О расчете и сравнении прочностных и жесткостных характеристик настила пола в общественном железнодорожном и автомобильном транспорте из сэндвич-панели с применением композиционных материалов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Рис. 8. Графики угла, угловой скорости стрелы, давления в полости цилиндра с учетом 3-х

форм колебаний стрелы

Список литературы

1. Соловьев Б.И., Черенков А.С. Газогенераторные твердые топлива. Учебное пособие.-г.Казань: Казанский авиационный институт им. А.Н. Туполева, 1980.

О РАСЧЕТЕ И СРАВНЕНИИ ПРОЧНОСТНЫХ И ЖЕСТКОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НАСТИЛА ПОЛА В ОБЩЕСТВЕННОМ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ И АВТОМОБИЛЬНОМ ТРАНСПОРТЕ ИЗ СЭНДВИЧ-ПАНЕЛИ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Хватков И.А.

Хватков Илья Александрович - старший специалист, отдел эксплуатации систем газоснабжения и комплектов пневмовакуумного оборудования,

Филиал

Федеральное государственное унитарное предприятие «Центр эксплуатации объектов наземной космической инфраструктуры» «Космический центр «Восточный», г. Циолковский

Аннотация: в данной статье проведена работа по расчету прочностных, жесткостных, теплоизоляционных и массовых характеристик настила пола в общественном железнодорожном и автомобильном транспорте из сэндвич-панели с применением композиционных материалов и сравнение их с аналогами, изготовленными из фанеры. Расчет выполнен при помощи метода конечных

элементов, реализованного в программном пакете ЛЫ8У8. На основе проведенной работы были получены характеристики сэндвич-панели, изготовленной из композиционного материала. Сравнение с аналогами показало, что предлагаемый настил пола на 25 % легче, имеет в 5 раз меньше коэффициент теплопроводности и более высокую жесткость.

Ключевые слова: настил, сэндвич-панель, композиционный, ЛЫ8У8, транспорт.

Для настила пола в железнодорожном и автомобильном транспорте предлагается использовать сэндвич-панели. Сэндвич-конструкции имеют следующий ряд преимуществ перед аналогами, изготовленными из фанеры:

- интегрированная тепло- и шумоизоляция за счет сотового или пенозаполнителя;

- высокая удельная прочность;

- отсутствие коррозии, высокая долговечность.

В качестве исходного варианта принят настил пола из фанеры толщиной 20 мм (в соответствии с рисунком 1), с укладкой слоев толщиной 1 мм под углом 90/0/90..., в качестве модифицированного варианта - настил из сэндвич-панелей (показан на рисунке 2).

Рис. 1. Параметры представительного элемента пола исходный вариант

Рис. 2. Модифицированный вариант элемента пола с обшивкой из сэндвич-панелей Наружная и внутренняя обшивки панели толщиной 3,5 и 2 мм. соответственно,

выполнены из хаотически армированного стеклопластика (далее ХАСП), изготовленного на основе стекломата с поверхностной плотностью 300 г/м2 и полиэфирной смолы. Заполнитель толщиной 40 мм - пенопласт плотностью 100 кг/м3.

Сравнительный расчет проведен по критерию жесткости, т.е. по величине максимальных вертикальных перемещений под воздействием заданных нагрузок. Весовая эффективность сэндвич-панелей проявится при создании конструкции пола с теми же прочностными, а не жесткостными характеристиками. В связи с этим дополнительно приведен расчет модифицированного варианта с толщиной наружной 2,5 мм, внутренней 1 мм по критерию прочности из которого подобраны параметры облегченной сэндвич-панели.

Панели настила пола в обоих вариантах вклеены в каркас при помощи слоя полиуретанового низкомодульного клея высотой 6 мм, шириной 35 мм (см. рисунок 2).

Таблица 1. Характеристики материалов, используемые в конструкциях пола

Характеристики Фанера Стеклопластик Пенопласт Клеевой слой

Е, МПа 8 000 11 000 (псевдоизотропность) 12,5 7,45

Ц 0,15 0,25 0,15 0,49

Р, кг/м3 600 1600 100 -

При сравнительном расчете считается, что основной нагрузкой на сэндвич-панель пола является вес стоящих на ней пассажиров, определяемый согласно [1]:

- номинальная нагрузка при определении жесткости: 5 человек /м2;

- максимальная расчетная нагрузка при проверке прочности: 10 человек /м2.

Нагрузки в плоскости панели воспринимают металлические балки каркаса пола. Расчетные схемы исходного и модифицированного вариантов представлены на рисунке 3. Так как металлический каркас обладает на несколько порядков большей изгибной жесткостью, чем настил пола, объекты расчета считались жестко защемленными по кромке (по кромке наружной обшивки в случае сэндвич-панели).

