Введение
При проектировании пространственных несущих конструкций подвижного состава железных дорог важной задачей является снижение их металлоемкости. На основе проведенного анализа исследований в области создания легковесных конструкций определены следующие направления решения поставленной задачи: применение материалов, обладающих низкой удельной массой, а также оптимизация несущей конструкции [1]. Для отечественного пассажирского вагоностроения перспективным решением указанной задачи является применение в конструкции кузовов вагонов перфорированных подкрепляющих элементов, выполненных из гнутых профилей [2-4].
Выбор рациональных типов и параметров перфорации, применимых для вагонных конструкций, целесообразно реализовывать на основании многовариантных расчетов методами компьютерного математического моделирования с разработкой детализированных пространственных несущих конструкций кузовов вагонов, отличающихся друг от друга типом и параметрами перфорации.
Поскольку перфорирование несущих элементов конструкции является ее ослаблением, необходимо оценить его влияние не только на прочность конструкции кузова, жесткость и устойчивость сжатых элементов подкрепляющего набора и элементов обшивки, но и на ее усталостную долговечность [5; 6]. Несущая конструкция кузова вагона в процессе эксплуатации испытывает значительные знакопеременные динамические нагрузки, в результате чего в ней возникают усталостные повреждения, приводящие к потере ее работоспособности. Достаточный уровень усталостной долговечности кузова является дополнительным фактором обеспечения безопасной эксплуатации и снижения стоимости жизненного цикла вагона.
Усталостная долговечность несущей конструкции кузова вагона с перфорированными профилями определяется усталостной долговечностью наиболее нагруженных зон подкрепляющего набора. Вследствие этого актуальной задачей является создание методики анализа усталостной долговечности несущих конструкций кузовов вагонов с перфорированными профилями.
Проведённый анализ работ, посвященных оценке усталостной долговечности сварных несущих конструкций кузовов вагонов, показал, что решение поставленной задачи целесообразно в рамках двух подходов: в квазистатической постановке с использованием в расчете коэффициента динамики в соответствии с ГОСТ 34093-2017 и в динамической постановке на основе методов компьютерного моделирования. При этом первый подход обеспечивает весьма приближенные результаты и не учитывает в полной мере характер динамических нагрузок, в связи с чем целесообразно использовать второй подход к исследованию долговечности несущих конструкций кузовов вагонов в динамической постановке в программном комплексе (ПК) «Универсальный механизм» [7].
Методика исследования
Анализ усталостной долговечности конструкций кузовов пассажирских вагонов с подкрепляющими элементами перфорированного сечения выполнялся с использованием методик С.В. Серенсена - В.П. Когаева [8] и В.В. Болотина [9].
В соответствии с методикой В.В. Болотина распределение динамических напряжений, действующих на конструкции, реализуется согласно теории вероятностей, а методика С.В. Серенсена - В.П. Когаева основывается на истории нагружения в виде степенной функции.
В соответствии с методикой С.В. Серенсена - В.П. Когаева срок службы конструкции в годах до наступления предельного состояния с учетом требований ГОСТ 34093-2017 рассчитывается по формуле
, (1)
где 
- суммарное число циклов динамических напряжений до наступления предельного состояния; 
- величина предела выносливости натурной детали вагона (по амплитуде), вычисленная для симметричного цикла при базовом числе циклов испытаний; 
- базовое число циклов испытаний; 
- допускаемое значение коэффициента запаса сопротивления усталости; m - показатель степени в уравнении кривой усталости в амплитудах;
- уровень амплитуды напряжений; 
- вероятность появления амплитуд с уровнем;
В - коэффициент перевода срока службы в годах во время непрерывного движения в секундах; 
- центральная (эффективная) частота процесса изменения динамических напряжений.
В соответствии с методикой В.В. Болотина срок службы конструкции определяется соотношением
, (2)
где а - сумма относительных усталостных повреждений; 
- коэффициент учета асимметрии циклов нагружения; 
- среднее квадратичное отклонение процесса 
;
J - интеграл, зависящий от коэффициента широкополосности процесса и определяемый в соответствии с [9]; 
- проектный среднесуточный пробег вагона; v - средняя маршрутная скорость движения вагона.
Предел выносливости области отверстий перфорации подкрепляющего набора кузова вагона определялся на основе детализированных проблемно-ориентированных пространственных конечноэлементных моделей выделенных зон отверстий.
