Расчёт элементов конструкции вагонов с применением ПК ANSYS

.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2  Расчёт элементов конструкции вагонов с применением ПК ANSYS 

Расчёт  на прочность хребтовой балки

Исходные  данные для расчёта:

Выполнить расчёт на прочность хребтовой балки, общей длиной 12900 мм и длиной консольной части 1850 мм, поперечное сечение – зет №31, нагрузка – равномерно-распределённая, определяется исходя из грузоподъёмности вагона 70 т. тары кузова 14 т. Расчётная схема данной конструкции приведена на рис. 1

Рисунок 1 – Расчётная схема хребтовой балки вагона 

Шаг 1. Определение типа конечного элемента

Main Menu / Preprocessor / Element Tyre / Add/Edit/Delete

В появившемся диалоговом окне Element Types нажимаем кнопку Add…, в окне Library of Element Types в левом столбце выбираем Structural Beam в правом – 3D 3 node 189, нажимаем ОК. 

Шаг 2. Задание  физических свойств материала

Main Menu/Preprocessor/Material Props/Material Models

В диалоговом окне Define Material Model Behavior задаём Structural / Linear / Isotropic (структурные, линейные, эластичные, изотропные свойства материала).

В диалоговом окне Linear Isotropic Material Properties for Material Number 1: в строке ЕХ вводим значение модуля Юнга, равное 2,1*10¹¹ Па; в строке PRXY вводим коэффициент Пуансона, равный 0,3, нажимаем ОК. 

Шаг 3. Построение геометрической модели

Построение  ключевых точек

Main Menu / Preprocessor / Modeling /Create / Keypoints / In Active CS

В диалоговом окне Create Keypoints In Active Coordinate System в строке Keypoint number задаём порядковый номер точки; в строке X,Y,Z Location in

active CS в соответствующие поля вводим координаты точки; нажимаем ОК.

Необходимые параметры точек приведены в  табл. 1 

Таблица 1 – Параметры точек

 

После построения всех точек и нажимаем кнопку Isometric View на правой панели экрана 

Построение  линии 

Main Menu / Preprocessor / Modeling /Create / Lines / Lines / Straight Line

Для того чтобы построить линию, необходимо выделить точку 1, затем точку 2 и нажать ОК. Те же действия проводим при построении линий между точками 2 и 3, 3 и 4. 

Задание сечения

Main Menu / Preprocessor /Section / Beam / Common Section

В диалоговом окне Beam Tool в строках: ID вводим номер сечения (1); Name - названия сечения hrebt; Sub-Tyre - выбираем рисунок с изображением профиля сечения W1-0,13; W2-0,13; W3-0,372; W4-0,31; t1-0,0202; t3-0,013; t4-0,012; t5-0,012 нажимаем ОК 

Шаг4. Формирование конечно-элементной модели

Присвоение атрибут

Main Menu / Preprocessor / Meshing / Mesh Attributes / All Lines

В диалоговом окне Lines Attributes в строке Material number выбираем набор характеристик материала №1; в строке Element Type number выбираем 1BEAM189; в строке Element section выбираем 1 hrebt; в строке Pick Orientation Keypoin(s) поставим Yes ; нажимаем ОК. Далее выделяем точку 5 и нажимаем ОК. 

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 ставим размер элементов, с которым будет разбита модель (0,5)/ОК. 

Разбиение модели

Main Menu / Preprocessor / Meshing / Mesh /Lines

Выделяем  отрезки линии, нажимаем ОК. 
 
 

Изменить  вид отображения балочных элементов

Utility Menu / PlotCtrls / Style / Size ant Shape…

В диалоговом окне Size ant Shape в строке Display of element поставим Yes, нажать ОК. 

Шаг 5. Закрепление  и нагружение модели

Закрепление модель

В соответствии с расчётной схемой в точку 2 поставим шарнирно-неподвижную опору, а в точку 3 шарнирно-подвижную. 

Main Menu / Preprocessor / Loads / Define Loads / Apply / Structural / Displacement / On Keypoints.

Для установки  шарнирно-неподвижной опоры необходимо выделить точку 2, нажать ОК. В диалоговом окне Apply U,ROT on KPs в строке Lab2 DOFs to be constrained выбрать UX, UY, UZ, ROTX, нажать ОК. Для установки шарнирно-подвижной опоры необходимо выделить точку 3, нажать ОК и в строке Lab2 DOFs to be constrained выбрать UY, UZ, нажать ОК. 

Нагружение  модели

В соответствии с заданием нагрузка распределённая и определяется исходя из грузоподъёмности вагона 70т. и тары 14 т. На хребтовую  балку приходиться половина нагрузки, действующей на раму вагона, что составляет 420 000 Н. На построенной хребтовой балке расположен 28 узел. Приложим сосредоточенную силу в 15000 Н (420000/28=15000) к каждому узлу хребтовой балки.

Main Menu / Preprocessor / Loads / Define Loads / Apply / Structural / Force Moment / On Nodes

Для приложения нагрузки выделяем узлы, расположенные  на хребтовой балке, нажимаем ОК. В  диалоговом окне Apply F/M on Nodes в строке Lab Directions of force/mom указать направление FY, а в строке VALUE Force/moment – -15000 (минус указывает направление силы оси Y), нажимаем ОК. 

Процессорная  обработка 

Запуск  на расчёт

Main Menu / Solution / Solve / Current LS

В диалоговом окне Solve Current Load Step нажимаем ОК.

Информационное  окно Note с надписью Solution is done говорит о том, что решение готово, далее следует нажить ОК. 

Постпроцессорная  обработка

Вывод результатов в графическом вводе

Main Menu / General Postproc / Plot Results / Contour Plot / Nodal Solu

В диалоговом окне Contour Nodal Solution Data выбрать Stress / von Mises /ОК.

В графическом  окне появиться контурное распределение поле напряжений по балке, представлена на рисунке 2.

     В левом верхнем углу отображается минимальное (SMN) и максимальное (SMX) значение напряжений в модели.

В нижней частим цветовая линейка. Каждому цвету соответствует интервал напряжений. Максимальное напряжений составляют 155 МПа. Зона максимальных напряжений находиться по середине балки – сверху.

     Допускаемое напряжение определяется по формуле [3]:

     [σ] = к_п ·σ_т 

где к_п – коэффициент запаса прочности, к_п – 0,9; [3]

σ_т- предел текучести, для стали 09Г2Д σ_т – 310 МПа; [2] 

[σ] = 0,9·310=279 МПа  
 

 

Рисунок 2 – Контурное распределение полей эквивалентных напряжений. 
 

Условие прочности элементов вагона выражается в следующем виде:

σ_р ≤ [σ]

где σ_{р и} [σ] – соответственно расчётное и допускаемое напряжение.

     Максимальное  напряжение в балке равны 155 МПа, а допускаемое напряжение для  стали 09Г2Д составляет 279 МПа, следовательно, хребтовая балка удовлетворяет  условию прочности по допускаемым напряжениям. 
 
 
 
 
 
 

Список  использованных источников 

1   В.Ф. Лапшин, К.М. Колясов Компьютерные технологии расчёта вагонов систем: Методическое руководство. – Екатеринбург: УрГУПС, 2008.-68с.

2   Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Вяткин и др.; под общ. ред. В.Г. Сорокина – М.: Машиностроение, 1989. – 640 с.

3   Нормы для расчёта и проектирования новых и проектирования новых и модернизированных вагонов железных дорог МПС 1520 мм (несамоходных). М.: ВНИЖТ-ВНИИВ, 1997. – 317с.