CC BY
37
УДК 629.4.027.23:004.42
Ю. И. Матяш, А. О. Вельский
ВЫБОР ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ РАСЧЕТА БОКОВОЙ РАМЫ ТЕЛЕЖКИ
В статье проведен анализ двух наиболее распространенных программных комплексов - ANSYS и SolidWorks Simulation - для расчета методом конечных элементов конструкции бокового рамы, а также даны рекомендации о возможном применении указанных комплексов в теоретических исследованиях.
В последние десятилетия в различных отраслях промышленности во всем мире на этапе разработки новых технических решений и оптимизации старых получил широкое применение и занял ведущее место метод конечных элементов (МКЭ). До начала 90-х гг. при расчетах на прочность в научных организациях и на промышленных железнодорожных предприятиях использовались программы, составленные собственными энтузиастами. При этом каждая программа могла применяться только для той детали, для которой она разрабатывалась. Любые изменения в конструкции детали требовали пересмотра кода программы, что было неудобно и требовало значительных временных затрат, поэтому начали разрабатываться универсальные программные комплексы, применение которых не ограничивается формой детали.
В настоящее время на рынке программных продуктов представлено множество универсальных программных комплексов, разработанных на основе МКЭ. Благодаря мощности современных компьютеров применение того или иного программного продукта показало не только удобство его использования, но и эффективность в плане решения поставленных задач.
На сегодняшний день наиболее распространенными универсальными программными комплексами для исследования конструкции МКЭ являются ANSYS фирмы ANSYSInc и SolidWorks с модулем Simulation компании Dassault Systems.
Для выбора программного комплекса и анализа возможности его применения к решению задач по численному исследованию прочности конструкции железнодорожных деталей и узлов проведем исследование прочности боковой рамы тележки модели 18 - 100 грузового вагона. Боковая рама является одной из наиболее ответственных деталей грузового вагона, от которой зависит безопасность движения, эта рама является самой распространенной на сети российских железных дорог и стран СНГ.
Теоретические исследования прочности боковой рамы проведем в соответствии с «Нормами для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог колеи 1520 мм (несамоходных)» 1996 г. (далее - «Нормами...») [1].
Независимо от вида программного комплекса анализ прочности боковой рамы тележки, созданной на основе МКЭ, можно условно разделить на следующие этапы:
1) создание трехмерной модели боковой рамы;
2) построение сетки конечных элементов;
3) задание свойств материала для боковой рамы;
4) задание граничных условий;
5) определение нагрузок;
6) анализ результата расчетов.
При создании трехмерной модели боковой рамы следует учитывать, что в каждом программном комплексе - собственные графические редакторы, различающиеся не только функциями, но и методологией построения. Трехмерные модели боковой рамы разрабатывались на основе чертежей «ОАО «НПК Уралвагонзавод». Для построения идентичных моделей боковины в программе ANSYS потребуется значительно больше временных затрат, чем в SolidWorks. Это объясняется тем, что у программы SolidWorks - более современный графи-
Подвижной состав железных дорог
ческий интерфейс с возможностью широкого использования технических средств, что существенно облегчает построение модели, а построение модели боковой рамы в ANSYS осуществляется практически командным способом. В SolidWorks имеется возможность параметрического моделирования: размеры модели можно задавать зависимыми друг от друга, что наряду со свободным доступом к элементам, из которых построена модель боковой рамы, дает возможность изменения конструкции без особых затруднений при проведении ее оптимизации. В программе ANSYS при проведении оптимизации конструкции инженеру-расчетчику вручную придется полностью перестраивать модель боковой рамы.
