Совершенствование конструкций массивных несущих деталей подвижного состава на основе анализа напряженно-деформированного состояния при эксплуатационных и технологических воздействиях

• Автор: Саврухин, Андрей Викторович
• Шифр специальности: 05.22.07
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 349 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ конструкции и данных по повреждаемости корпусов автосцепок в эксплуатации

1.2. Анализ конструкции, технологии изготовления и данных

по отказам цельнокатаных колес вагонов в эксплуатации.

1.3. Анализ методов расчетной и экспериментальной оценки тепловых, деформационных и термодеформационных процессов и структурных превращений при технологических воздействиях, связанных с изготовлением, ремонтом и эксплуатацией.

1.4. Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования

2. РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ, ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
2.1. Разработка методики моделирования нелинейных нестационарных процессов теплопроводности применительно к конструктивным элементам железнодорожного транспорта
2.2. Разработка методов моделирования кинетики НДС в трехмерной постановке применительно к наиболее ответственным элементам конструкций подвижного состава
2.3. Разработка методики решения нелинейных, нестационарных задач термоупругопластичности применительно к эксплуатационным и технологическим воздействиям на элементы подвижного состава
2.4. Разработка методики компьютерного моделирования кинетики структурных и фазовых превращений в колесной стали марки 2
2.5. Выводы по главе 2.
3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
ТЕРМОДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ И
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ В ЭЛЕМЕНТАХ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА.
3.1. Принципы построения и требования к программному обеспечению для реализации поставленных задач. Структура программного комплекса
3.2. Особенности реализации решения трехмерных нелинейных, нестационарных задач термоупругопластичности в объемной постановке.
3.3. Верификация математического аппарата и программного обеспечения.
3.4. Выводы по главе 3.
4. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДОВ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕМЕНТАХ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА ПРИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО СОВЕРШЕНСТВОВАНИЮ КОНСТРУКТИВНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕН ИЙ С УЧЕТОМ РАБОТЫ МАТЕРИАЛА В УПРУГОПЛАСТИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ.
4.1. Моделирование и уточненная оценка НДС наиболее часто повреждаемых зон корпуса автосцепки на основе использования КЭМ повышенной степени дискретизации. Определение схем и уровня
нагрузок, соответствующих переходу материала в упругопластическую область в зонах концентрации напряжений
4.1.1. Анализ напряженнодеформированного состояния зоны перехода от головы автосцепки к хвостовику со стороны малого зуба.
4.1.2. Рекомендации по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки в зоне перехода от головы автосцепки к хвостовику и обоснование их эффективности на основе результатов компьютерного моделирования
4.1.3. Анализ особенностей формирования граничных условий
при компьютерном моделировании взаимодействия перемычки хвостовика с клином тягового хомута и упорной
4.2. Анализ напряженнодеформированного состояния перемычки хвостовика автосцепки на основе решения задач в упругопластической области с учетом предыстории нагружения при различных схемах и уровне нагруженности в эксплуатации
4.2.1. Разработка конечноэлементной модели для компьютерного моделирования процессов взаимодействия перемычки хвостовика с упорной плитой и клином тягового
ц 4.2.2. Анализ напряженнодеформированного состояния
перемычки хвостовика при действии растягивающего усилия на автосцепку в эксплуатации
4.2.3. Анализ напряженнодеформированного состояния
перемычки хвостовика при действии сжимающих сил, соответствующих нормативным усилиям 3 МН.
4.2.4. Анализ напряженнодеформированного состояния
перемычки хвостовика при действии сил растяжения и сжатия на автосцепку в эксплуатации с учетом предыстории нагружения.
4.2.5. Анализ напряженнодеформированного состояния
перемычки хвостовика автосцепки с измененной
конструкцией. Верификация результатов компьютерного моделирования на основе сопоставления результатов расчета
с экспериментом
4.2.6. Разработка рекомендаций по совершенствованию конструкции перемычки хвостовика автосцепки. Анализ напряженнодеформированного состояния перемычки хвостовика предлагаемой конструкции и обоснование
эффективности конструктивных изменений на основе результатов компьютерного моделирования
4.3. Обобщенные рекомендации по совершенствованию конструкции корпуса автосцепки на основе результатов компьютерного моделирования НДС с учетом работы материала в упругопластической области
4.4. Компьютерное моделирование кинетики напряженнодеформированного состояния цельнокатаного колеса в условиях термического воздействия, связанного с термообработкой при изготовлении на основе разработанной методики и программного обеспечения решения нелинейной нестационарной задачи термоупругопластичности
4.4.1. Разработка методики компьютерного моделирования кинетики тепловых процессов, структурообразования и напряженнодеформированного состояния цельнокатаного колеса вагона при термической обработке, включающей закалку и последующий отпуск
