CC BY
270
АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКЦИЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА В СРЕДЕ SOLIDWORKS
Махров Геннадий Александрович
аспирант, Национальный исследовательский мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва,
РФ, г. Рузаевка E-mail: [email protected]
Чугунов Михаил Владимирович
канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой общетехнических дисциплин, Национальный исследовательский мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва,
РФ, г. Рузаевка E-mail: [email protected]
Кудаев Сергей Петрович
канд. физ.-мат. наук, доцент, заведующий кафедрой технологии машиностроения, Национальный исследовательский мордовский государственный университет имени Н.П. Огарёва,
РФ, г. Рузаевка E-mail: [email protected]
Махров Г.А., Чугунов М.В., Кудаев С.П. Анализ динамических характеристик конструкций подвижного состава в среде SolidWorks // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2014. № 11 (12) . URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/1753
ANALYSIS OF DYNAMIC CHARACTERISTICS OF DESIGNS OF ROLLING STOCK MEDIUM SOLIDWORKS
Makhrov Gennadiy
postgraduate student, N.P.Ogarev Mordovia National Research State University,
Russia, Ruzaevka
Chugunov Mikhail
candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Chair of technical disciplines, N.P.Ogarev Mordovia National Research State University,
Russia, Ruzaevka
Kudaev Sergey
candidate of Physical and Mathematical sciences, Associate Professor, Head of the Chair of Manufacturing Engineering, N.P.Ogarev Mordovia National Research State University,
Russia, Ruzaevka
АННОТАЦИЯ
Цель работы — анализ линейной динамики комбинированного вагона, предназначенного для перевозки глинозема и отливок, полученных из него, с использованием программного комплекса САПР SolidWorks и прикладного модуля SolidWorks Simulation.
ABSTRACT
The aim of this work is linear dynamics analysis of combined wagon intended for the carriage of alumina and castings made from it, using SolidWorks CAD software system and application module SolidWorks Simulation.
Ключевые слова: метод конечных элементов (МКЭ), CAD/CAE-системы, SolidWorks Simulation, динамические характеристики конструкции, подвижной состав, API-программирование.
Keywords: finite element method (FEM), CAD / CAE systems, SolidWorks Simulation, the dynamic characteristics of the structure, rolling stock, API programming.
При проектировании любой конструкции стремятся обеспечить максимальную прочность и жесткость, минимальную металлоемкость, технологичность, надежность. Практически нельзя добиться максимального удовлетворения одного из этих показателей, не ухудшив другие. Например, уменьшение металлоемкости конструкции связано с опасностью снижения ее несущей способности. Компромиссные решения следует искать на основе технико-экономического анализа. Наиболее приемлемым при этом будет считаться то конструктивное решение, которое может дать наибольший экономический эффект.
В современных условиях задачи проектирования несущих конструкций решаются в среде интегрированных CAD/CAE-систем, позволяющих получить ЭЭ-модели конструкции, а также осуществить анализ проектного решения с точки зрения прочности и жесткости в статической и динамической постановке.
Объектом исследования является 4-осный вагон для глинозема и алюминия, модель 19-795 [Э]. Конструкция вагона включает в себя множество деталей как стандартного, так и нестандартного типа (рис. 1). Для ускорения расчёта данная конструкция была немного упрощена: убраны люки, бункеры, колёсные пары, заменены пятник и подпятник.
Рисунок 1. Конструкция комбинированного вагона
Целью данной работы является анализ линейной динамики комбинированного вагона, предназначенного для перевозки глинозема и отливок, полученных из него, с использованием программного комплекса САПР SolidWorks и прикладного модуля SolidWorks Simulation, позволяющего производить инженерный расчеты, выявлять концентраторы напряжений.
Использовать исходную BD-модель напрямую для создания конечноэлементной модели [2], включающей в себя лишь объёмные конечные элементы, не представляется возможным из-за высокой размерности такой задачи. С другой стороны, модель, включающая в себя стержневые (балочные) конечные элементы, хотя и является экономичной, но не позволяет детально определить все концентраторы напряжений.