Уточненная оценка динамического напряженного состояния наиболее нагруженной зоны перфорированного профиля выполняется путем вычленения ее из конечноэлементной модели кузова вагона методом последовательного выделения областей с разработкой упруго-диссипативной динамической конечноэлементной модели со сгущением сетки [10; 11]. Моделирование вычлененной зоны выполняется объемными конечными элементами. К граничным узлам модели прикладываются динамические нагрузки (в виде осциллограмм изменения усилий во времени), полученные в соответствующих узлах при расчете конечноэлементной модели кузова вагона в процессе движения по реальным неровностям рельсового пути [12].
Согласно линейной гипотезе суммирования усталостных повреждений, долговечность несущей конструкции после достижения ей предельного состояния с учетом уравнения Баскуина [13] определяется по формуле
,
где
,
- долговечность несущей конструкции в циклах нагружения до и после достижения предельного состояния соответственно; 
,
- средние динамические напряжения в исходной конструкции и конструкции, достигшей предельного состояния.
Средние динамические напряжения определяются из осциллограмм динамических напряжений, полученных при расчете исходной конечноэлементной модели исследуемой зоны и конечноэлементной модели со сквозной трещиной.
Данная методика применена для исследования усталостной долговечности несущих конструкций кузовов вагонов с перфорированными подкрепляющими элементами. Разработка конечноэлементных моделей кузовов вагонов выполнялась в среде ПК трехмерного проектирования Siemens PLM Software NX [14] на примере кузова отечественного пассажирского вагона. Рассмотрены десять вариантов конструкции с продолговатыми и круглыми типами перфорации. В соответствии с конструктивными особенностями несущей системы кузова пассажирского вагона определены параметры перфорации: диаметр отверстия (D), расстояние между центрами отверстий (l), шаг перфорации (L) (табл. 1).
Таблица 1
Параметры перфорации
|
Вариант перфорации |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
D×l×L, мм |
40×50×320 |
40×30×320 |
40×0×320 |
20×70×320 |
20×50×320 |
|
Вариант перфорации |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
D×l×L, мм |
40×50×220 |
40×30×220 |
40×0×220 |
20×70×220 |
20×50×220 |
Анализ прочности несущих конструкций кузовов вагонов в динамической постановке проводится в три этапа. На первом этапе с использованием динамической трехмерной компьютерной модели вагона получены динамические усилия, передаваемые на несущую конструкцию кузова вагона через скользуны и пятники при его движении по неровностям пути.
Твердотельная компьютерная модель вагона сформирована из кузова в виде пространственного твердого тела с реальными инерционными характеристиками, связанного с подсистемами, моделирующими тележки.
Верификация полученных результатов проведена на основании данных натурных поездных испытаний вагона-аналога.
На втором этапе работы диапазоны динамических усилий в виде осциллограмм изменения усилий во времени для рассматриваемых режимов эксплуатации прикладываются к детализированным пластинчатым конечноэлементным моделям несущих конструкций. Оценка напряженно-деформированного состояния конструкций выполняется методом непосредственного интегрирования уравнений узловых перемещений.
В результате расчета конечноэлементных моделей в динамической постановке по картине напряженно-деформированного состояния конструкции определены наиболее нагруженные участки подкрепляющих элементов с отверстиями перфорации.
Наиболее нагруженные зоны перфорированных подкрепляющих элементов (рисунок а) располагаются в нижнем стрингере подоконного пояса обшивки, ближайшем к уровню пола, в среднем сечении кузова.
Графики изменения напряжений, полученные в исследуемых зонах перфорированных профилей, приняты в качестве источников повреждающего воздействия при анализе усталостной долговечности кузова вагона.
На третьем этапе работы осуществлялось вычленение наиболее нагруженных зон с отверстиями перфорации из конечноэлементных моделей кузовов и моделирование их объемными элементами.
а) б)
Рис. Наиболее нагруженные зоны перфорированного стрингера с первым типом перфорации:
а - зоны I, II, III в пластинчатой конечноэлементной модели кузова; б - уточненная объемная конечноэлементная модель зоны II
Конечноэлементные модели формировались из четырехузловых тетраэдральных объемных элементов с характерным размером 3 мм (рисунок б). Количество объемных элементов выделенных зон составило порядка 158 тыс., объединенных в 54 тыс. узлов, общее число степеней свободы - 325 тыс. Нагружение конечноэлементных расчетных схем выполнялось приложением к их соответствующим узлам динамических нагрузок, полученных из конечноэлементных моделей кузовов в целом.
Результаты исследования
На основании предложенной методики проведена оценка динамической нагруженности и с помощью зависимостей (1) и (2) получены показатели усталостной долговечности несущих конструкций кузовов вагонов для режимов движения вагона по прямому участку пути, в кривых радиусом 300, 500, 700 и 1200 м и с противошерстным прохождением по стрелочным переводам с крестовиной марки 1/11 в скоростном диапазоне 20…160 км/ч с шагом 20 км/ч [15]. Результаты расчета для рассматриваемых вариантов конструкций по трем наиболее нагруженным зонам перфорированных подкрепляющих элементов приведены в табл. 2.
