Численное моделирование напряженно-деформированного состояния крыши вагона из композиционного материала

Авторы: В.П. Муленков, Ю.В. Костылев (группа компаний «Возрождение»),
Ю.В. Соколкин, Д.В. Зимин, П.В. Писарев, В.Я. Модорский
(Пермский государственный технический университет)

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;
2) продольное ускорение, действующее на крышу, 12g;
3) вес конструкции крыши.

Схема 2:

1) Ррасп.ст - давление распора (динамическое) насыпного груза;
2) продольное ускорение, действующее на крышу, 1g;
3) вес конструкции крыши с учетом вертикальной динамики.

Схема 3:

1) максимальное распределенное по площади крыши давление;
2) вес конструкции крыши;
3) Ррасп.ст - давление распора (статическое) насыпного груза.

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);
2) вес конструкции крыши.

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
"Материалы международной научно-технической
конференции к 30-летию автодорожного факультета
Пермского государственного технического университета:
"Состояние и перспективы транспорта.
Обеспечение безопасности дорожного движения"
16-17 апреля 2009 г.