Расчеты рам и кузовов на статическую нагрузку.
Расчеты прочности конструкций экипажной части локомотивов в настоящее время в основном выполняются методом конечных элементов (МКЭ). Для этого используют соответствующие программные комплексы от небольших до весьма громоздких.
Благодаря возможностям современных программ расчетные схемы могут учитывать практически все конструктивные особенности объекта, технологические особенности его изготовления и эксплуатации, вплоть до сварных швов, начальной погиби обшивки кузова, вероятностных характеристик режимов нагружения и т.п. Однако искусство инженера-проектировщика предполагает понимание работы основных элементов конструкции для активного влияния на процесс формирования окончательного технического решения. Слишком перегруженная подробностями расчетная схема затрудняет процесс рассмотрения результатов расчета.
Любое материальное описание объекта проектирования, наделенного структурой, содержит четыре вида данных:
– топология (определяет, из каких элементов состоит объект и какие из них взаимодействуют);
– конфигурация (определяет геометрические параметры, влияющие на взаимное расположение элементов);
–размеры (определяет геометрическое описание каждого элемента);
–материал (определяет характеристики материала каждого элемента).
Эти данные подлежат уточнению в процессе расчетов. Данные разделены на четыре независимые группы, т.е. можно менять, например, конфигурацию, не меняя топологии, размеров и материала и т.д. Понятие уровней независимости данных играет важную роль в создании баз данных.
Другим важным свойством такого представления является то, что данные о топологии и материалах — это дискретные величины, в то время как конфигурация и размер — непрерывные. Эти свойства важны при решении задач оптимизации. Для выбора топологии и, возможно, материала нужно решать задачу структурной оптимизации, а для выбора конфигурации и размеров — параметрической.
В исходные данные для расчета прочности нужно включать эти атрибуты. Особенно наглядно сказанное иллюстрируется данными для стержневой расчетной схемы. Конечными элементами такой схемы является стержни, которые соединяются между собой в узлах. Топология конструкции может быть задана указанием для каждого элемента номеров узла начала и конца стержня; конфигурация может быть задана указанием координат узлов; размеры — указанием характеристик поперечных сечений стержней, а материал — указанием модуля упругости и, если необходимо, коэффициента Пуассона.
Для понимания работы конструкции, особенно на начальном этапе проектирования, обычно выполняются расчеты по простым расчетным схемам, чтобы без лишних подробностей за короткий срок получить представление об общей характеристике конструкции. Именно на этом этапе принимаются решения о структуре (топологии) объекта, т.е. о составе и взаимодействии основных элементов конструкции.
Так, для расчета рамы тележки на первом этапе целесообразно вопользоваться стержневой расчетной схемой, в которой все несущие элементы заменены стержнями, проходящими вдоль осей этих элементов. На рис. 2.8 изображена стержневая расчетная схема рамы тележки тепловоза ТЭМ21, которая содержит 92 узла и 101 стержневой элемент. Общие характеристики поперечных сечений стержней (площадь и моменты инерции) определяются по предварительным эскизам этих сечений и подлежат уточнению с помощью расчетов прочности.
При расчете главной несущей рамы тепловоза на первом этапе можно ограничиться даже плоской расчетной схемой, как это показано на рис. 2.9 с расчетной схемой главной рамы тепловоза ТЭМ2. На рисунке стрелками показаны сосредоточенные нагрузки, а заштрихованные прямоугольники соответствуют распределенным нагрузкам интенсивностью q1, q4 (собственный вес рамы, дизель-генератора, холодильной камеры, вспомогательного оборудования).
Стержневую пространственную расчетную схему целесообразно применять и на первом этапе расчета несущего кузова, особенно, если несущей конструкцией является ферма, как на тепловозе ТЭП70 Достоинством стержневых расчетных схем является простота С их помощью удается определить перемещения в узлах и усилия в стержнях схемы, а затем подсчитать и напряжения Полученные результаты позволяют в целом оценить прочность и жесткость конструкции, используя интегральные характеристики поперечных сечений стержней (площадь и моменты инерции) С помощью стержневой расчетной схемы можно просто варьировать данными, определяющими структуру (топологию), конфигурацию и частично размеры, подбирая наиболее рациональные.
Недостатками стержневых расчетных схем являются их невысокая точность при расчетах таких конструкций, где несущими элементами являются пластины и где поперечные размеры стержней того же порядка, что и их длина, а также невозможность подробного учета особенностей напряженного состояния из-за концентрации напряжений в узлах сочленения конструктивных элементов, в сварочных швах, в зоне резких изменений толщины профиля поперечного сечения и т.д.
Для выявления этих особенностей можно выделить интересующую нас часть из полной конструкции и сформировать для нее более полную пространственную расчетную схему с объемными конечными элементами и выполнить для нее расчет, используя в качестве внешних кинематических и силовых условий в узлах разрыва результаты, полученные при расчете всей стержневой схемы
Более полную картину напряженно-деформированного состояния конструкции можно получить поверочным расчетом общей пространственной конечно-элементной модели На рис 2. 10 представлен общий вид рамы тележки тепловоза ТЭМ21 и один из вариантов разбивки ее на конечные элементы при таком расчете (187 449 узлов и 192 137 конечных элемента) На рис 2. 11 изображена рама тележки тепловоза ТЭП70 и ее конечно-элементное представление (9109 узлов, 10 389 конечных элементов) Модель, при грамотном ее формировании, дает полное представление о
механическом поведении всей конструкции с учетом особенностей напряженно-деформированного состояния в зонах концентрации.
Еще более сложную задачу представляет создание подробной конечно-элементной модели несущего кузова тепловоза. На рис. 2.12
изображена схема основных несущих элементов для половины кузова тепловоза ТЭП70БС. Конечно-элементное представление кузова содержит свыше 32 ООО конечных элементов и 27 880 узлов.
Рассмотренные модели рам и кузовов, помимо расчета на статические нагрузки, используются для оценки первых наиболее опасных собственных форм колебаний. В соответствии с «Нормами» частоты собственных изгибных колебаний кузова не допускаются ниже 8 Гц.