4.4.2. Анализ кинетики тепловых и термодеформационных процессов, а также структурных превращений в цельнокатаном колесе при различных режимах закалки и отпуска.
4.5. Разработка рекомендаций по совершенствованию технологического процесса термической обработки цельнокатаных
колес .
4.6.Выводы по главе 4.
5. РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ РАСЧЕТНОЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО МЕТОДА ДЛЯ ОЦЕНКИ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ В НАИБОЛЕЕ ПОВРЕЖДАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТАХ КОНСТРУКЦИЙ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА. ВЕРИФИКАЦИЯ
РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ
5.1. Разработка методики применения магнитоупругого метода для оценки напряженнодеформированного состояния элементов конструкций подвижного состава. Основные принципы оценки напряженнодеформированного состояния на основе использования
магнитоупругого метода.
5.1.1. Особенности применения магнитоупругого метода для ф оценки остаточных напряжений в ободе цельнокатаного
колеса после термообработки. Анализ результатов
экспериментальных исследований и сопоставление с результатами расчетов.
5.2. Разработка расчетноэкспериментального метода заводского контроля остаточных напряжений в цельнокатаных колесах вагонов после термообработки.
5.3. Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Основным условием достижения необходимого уровня прочности элементов подвижного состава, согласно действующим нормам для расчета и проектирования вагонов , является выполнение нормативных условий, из которых одним из главных является не превышение эквивалентными напряжениями в элементах конструкции допускаемых значений при действии нагрузок, соответствующих I и III режимам нагружения. Важным фактором в этом процессе является определение напряженнодеформированного состояния конструкции. Случаи хрупкого разрушения стальных строительных конструкций при низком уровне номинальных растягивающих напряжений отмечались еще в прошлом столетии . Отсутствие заметных пластических деформаций в зонах разрушения таких конструкций инженеры и ученые объясняли наличием в материале структурных или технологических дефектов. Многофакторность хрупкого разрушения металлоконструкций, взаимное влияние различных факторов и недостаточно изученная степень их раздельного воздействия и взаимного влияния, а также в связи с этим затруднения в расчетном и экспериментальном моделированиях процессов хрупкого разрушения стали и стальных конструкций до сих пор не позволяют решить проблему хрупкого разрушения в полном объеме. В м столетии в России и за рубежом интенсивно проводились исследования, направленные на развитие основ механики деформируемого твердого тела, механики разрушения и физикомеханического моделирования реальных процессов силового и теплового деформирования. В развитие науки о прочности внесли большой вклад такие ученые как Гриффитс А. А., Ирвин Дж. Орован О. Е., Черепанов Г. П., Панасюк В. А., Иванова В. С., Писаренко Г. С. и др. В многочисленных работах . В работах этих авторов проводится углубленный анализ разрушения конструкций. По современным представлениям , разрушение является многостадийным процессом, развивающимся во времени в локальных объемах металла и приводящим к глобальному нестабильному разделению при достижении предельного состояния. Процесс разрушения развивается и осуществляется в так называемой зоне предразрушения у вершины трещины, в которой благодаря упругопластическому деформированию, высокому уровню и жесткости напряженного состояния, возникают субмикродефекты 0,1. Во многих исследованиях , , излагается влияние физической структуры материала, концентрации напряжений от включений, внутренних и внешних дефектов, сварки, термической и механической обработки, характера и продолжительности нагрузок. С начала х годов стали интенсивно развиваться численные методы оценки напряженнодеформированного состояния и прочности конструкций на ЭВМ. Начало этому направлению было положено в работах Аргириса, а в нашей стране исследованиями А. Ф. Смирнова и учеников его школы, А. П. Филина, В. А. Постнова и др. Среди численных методов широкое практическое применение завоевал МКЭ, по которому в настоящее врет имеется обширная литература и мощное программное обеспечение. Проблемам изучения причин и характера усталостных повреждений посвящены многочисленные исследования С. В. Серенсена, В. П. Когаева, А. П. Гусенкова, В. С. Ивановой, Н. А. Махутова, Н. А. Костенко и др. Наряду с расчетами на многоцикловую усталость в последние лет большое внимание уделяется малоцикловой усталости, особенно при расчетах элементов машиностроительных конструкций, подвергающихся интенсивному силовому воздействию, концентрированных источников теплоты, а также при наличии в конструкциях зон с высокой концентрацией напряжений Большой объем исследований по развитию методов расчета на прочность, икомпыотерного моделирования, эксплуатационной нагруженности и совершенствования конструкций подвижного состава ПС железных дорог выполнен в работах ведущих ученых Л. А. Шадура, В. Д. Хусидова, В. Н. Котуранова, А. Н. Савоськина, С. Н. Киселева, Г. П. Бурчака, И. В. Бирюкова, Г. И. Петрова, В. В. Кобищанова, М. Н. Овечникова, Хохлова, М. М. Болотина, П. С. Анисимова, В. Н. Филиппова, А. И. Быкова, С. В. Беспалько, Р. И. Зайнетдинова, . Н. Воронина, П. А. Устича, В. П. Лозбинева, Ю. М. Черкашина, Смольянинова, Ю. П. Бороненко и др.