Расчет прогибов обшивки пола под действием весовых нагрузок согласно условиям закрепления произведён при помощи метода конечных элементов, реализованного в программном пакете ANSYS [2]. Конечно-элементные модели рассчитываемых элементов конструкций представлены на рисунках Ошибка! сточник ссылки не найден. и 5. Для упрощения задачи, соединение листов обшивки и силового каркаса в обоих случаях было принято абсолютно жестким - контактный алгоритм типа Bonded [2].

Давление распределено равномерно по всей поверхности панелей. Величина давления при определении жесткости конструкций определено из номинальной нагрузки пассажиров в салоне транспорта (5 человек /м2 [1]): P = рптп-9,8 = 5-70-9,8 = 3430 Па,

где рп - номинальная плотность пассажиров в салоне (человек/м2), тп - масса одного пассажира согласно[1] (кг).

Рис. 3. Условия нагружения и закрепления а) представительного элемента пола исходного варианта б) модели представительного элемента с сэндвич панелью (при оценке жесткости и прочности)

Величина давления при оценке прочности конструкций определялась из максимальной плотности пассажиров в салоне (10 человек/м2 [1]):

P = рптп-9,8 = 10-70-9,8 = 6870 Па,

Расчет выполнен при помощи метода конечных элементов, реализованного в программном пакете ANSYS. Для расчета использована комбинированная расчетная модель (рисунок 5(а)): листы хаотически армированного стеклопластика (ХАСП) смоделированы оболочечными элементами типа Shell [2], пенозаполнитель панели и клеевой слой - твердотельными элементами типа Solid [2]. Это позволило избежать значительного уменьшения размеров конечных элементов, средний размер которых составил 5 мм.

Рис. 4. Конечно-элементная модель представительного элемента пола прототипа

Рис. 5. Расчетная модель: а) геометрическая модель, разбитая сеткой конечных элементов;

б) граничные условия и нагрузки

Ввиду симметричности конструкции и внешней нагрузки при оценке прочности рассмотрена % часть сэндвич-панели. Для поверхностей, находящихся на плоскостях симметрии задавались граничные условия «Frictionless Support» [2], для граней -«Displacement» [2], запрещающие перемещения, противоречащие условиям симметрии. На нижней стороне клеевого слоя, которая крепится к квадратному металлическому профилю, задано закрепление «Fixed Support» [2], запрещающее любые перемещения (жесткость металлического каркаса на порядки выше, чем у сэндвич-панели и клеевого слоя, поэтому можно считать его абсолютно жестким). Давление приложено по площади панели, составляло 7000 Н/м2 (как показано на рисунке 5(б)).

При расчетах свойства материалов заданы в соответствии с таблицей 1. ХАСП, полиуретановый клей и заполнитель считались псевдоизотропными, упругими материалами.

Условие прочности для заполнителя имеет вид:

7 < №,

где 7^ - первое главное напряжение, МПа,

[т]^ - предел прочности заполнителя на сдвиг, МПа. Условие прочности для обшивок выглядит следующим образом: 71 < [(}ВР ; |7з| < [7^вс ;

где 7- первое и третье главные напряжения соответственно, МПа;

[(]вр, [(~]вс - предел прочности ХАСП на растяжение и сжатие соответственно.

При этом считается, что прочность соединения между композитными обшивками и заполнителем панели превосходит прочность самого заполнителя.

Результаты расчета по оценке жесткости показаны в таблице 2 и на рисунках Ошибка! Источник ссылки не найден. и Ошибка! Источник ссылки не найден..

Таблица 2. Результаты расчета элементов пола

Представительный элемент Величина максимального прогиба, мм

Аналог 0,643

Предлагаемого варианта исполнения обшивки (пола) 0,536

Рис. 6. Картина перемещений представительного элемента пола

Рис. 7. Картина перемещений представительного элемента предлагаемого варианта

исполнения обшивки (пола)

Как видно из результатов расчета, перемещения в представительном элементе предлагаемого варианта исполнения обшивки несколько меньше, чем для исходного варианта. Это означает, что жёсткость предлагаемого варианта элемента пола выше соответствующей величины исходного фанерного настила.

Результаты расчета модифицированного варианта сэндвич-панели пола по критерию прочности приведены в таблице 3 а также на рисунках 8 - 12.

Таблица 3. Результаты расчета модифицированного варианта

Тип напряжения Расчётная величина Допускаемая величина

Первое главное напряжение (заполнитель), МПа 0,30 0,8

Первое главное напряжение (стеклопластик), МПа 10 60 МПа

Третье главное напряжение (стеклопластик), МПа 4,5 60 МПа

Эквивалентное напряжение (по критерию Мизеса) (клеевой слой), МПа 0,15 6 МПа

Рис. 8. Распределение первого главного напряжения в заполнителе, Па

Рис. 9. Распределение первого главного напряжения в стеклопластике, Па

Рис. 10. Распределение третьего главного напряжения в стеклопластике, Па

Рис. 11. Распределение эквивалентного напряжения в клее (области, соответствующие максимальным напряжениям выделены окружностями), Па

Как видно, условие прочности для модифицированного варианта сэндвич-панели пола выполнено.