Одним из наиболее важных этапов при проведении расчетов МКЭ является создание конечно-элементной сетки, покрывающей модель. В программном комплексе ANSYS имеется два основных метода построения сетки: построение произвольной и упорядоченной сетки. Произвольная сетка строится автоматически, при этом соседние конечные элементы (КЭ) могут существенно отличаться друг от друга по размерам. Практика расчетов с применением МКЭ показывает, что упорядоченная сетка является более предпочтительной, чем произвольная, с точки зрения как быстродействия, так и вычислений. Основными параметрами, характеризующими сетку КЭ, являются тип КЭ, из которых будет создана сетка, и размер КЭ. В программе ANSYS при расчете задач механики твердого тела имеется 94 элемента с различными свойствами и параметрами. Сетка КЭ, созданная в программном комплексе ANSYS, может состоять из КЭ, отличающихся друг от друга типами и параметрами. Конечно-элементная сетка в SolidWorks Simulation создается только автоматически и состоит только из одного типа КЭ, так как других в программе разработчиками не предусмотрено. Функционал программного комплекса ANSYS по созданию конечно-элементной сетки модели больше, чем SolidWorks Simulation, и область применения программного комплекса ANSYS значительно расширяется.
Для проведения сравнительных расчетов на прочность в программном комплексе ANSYS конечно-элементную сетку создадим по аналогии с сеткой КЭ SolidWorks Simulation, используя автоматический метод построения конечно-элементной сетки с аналогичным типом КЭ и с идентичными размерами. Параметры созданных конечно-элементных сеток моделей боковых рам приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Параметры созданных сеток в программных комплексах ANSYS и SolidWorks Simulation
Параметр Программный комплекс
ANSYS SolidWorks Simulation
Размер КЭ, мм 10 10
Число типов КЭ, шт. 1 1
Всего узлов, шт. 171109 212563
Всего элементов, шт. 93204 119366
При создании сетки КЭ в программных комплексах ANSYS и SolidWorks Simulation с идентичными параметрами имеются различия в числе узлов и количестве КЭ сетки. При этом конечно-элементные сетки моделей, согласно встроенным механизмам проверки построения конечно-элементной сетки, созданы без ошибок. Различие в количестве элементов и узлов объясняется различными алгоритмами построения самой сетки КЭ, заложенными разработчиками в программные комплексы.
При задании свойств материала его параметры определяются в соответствии с ОСТ 32.183-2004 [2]. Следует отметить, что моделируемый материал в ANSYS имеет значительно больше характеристик, чем в SolidWorks Simulation, но и имеющихся характеристик материала в SolidWorks Simulation достаточно, чтобы описать модель материала в соответствии с требованиями «Норм...». Дополнительные характеристики материала программного комплекса ANSYS требуются в таких расчетах, например, как механика разрушения деталей.
Функционал программных комплексов ANSYS и SolidWorks Simulation в части приложения и выбора типа нагрузок, действующих на модель, а также задания граничных условий
12 ИЗВЕСТИЯ Транссиба N;n1'5)
практически одинаков, за исключением того, что в ANSYS нагрузки и граничные условия можно прикладывать не только к поверхности модели (как в SolidWorks Simulation), но и КЭ или к группе КЭ.
Величина и сочетание расчетных нагрузок, действующих на боковую раму, определена в соответствии с рекомендациями работ [1, 3] и приведена в таблице 2, а схема приложения нагрузок показана на рисунке 1. При проведении сравнительно анализа будем считать, что боковая рама свободно лежит на двух опорах (см. рисунок 1), нагрузки считаем мгновенно приложенными к поверхностям и равномерно распределенными по ним.
Таблица 2 - Величина нагрузок для боковой рамы из расчета осевой нагрузки 23,5тс
Направление действующей силы Значение силы, Н
I режим III режим
Вертикальная нагрузка Р Продольная нагрузка Т 528400 154700 398800 44200
Рисунок 1 - Схема приложения нагрузок для расчета: Р и Т — вертикальная и продольная нагрузка
После того как были созданы модель боковой рамы и конечно-элементная сетка, заданы свойства материала, определены граничные условия и приложены нагрузки, проводится численный расчет.
