конца и центра дуги. Точка начала дуги лежит на окружности цилиндрической части котла (точка 1), точка центра окружности лежит в центре окружности (точка 5). Необходимо построить точку конца дуги с координатами (0,0,-1.6).

Для отображения на графическом  экране точек с номерами необходимо вывести их на экран (Utility Menu / Plot / Keypoints / Keypoints) и выполнить их нумерацию (Utility Menu / PlotCtrls / Numbering …, в диалоговом окне Plot Numbering Controls в строке Keypoint numbers поставить и нажать OK.

Построение дуги

Для построения дуги создаются точки  с радиусом закругления согласно ГОСТ 6533-78.

Main Menu / Preprocessor / Modeling / Create / Lines / Splines / Spline thru KPs. Выделить точки начала и конца дуги (точки 1 и 11) / ОК и повторить для следующих радиусов.

Построение сферического днища котла

Main Menu / Preprocessor / Modeling / Operate / Extrude / Lines / About Axis Выделить дугу / ОК, выделить две точки, лежащие на оси вращения (например, точки 5 и 11) / ОК в появившемся диалоговом окне Sweep Lines about Axis в строке Arc length in degrees задать угол вращения (по умолчанию 360°) / ОК. Вывести на экран поверхности (Plot / Areas).

Рисунок 4 –Построение днища котла

 

Аналогичным образом строится днище  с другой стороны. При построении днищ котла в модели появились совпадающие в пространстве линии и точки, что может помешать качественному образованию конечно-элементной сетки. Для предотвращения этого необходимо выполнить операцию объединения совпадающих в пространстве объектов. Main Menu / Preprocessor / Numbering Ctrls / Merge Items В появившемся диалоговом окне Merge Coincident or Equivalently Defined Items в строке Type of item to be merge выбрать All / ОК.

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:

δэ ≤ [δт]

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





Оценка нагруженности вагона модели 15-1547 методами математического моделирования