.
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
| Номер точки |
Координата Х |
Координата Y |
Координата Z |
| 1 |
0 |
0 |
0 |
| 2 |
1,85 |
0 |
0 |
| 3 |
11,05 |
0 |
0 |
| 4 |
12,9 |
0 |
0 |
| 5 |
0 |
2 |
0 |
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 с
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] = кп
·σт
где кп
– коэффициент запаса прочности, кп
– 0,9; [3]
σт
- предел текучести, для стали 09Г2Д σт
– 310 МПа; [2]
[σ] = 0,9·310=279 МПа
Рисунок 2 – Контурное распределение полей эквивалентных напряжений.
Условие прочности элементов вагона выражается в следующем виде:
σр
≤ [σ]
где σр 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.