Обоснование динамической модели упругого кузова двухэтажного пассажирского вагона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Обоснование динамической модели упругого кузова двухэтажного пассажирского вагона

Медев, В.В. Кобищанов, Д.Я. Антипин, С.Д. Коршунов

Аннотация

Выполнена оценка адекватности компьютерной модели кузова двухэтажного купейного пассажирского вагона для расчета собственной частоты первого тона изгибных колебаний в вертикальной плоскости. Исследования проведены на основе аналитических зависимостей нормативных документов, методов математического моделирования вибраций кузова, экспериментальных данных.

Ключевые слова: двухэтажный пассажирский вагон, упругий кузов, динамическая модель, математическое моделирование, метод конечных элементов, вибрационные испытания, собственная частота, изгибные колебания.

Abstract

The aim of this work consists in choosing a rational way for the definition of self-resonant frequency in car body bending vibrations of a bilevel car.

A test subject is the car body of a bilevel car of the model 61-4465 manufactured by the Company «Tver Wagon Works».

The vibration tests of a bilevel car were modeled. Test results were compared to the data of actual test and a computation on the recommendations of regulations.

There is developed a lamellar finite-element model of a bilevel car carcass with its stiffness corresponding to a real car body. The assessment of self-resonant frequency in car body bending vibrations was carried out on basis of three variants of its model differed with the distribution of car body gross weight: uniformly throughout the whole of metalware; throughout the parts of metalware in accordance with mass position in a real car; taking into account the influence of partition rigidity in compartments and service rooms. The comparison of modeling results with the use of models described and results of actual tests shows their satisfactory correspondence that allows approaching to dynamic values of a real car body at the investigation of its loading by the methods of computer simulation.

Key words: bilevel car, elastic car body, dynamic model, mathematic modeling, finite element, vibration test, self-resonant frequency, bending vibrations.

Для предварительной оценки параметров проектируемого вагона (прочности, надежности, динамических показателей и т. д.) выполняют моделирование его нагруженности.

Металлоконструкции кузовов одноэтажных и двухэтажных пассажирских вагонов отличаются по весовым и жесткостным характеристикам: кузов двухэтажного вагона тяжелее и выше кузова одноэтажного, к тому же в средней части он имеет понижение, что делает его более жестким. В связи с этим целесообразно оценить влияние указанных конструктивных особенностей на собственные частоты изгибных колебаний кузова и соответствие их п. 5. 12 «Норм…» [1].

Целью работы является выбор рационального способа определения методами математического моделирования собственных частот изгибных колебаний кузова двухэтажного пассажирского вагона.

Объектом исследования служит кузов двухэтажного пассажирского купейного вагона модели 61-4465 (рис. 1) производства ОАО «Тверской вагоностроительный завод» [2]. Вагон предназначен для эксплуатации в составе пассажирских поездов постоянного формирования на участках электрифицированных железных дорог колеи 1520 мм со скоростями до 160 км/ч.

Рис. 1. Двухэтажный купейный пассажирский вагон модели 61 - 4465

Моделировались вибрационные испытания двухэтажного пассажирского купейного вагона. При этом определялись собственные частоты изгибных колебаний кузова в вертикальной плоскости с учетом жесткостных параметров перегородок и фактического распределения массы брутто по модели металлоконструкции кузова.

Полученные результаты сравнивались с результатами натурных испытаний и расчетом по условиям «Норм…».

На основе метода конечных элементов разработана пластинчатая модель несущей конструкции кузова двухэтажного пассажирского вагона (рис. 2) в среде графического ядра моделирования Siemens PLM Femap 10.3 расчетного программного комплекса NX Nastran [3]. Модель состоит из 7,2•10⁴ трех- и четырехузловых пластинчатых элементов, объединенных 6,3•10⁴ узлами, и обладает 4,3•10⁵ степенями свободы. По параметру жесткости модель соответствует реальному кузову, что было определено в работе [4].