Для конечно-элементной модели был выбран наиболее экономичный в вычислительном отношении вариант, основанный на использовании стержневых, оболочечных (пластинчатых) и объемных конечных элементов. Т. е. модель в целом является комбинированной, предполагающей корректное формирование граничных условий и условий контактного взаимодействия.
Создание конечно-элементной модели имеет ряд особенностей, обусловленных сложностью сборки, включающей в себя как твердотельные элементы, так и элементы листового металла.
При переходе от твердотельной модели к оболочковой не представляется возможным сохранить связи между контактирующими гранями. Поэтому для каждого нового исследования необходимо заново создавать набор контактов.
На рис. 2 приведена конечно-элементная модель конструкции в её
окончательном виде.
Рисунок 2. Конечно-элементная модель вагона
На рис. 3 показаны граничные условия. По внешним воздействиям (рис. 3 (а)): общим для всех исследований будет внешняя сила, равная 1000 Н. Граничные условия по перемещениям (рис. 3 (б)) представляют собой жёсткую заделку в области подпятника.
(а (б)
Рисунок 3. Граничные условия для задачи. (а) — по силам, (б) — по перемещениям
Прежде чем решать задачу динамики, необходимо убедиться в работоспособности созданной модели. Для этого был проведён анализ статической прочности [1].
На рис. 4 показаны результаты анализа напряжённо-деформированного состояния в виде эпюры напряжений (рис. 4 (а)). Выявлены области концентрации напряжений (рис. 4 (б)). Задача решалась в линейной постановке, поэтому значения напряжений прямо пропорциональны действующим нагрузкам.
(а) (б)
Рисунок 4. Результаты анализа напряжённо-деформированного состояния
Неотъемлемой частью анализа поведения конструкции в условиях динамического нагружения является частотный анализ, который состоит в определении частот колебаний конструкции и соответствующих им форм. Этот анализ, во-первых, позволяет избежать резонансных явлений, а также определить форму колебаний, соответствующую наибольшим амплитудам. Как следует из теории, наибольшая энергия, а следовательно, и амплитуда приходится на низшие формы.
На рис. 5 показаны формы определённых нами колебаний: перемещение 1 (рис. 5 (а)), перемещение 2 (рис. 5 (б)), перемещение 3 (рис. 5 (в)).
(а)
(б)
Рис. 5. Результаты частотного анализа
Как видно на рисунке, колебания в основном распространяются на боковые стенки вагона. Это обусловлено тем, что конструкция самой рамы является достаточно жёсткой.
Стоит отметить, что наибольшую амплитуду имеет первая форма колебаний. Характерной особенностью этой формы является её синфазный характер. Данная частота (3.71 Гц) является наиболее опасной. Так же, как и при решении задачи статики, данная задача решалась в линейной постановке, поэтому формы колебаний определены с точностью до множителя.
Для решения задачи использовался метод обобщённых координат. Обобщёнными координатами являются формы колебаний, полученные при решении частотного анализа колебаний в вакууме.
После проведения анализа получаем эпюру, которая представлена на рис. 6, в виде максимальной реакции на гармоническое торцевое воздействие в заданном
диапазоне частот.
Рисунок 6. Узловое напряжение
Программный комплекс SolidWorks является эффективным средством анализа статических и динамических характеристик конструкции, позволяет на стадии проектирования оценить проектное решение по различным критериям, связанным с состоянием и поведением конструкции.
Полученные нами результаты позволили выявить области концентрации напряжений, а также участки спектра собственных частот колебаний, что позволит избежать резонансных явлений в процессе эксплуатации конструкции.
Список литературы:
1. Алямовский А.А. SolidWorksSimulation. Как решать практические задачи — СПб.: БХВ-Петербург, 2012. — 445 с.
2. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы: пер. с англ. — М.: Мир, 1984. — 428 с., ил.
3. Железнодорожные перевозки — RailAgent / [Электронный ресурс]. — Режим
доступа: URL: http://railagent.ru/manuals/wagon-7523 (дата обращения:
19.11.2014).
