Численное моделирование напряженно-деформированного состояния крыши вагона из композиционного материала
Численное моделирование напряженно-деформированного состояния крыши вагона из композиционного материала |
|
Авторы: В.П. Муленков, Ю.В. Костылев (группа компаний «Возрождение»), В рамках данной работы произведен расчет напряженно-деформированного состояния крыши вагона из композиционного материала. Исследования проводились для одной секции, а также для целой конструкции крыши. Задача заключалась в определении полей напряжений, перемещений и определения устойчивости конструкции при различных схемах нагружения. Расчеты произведены в конечно-элементном инженерном пакете ABAQUS (США). Задача решалась в упругой постановке. Конструкция рассматривалась как оболочка с заданием свойств материала по слоям. Материал задавался трехслойным (два слоя стеклопластика, между ними - слой пенопласта) с использованием упругих свойств по каждому слою. Анализ устойчивости композиционного материала в целом не проводился, так как выбор материала основывался на экспериментальных данных, при этом был введен критерий оценки устойчивости по максимальным деформациям для пакета. Предполагалось, что разрушение слоя пенопласта приведет к разрушению всего пакета, при этом стеклопластик может не разрушиться. Локальное разрушение пенопласта с последующим разрушением пакета было недопустимо. Рассматривалось несколько расчетных схем, имитирующих различные эксплуатационные нагрузки на конструкцию. Схема 1: 1) Ррасп.ст - давление распора (статическое) насыпного груза; Схема 2: 1) Ррасп.ст - давление распора (динамическое) насыпного груза; Схема 3: 1) максимальное распределенное по площади крыши давление; Схема 4: 1) вертикальное ускорение 1g, действующее на крышу в вертикальном направлении с частотой А = 3,2 Гц. Схема 5: 1) две силы по 1 кН, приложенные на расстоянии 0,5 м друг от друга (имитация веса человека, обслуживающего крышки люков); Схема 6: воздействие груза на торцевую стенку крыши при резком торможении с ускорением 3g. Масса воздействующего груза 0,35 от массы груза. Для каждой из вышеперечисленных схем производились расчеты как для одной секции конструкции, так и для целой конструкции. Наибольшую опасность представлял случай, описанный в схеме 6. Для этого случая были выполнены расчеты для различного конструктивного исполнения торцевой части крыши и с различными свойствами и толщинами материала. Вначале были произведены расчеты для одного сегмента крыши. Так как результаты по всем схемам были удовлетворительные, расчеты были продолжены для всей конструкции крыши. На рис. 1 приведена конструкция крыши с граничными условиями для расчетной схемы 6. Особенность данного расчета заключалась в том, что из-за большой нагрузки на торцевую часть возможно ее разрушение. Для исключения разрушения был введен каркас жесткости для торцевой части крыши. Каркас представляет собой арку, идущую по периметру торцевой части, и три дополнительных ребра, идущих вдоль торцевой панели. Данный каркас идет через всю конструкцию. На стыках секции количество продольных ребер сокращено до одного, идущего от центра крыши. Ребра жесткости квадратные в поперечном сечении, и принималось, что они изготовлены из стеклопластика, имеющего такие же характеристики, как и материал крыши. По периметру боковых граней крыши есть отвод, так называемая юбка, она используется для установки крыши на вагон, для расчетов это было интерпретировано как ограничение перемещений по оси У для боковых граней и по осям У, Z на торцевых гранях. Ограничение перемещений по торцевым граням позволило получить увеличение жесткости на торцевых панелях. Также на торцевых панелях толщина материала увеличена по сравнению с остальной частью крыши. Все эти модификации привели к тому, что максимальные напряжения при расчетной схеме 6 составили 70,95 МПа (рис. 2) и деформации 6,31 (рис. 3). Коэффициент запаса для выбранного критерия оценки составил 2,74.
Рис. 1. Конструкция с граничными условиями для расчетной схемы 6
Рис. 2. Поля напряжения для расчетной схемы 6 (напряжения указаны в МПа)
Рис. 3. Поле перемещения для расчетной схемы 6 (перемещения указаны в мм)
Рис. 4. Поля напряжений для расчетной схемы 3
Для верхней части крыши наиболее важным был расчет по схеме 3. Максимальные напряжения для данного случая 3,054 МПа (рис. 4), а деформации 4,32 при действии распределенной нагрузки в 120 кг/м2. Коэффициент запаса для выбранного критерия оценки составил 63,85. Напряжения указаны в МПа.
Опубликовано в сборнике |