Рис. 12.2. Пластинчатая конечноэлементная модель кузова двухэтажного пассажирского вагона

Оценка собственных частот изгибных колебаний кузова проводилась на основе конечноэлементной модели тремя способами:

1) распределения массы брутто кузова (59,1 т) по всей металлоконструкции;

2) распределения массы брутто кузова по частям металлоконструкции в соответствии с положением масс в реальном вагоне;

3) распределения массы брутто кузова по частям металлоконструкции в соответствии с положением масс в реальном вагоне и с учетом влияния жесткости межкупейных перегородок, перегородок служебных помещений.

Первый способ самый простой и достаточно быстрый, но он не учитывает локальное размещение масс в кузове вагона.

Второй способ более сложный, он предполагает уточненное размещение масс оборудования, элементов отделки, полезной нагрузки и т. д. по модели кузова в зависимости от их зоны расположения [5]. Для упрощения моделирования кузов был разделен на три части: среднюю (салонную, с понижением) и две концевые.

Третий способ в дополнение ко второму учитывает влияние жесткости перегородок пассажирских купе, служебных помещений. Перегородки моделировались конечно-элементными пластинами, по упругости и толщине имитирующими реальные перегородки. Крепление перегородок к модели кузова осуществлялось при помощи специальных абсолютно жестких стержневых элементов.

При всех способах масса брутто кузова распределяется путем изменения плотности материала конечных элементов модели. При проведении расчетов закрепление расчетных схем в пространстве осуществлялось в соответствии с условиями испытаний [6]. Связь в вертикальном направлении выполнена в зоне расположения скользунов, в горизонтальном поперечном направлении - в зоне пятников. Горизонтальная продольная связь кузова расположена в середине его длины.

В работе выполнялся редварительный расчет собственной частоты первого тона изгибных колебаний в вертикальной плоскости по требованиям «Норм…», в соответствии с которыми частота колебаний кузова должна быть не менее 10 Гц.

Результаты моделирования и расчета по «Нормам…» сопоставлены в таблице с результатами натурных стендовых испытаний вагона [6-9].

Таблица 1 Расчетные и экспериментальные значения частоты изгибных колебаний кузова вагона

Сопоставление результатов моделирования вибрационных испытаний кузова третьим способом с результатами натурных стендовых испытаний показывает их удовлетворительное сооветствие (расхождение не превышает 8,8%).

Таким образом, использование динамической модели двухэтажного вагона с упругим кузовом, распределение его масс по длине и высоте с учетом жесткости перегородок пассажирских купе и служебных помещений позволяют приблизиться к динамическим показателям реального кузова, в том числе при моделировании движения вагона по неровностям пути.

компьютерный колебание вибрация кузов

Список литературы

1. Нормы для расчета и проектирования новых и модернизируемых вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). - М.: ВНИИВ-ВНИИЖТ, 1983. - 260 с.

2. ОАО «Тверской вагоностроительный завод». - Режим доступа: http://www.tvz.ru/.

3. Шимкович, Д.Г. Расчет конструкций в MSC/NASTRAN for Windows/Д.Г. Шимкович. - М.: ДМК Пресс, 2001. - 448 с.

4. Лебедев В.А. Напряжения в элементах двухэтажного пассажирского вагона/ В.А. Лебедев, Н.А. Заглядова // Мир транспорта. - 2012. - № 6.

5. Вагон пассажирский двухэтажный купейный со спальными местами модели 61-4465. Определение массы и координат центра тяжести кузова: отчет о НИР. - Тверь: Твер. вагоностроит. з-д, 2010. - 38 с.

6. Предварительные испытания. Металлоконструкция кузова пассажирского купейного вагона со спальными местами модели 61-4465. Определение собственной частоты изгибных колебаний: отчет о НИР. - Тверь: Твер. ин-т вагоностроения, 2012. - 11 с.

7. Коршунов С.Д. Современные методы испытаний железнодорожного подвижного состава, прошедшего ремонты различных объемов и вновь построенного/ С.Д. Коршунов, С.Л. Самошкин// Вагонный парк.- 2012.- №7.- С.15-18.

8. РД 24.050.37-95. Вагоны грузовые и пассажирские. Методы испытаний на прочность и ходовые качества.- М.: ГосНИИ вагоностроения, 1995. -100 с.

9. ОСТ 24.050.37. Плавность хода.- М.: ГосНИИ вагоностроения, 1995. -10с.

Размещено на Allbest.ru