В соответствии с результатами, приведенными в табл. 2, наименьшие сроки службы наблюдаются в зоне II перфорированного стрингера. Сроки службы кузовов вагонов с вариантами перфорации подкрепляющих элементов № 2, 3, 7 и 8 не превышают минимальный назначенный срок службы вагона-аналога с кузовом из углеродистых сталей, равный 28 годам. Значения уточненного расчета с использованием модели выделенного участка превышают значения расчета модели кузова в целом не более чем на 4 %, что также не превышает назначенный срок службы вагона-аналога. Применение кузовов вагонов с вариантами перфорации № 2, 3, 7 и 8 с точки зрения усталостной долговечности является нецелесообразным.
Сроки службы исследуемых конструкций вагонов с вариантами перфорации № 1, 4, 5, 6, 9, 10 превышают сроки службы вагона-аналога, что свидетельствует о работоспособности данных конструкций и требует дальнейших исследований на их соответствие требованиям нормативной документации с целью выбора рациональной конструкции.
Следует отметить, что результаты, полученные по методике В.В. Болотина, идут в запас, что является предпочтительным для теоретических расчетов прогнозирования усталостной долговечности ответственных конструкций. Максимальный срок службы, рассчитанный по методике В.В. Болотина в наиболее нагруженной зоне, имеет вагон с пятым вариантом перфорации. Он превышает срок службы вагона-аналога на 24,6 % при расчете кузова в целом и на 30 % при уточненном расчете участка кузова.
Таблица 2
Соответствие срока службы несущей конструкции кузова пассажирского
вагона (в годах) варианту перфорации подкрепляющих элементов кузова
|
Вариант перфорации |
Зона I |
Зона II |
Зона III |
|||||||||
|
КЭ модель кузова |
КЭ модель участка кузова |
КЭ модель кузова |
КЭ модель участка кузова |
КЭ модель кузова |
КЭ модель участка кузова |
|||||||
|
Зависимость 1 |
Зависимость 2 |
Зависимость 1 |
Зависимость 2 |
Зависимость 1 |
Зависимость 2 |
Зависимость 1 |
Зависимость 2 |
Зависимость 1 |
Зависимость 2 |
Зависимость 1 |
Зависимость 2 |
|
|
1 |
44,5 |
32,4 |
43,1 |
33,8 |
43,1 |
31,4 |
41,7 |
32,7 |
44,6 |
32,5 |
43,2 |
33,9 |
|
2 |
36,1 |
26,3 |
34,9 |
27,4 |
35,0 |
25,5 |
33,9 |
26,6 |
36,2 |
26,4 |
35,0 |
27,5 |
|
3 |
32,9 |
24,0 |
31,9 |
25,0 |
32,0 |
23,3 |
30,9 |
24,3 |
33,1 |
24,1 |
32,0 |
25,1 |
|
4 |
47,7 |
34,8 |
46,2 |
36,3 |
46,4 |
33,8 |
44,8 |
35,2 |
47,9 |
34,9 |
46,4 |
36,4 |
|
5 |
49,4 |
36,0 |
47,8 |
37,5 |
47,9 |
34,9 |
46,4 |
36,4 |
49,5 |
36,1 |
47,9 |
37,6 |
|
6 |
42,4 |
30,9 |
41,0 |
32,2 |
41,2 |
30,0 |
39,9 |
31,3 |
42,5 |
31,0 |
41,2 |
32,3 |
|
7 |
39,5 |
28,8 |
38,2 |
30,0 |
27,9 |
24,5 |
32,5 |
25,5 |
34,7 |
25,3 |
33,6 |
26,4 |
|
8 |
31,6 |
23,0 |
30,4 |
23,9 |
30,6 |
22,3 |
29,6 |
23,2 |
31,7 |
23,1 |
30,7 |
24,1 |
|
9 |
44,2 |
32,2 |
42,8 |
33,6 |
42,8 |
31,2 |
41,4 |
32,5 |
44,3 |
32,3 |
42,9 |
33,7 |
|
10 |
45,6 |
33,2 |
44,1 |
34,6 |
44,2 |
32,2 |
42,8 |
33,6 |
45,7 |
33,3 |
44,2 |
34,7 |
Заключение
Полученные результаты исследования подтверждают возможность применения предлагаемой методики для прогнозирования усталостной долговечности сварных несущих конструкций кузовов вагонов с подкрепляющими элементами перфорированного сечения.