Для удобства анализа результатов расчета в таблице 3 приведены значения эквивалентных напряжений в наиболее опасных местах боковой рамы (рисунок 2).
Рисунок 2 - Боковая рама с наиболее опасными местами возникновения трещин: 1,7 - наружный угол Ы55 буксового проема; 2,8 - внутренний угол буксового проема Ы55; 3 - 6 - кромки технологических окон боковой рамы; 5,11 и 6,12 - верхние и нижние углы рессорного проема
Результаты распределения эквивалентных напряжений (см. таблицу 2) показывают, что независимо от выбранного программного комплекса (при идентичных настройках расчетного модуля) результаты получаются схожими. Наиболее опасными местами в боковой раме являются внутренние 2 (см. рисунок 2) и наружные углы 8 буксового проема, кромки 4 и 10 технологических окон, нижние углы 6 и 12 рессорного проема. Это полностью соответствует практике эксплуатации боковой рамы тележки модели 18-100.
№ 1(5) 2011
Таблица 3 - Результаты расчета боковой рамы, МПа
Расчетный Места возникновения т эещин
режим, программный комплекс 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
I, ANSYS 170 307 169 273 150 238 34 238 102 220 115 280
I, SolidWorks Simulation 168 300 182 266 151 245 30 246 98 210 118 285
III, ANSYS 54 164 91 156 89 146 18 126 54 126 91 142
I, SolidWork Simulation 50 160 85 144 90 139 17 122 47 123 87 129
Отличительной особенностью проведенного сравнительного анализа является то, что в SolidWorks Simulation никаких других настроек, кроме примененных, задать или изменить нельзя, а в ANSYS расчет произведен с минимальным количеством необходимых параметров (идентичных SolidWorks Simulation).
Таким образом, для начального исследования конструкции детали и боковой рамы можно использовать оба программных комплекса - SolidWorks Simulation и ANSYS, а для более подробного исследования конструкции, например, механики разрушения твердого тела, динамического анализа, подходит только программный комплекс ANSYS.
Список литературы
1. Нормы для расчета и проектирования грузовых вагонов железных дорог колеи 1520 мм Российской Федерации [Текст] / ВНИИЖТ, НИИВ. - М., 1996. - 212 с.
2. ОСТ 32.183-2001. Тележки двухосные грузовых вагонов колеи 1520 мм. Детали литые. Рама боковая и балка надрессорная: Стандарт отрасли / МПС России. - М., 2001. - 21 с.
3. Конструирование и расчет вагонов: Учебник [Текст] / В. В. Лукин, Л. А. Шадур и др. / УМК МПС России. - М., 2000. - 731 с.
УДК 629.4.015:625.1.03
Р. Д. Сабиров
ПРОБЛЕМЫ УЧЕТА ПРОДОЛЬНОЙ НЕРАВНОУПРУГОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ПУТИ В ДИНАМИКЕ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
В статье предлагается обзор основных работ, посвященных изучению способов учета продольного нерав-ноупругости железнодорожного пути в динамике подвижного состава. Приведен критический анализ развития математического аппарата, описывающего движение подвижного состава по неравноупругому пути вдоль рельса. Сделан вывод, на основе которого предлагается дальнейшая проработка вопроса взаимодействия подвижного состава с неравноупругим путем.
Колебания железнодорожных экипажей в продольной вертикальной плоскости симметрии возникают по многим причинам: от изменения продольной силы, от неровностей поверхностей катания рельсов и бандажей, от неравноупругости пути по длине рельсового звена и др. Наиболее полно изучено взаимодействие пути и подвижного состава при движении по геометрическим неровностям. И лишь в 60-е - 90-е гг. XX в. появилось небольшое количество работ, посвященных анализу движения подвижного состава по неравноупругому пути вдоль рельса [ 1 - 8]. В настоящее время исследования по данной тематике не ведутся.
14 ИЗВЕСТИЯ Трансе НОТ Bjp