Для снижения величины трансверсальных напряжений и устранения возможности адгезионного разрушения клеевого слоя в областях, выделенных на рисунке 11, рекомендуется применить армирующие элементы: самонарезающие винты, вытяжные заклепки диаметром до 2,5 мм (как показано на рисунке 12).

Рис. 12. Схема армирования соединения сэндвич-панели и каркаса пола

Расчет показывает, что при толщине наружной обшивки 2,5 мм, внутренней обшивки 1 мм сэндвич-панель удовлетворяет условию прочности. При этом максимальный прогиб сэндвич-панели составляет 1,48 мм, т.е. примерно в два раза больше, чем у исходного варианта.

Коэффициент теплопередачи определен согласно известной формуле для плоских многослойных стенок:

1 Вт/(м2оС)

~ 1 Г'

— +/ ^г +— а Л1■ а2

где 1_! - толщина ьго слоя стенки (м);

-коэффициент теплопроводности ¡-го слоя стенки (Вт/(м2 оС)); Г 2 -коэффициент теплоотдачи холодному теплоносителю (Вт/(м2 оС)). Коэффициенты теплопроводности материалов, используемых в сравниваемых вариантах настила пола вагона, а также результаты расчета общих коэффициентов теплопередачи представлены в таблице 4.

Таблица 4. Значения характеристик теплопроводности

Слой Толщина слоя Ь, мм Коэффициент теплопровод ности, Вт/(моС) Средний коэффициент теплоотдачи внутренней поверхности, Вт/(м2оС) Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности нижняя оценка [11], Вт/(м2оС) Коэффициент теплопер едачи, Вт/ (м2оС)

Сэндвич-панель из условия сохранения жесткости

1. Внешняя обшивка 3,5 0,13 - 23 0,65

2. Внутренняя обшивка 2 0,13 8,7 -

3. Заполнител ь (Divinycell) 40 0,03 -

Сэндвич-панель из выполнения условия прочности

1. Внешняя обшивка 2,5 0,13 - 23 0,66

2. Внутренняя обшивка 1 0,13 8,7 -

3. Заполнител ь (Divinycell) 40 0,03 -

Фанерный настил

Фанера 20 0,15 8,7 23 3,4

Как видно из таблицы, модифицированный вариант сохраняет тепло практически в 5 раз эффективнее, чем исходный.

Массы исходного и предлагаемого вариантов конструкции настила пола представлены в таблице 5.

Вариант Масса представительного элемента, кг Сравнение с исходным вариантом, %

Исходный (фанера 20 мм) 15,4 100

Модифицированный из условия одинаковой жесткости 16,3 106

Модифицированный из условия прочности 11,8 77%

Сэндвич-панель, параметры которой подобраны из условия сохранения прочности, легче на 25%, имеет практически в 5 раз меньший коэффициент теплопроводности и в 2 раза меньшую жесткость. Условие прочности при локальном нагружении будет выполнено при условии применения низкомодульного напольного покрытия в салоне вагона (например, линолеум), увеличивающего размеры зоны контакта обуви пассажиров, ручной клади с наружной обшивкой панели.

Список литературы

1. ГОСТ 8802-78 Вагоны трамвайные пассажирские: Технические условия. М.: Изд-во стандартов,1979г.

2. Иванов Д.В., Доль А.В. Введение в Ansys/ Учебно-методическое пособие для студенов естественно -научных дисциплин. Саратов: Амирит, 2016. 56 с.: ил.

ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ КАРТ

1 2 Ишкинина Л.М. , Камильянова А.Д.

1Ишкинина Лилия Мансуровна - магистрант; 2Камильянова Анастасия Данииловна - магистрант, направление: информационные системы и технологии, кафедра геоинформационных систем, Уфимский государственный авиационный технический университет,

г. Уфа

Аннотация: в данной статье анализируются способы повышения производительности карт, оптимизация быстрой отрисовки пространственных объектов и слоев. Также отражены достоинства и недостатки типов объектов и символов. Ключевые слова: карты, оптимизация, отрисовка, ГИС, ЛгсОШ.

Чтобы добиться быстрого и адекватного обслуживания пользователей не нужно использовать большое количество физических серверов или наращивать мощности мобильных устройств, но нужно добиваться быстрого отображения карт в приложениях.

Существует большое число методов, которые можно применять с целью усовершенствования производительности отображения пространственных объектов и карт. Карты, которые быстрее отображаются, будут хорошей основой для ГИС-анализа и сбора данных и при опубликовании на сервисах предоставят лучшую среду работы для пользователей [1, с. 2]. Основные приемы улучшения производительности отображения карт:

- оптимизация установок данных;

- оптимизация слоев, растров и компоновок;