6.2. Применение сапр в разработках Федерального государственного унитарного предприятия Государственный научно-исследовательский институт вагоностроения (Россия)

Одним из направлений деятельности Федерального государственного унитарного предприятия Государственный научно-исследовательский институт вагоностроения (ФГУП ГосНИИВ) является проведение прочностных расчетов конструкций железнодорожных вагонов для перевозки различных грузов. Конструкции вагонов зависят не только от характера перевозимых грузов, но и от множества других условий, которые необходимо принимать во внимание при конструировании подобного рода объектов. Следует отметить, что разработка проекта вагона требует значительных затрат времени, большая доля которого приходится на выполнение расчетных работ Особенно актуальной в настоящее время является проблема улучшения технико-экономических показателей подвижного состава для железных дорог. Объясняется это усилением конкуренции в вопросах производства вагонов. Для того чтобы преуспеть, необходимо прежде всего повышать качество и сокращать сроки выполнения заказов эксплуатирующих организаций. Кроме того, наблюдавшийся в прежние годы спад объемов перевозимых по железной дороге грузов закончился, и сегодня налицо увеличение грузооборота. Такая тенденция, судя по прогнозам, сохранится и в ближайшем будущем.

Все это потребует увеличения производства вагонов и улучшения их качественных показателей. Повышение прочности, надежности и долговечности вагонов необходимо сочетать с возможно меньшими затратами металла и других материалов, поскольку перевозка вагонов с излишним весом приводит к росту стоимости перевозок грузов по железной дороге. Вопросы оптимизации конструкции имеют особую актуальность и представляют большой интерес. Мало создать конструкцию вагона как таковую — необходимо, чтобы эта конструкция наилучшим образом отвечала условиям эксплуатации при наименьшей стоимости изготовления. Важно также снизить эксплуатационные расходы. Разработка оптимальной конструкции — вот та целевая функция, к которой необходимо стремиться и достижение которой составляет главную цель любого проектирования.

Для оценки прочности, жесткости, устойчивости и выносливости необходимо использовать современные математические методы, которые дают результаты, близкие к реальным. Таким универсальным решением вышеперечисленных задач является метод конечных элементов. Применение этого метода стало возможным благодаря использованию современных средств вычислительной техники и совершенного программного обеспечения. Прогресс, достигнутый в этих вопросах в последние 15-20 лет, позволил отказаться от частных решений и грубых моделей вагонов, использовавшихся ранее. Применение метода конечных элементов позволяет повысить степень приближения решения конструкторских задач к реальной действительности за счет создания более совершенных моделей. Только применение вычислительной техники способно существенно улучшить качество проектирования, поскольку при этом появляется возможность расчета многих вариантов конструкции с целью выбора оптимального решения еще на стадии проектирования.

Занимаясь анализом продуктов конечно-элементного анализа, которые представлены на российском рынке программного обеспечения, в 2004 году институт заинтересовался программным продуктом APM WinMachine. Эта система разрабатывается Научно-техническим центром Автоматизированного проектирования машин (НТЦ АПМ). В том же году, воспользовавшись возможностью детального знакомства с программой путем бесплатной опытной эксплуатации, было принято решение о приобретении системы автоматизированного расчета и проектирования металлических и строительных конструкций — комплекса APM StructFEM, входящего в линейку APM WinMachine. С этого момента данный программный продукт применяется для анализа прочности, жесткости и устойчивости вновь создаваемых вагонов и отдельных их элементов. APM StructFEM используется в следующей комплектации:

•  APM Structure3D (конечно-элементный анализ трехмерных моделей);

•  APM Joint (расчет и проектирование соединений элементов машин);

•  APM Graph (плоский графический редактор);

•  APM Data (база данных параметрических моделей и материалов).

В 2005 году институтом был выполнен ряд прочностных расчетов конструкций грузовых вагонов. Расчетные модели вагонов создавались в среде модуля APM Structure3D из пластинчатых и стержневых элементов. В качестве примера на рис. 6.12, 6.13 и 6.14 приведены пластинчато-стержневые расчетные модели вагонов-хопперов для перевозки цемента и минеральных удобрений. Фотографии этих вагонов, подготовленных к испытаниям, приведены на рис. 6.15 и 6.16. Расчетная модель вагона-хоппера для цемента состоит из 24 116 элементов, а расчетная модель вагона-хоппера для минеральных удобрений — из 55 270 элементов. Время расчета на компьютере с процессором АМD 3,2 МГц составило 20 и 50 минут соответственно. Некоторые результаты расчетов напряженно-деформированного состояния приведены на рис. 6.17 и 6.18.

 

Рис. 6.12. Пластинчато-стержневая расчетная модель вагона-хоппера для цемента

 

Рис. 6.13. Пластинчато-стержневая расчетная модель вагона-хоппера для цемента с приложенными к ней расчетными нагрузками

 

Рис. 6.14. Пластинчато-стержневая расчетная модель вагона-хоппера для минеральных удобрений

При неудовлетворительных результатах расчета в конструкцию вагона вносились изменения и расчет повторялся до достижения положительного результата. Такой подход позволяет выполнить детальный прочностной анализ конструкции вагона и оптимизировать ее весовые параметры. Следует также отметить достаточную простоту работы при создании пластинчато-стержневых конструкций, что является одним из важных преимуществ системы APM Structure3D по сравнению с западными аналогами, имеющими идентичные функциональные возможности. Простота работы достигается за счет использования специализированной графической среды для создания таких моделей, а также  инструментов экспорта моделей, созданных другими графическими инструментами.

Рис. 6.15. Вагон-хоппер для цемента

Рис. 6.16. Вагон-хоппер для минеральных удобрений

 Расчеты вагонов выполнялись до проведения прочностных испытаний, что позволило использовать их результаты для разработки программ и методик испытаний.  Сравнение результатов расчета с результатами испытаний показало, что характер напряженного состояния, полученный при испытаниях вагонов, полностью совпадает с характером напряженного состояния конструкций вагонов, полученным расчетным путем. Разница в уровнях напряжений по результатам испытаний и по результатам расчетов не превысила 15-17%. .

Система АРМ WinMachine для автоматизированного проектирования является весьма удобным инструментом, который позволяет эффективно управлять процессом проектирования и оперативно использовать созданные заделы и наработки по конструкциям вагонов, что приводит к значительному сокращению сроков создания новых вагонов при повышении качества проектных работ.

 

Рис. 6.17. Карта распределения суммарных линейных перемещений вагона-хоппера для минеральных удобрений при воздействии на него ударной нагрузки

 

Рис. 6.18. Карта распределения максимальных эквивалентных напряжений вагона-хоппера для минеральных удобрений при воздействии на него ударной нагрузки