Грузоподъемность,
т
|
68
|
Масса тары, т
|
22
|
Объем кузова, м3
|
120
|
База вагона, мм
|
10000
|
Длина, мм
|
14730
|
Ширина, мм
|
3279
|
Высота от
уровня головок рельсов, мм
|
4700
|
Коэффициент
тары
|
0,32
|
Конструкционная
скорость, к/ч
|
120
|
Изготовитель
|
АВЗ
|
2.
Выбор и расчет параметров модели
2.1
Определение сочетания, места приложения и величины нагрузок
вагон
вертикальный нагрузка
Вертикальная нагрузка от перевозимого сыпучего и навалочного
груза принимается равномерно распределенной по всей площади пола. В вагонах со
сплошным настилом пола полезная нагрузка распределяется пропорционально
реакциям неразрезной упругой балки, рассчитываемой как статически неопределимые
системы.
Величины реакций равны:
; ,
где PГ - нагрузка от перевозимого груза.
Нагрузки и считаются равномерно распределенными по боковой стене и хребтовой
балке.
; ,
где 2l - длина
кузова вагона;
- погонная нагрузка от веса перевозимого груза на хребтовую
балку;
- погонная нагрузка от веса перевозимого груза на боковую
продольную балку.
Нагрузки от собственного веса также считаются равномерно
распределенными по длине боковых элементов и хребтовой балке рамы. Такое
допущение упрощает расчет, не оказывая какого-либо влияния на результат,
поскольку собственный вес кузова грузового вагона в несколько раз меньше веса
перевозимого груза.
Расчетные нагрузки от собственного веса, для крытых вагонов,
определяются по следующим формулам:
;
,
где - вес боковой стены и боковой балки рамы;
вес крыши;
вес балок;
вес пола;
вес торцевых стенок;
собственный вес кузова.
При определении расчетных нагрузок от собственного веса, вес крыши
распределен по боковым элементам и хребтовой балке пропорционально реакциям
двуопорных балок, а веса поперечных балок, торцевых стен и пола - пропорционально
реакциям неразрезных трехопорных балок.
;
.
Распределенная нагрузка будет равна:
; ;
;
.
; ,
2.2
Расчет геометрических параметров сечений элементов
Расчет площади сечений балок (рисунок 3) испытывающих
деформацию растяжение - сжатие.
а) боковая балка рамы; б) верхняя обвязка;
в) шкворневая и промежуточная стойки; г)
раскос боковой стены
Рисунок 3 - Сечения балок испытывающих деформацию растяжение
- сжатие
Для определения площади, разбиваем данное сечение на простые
фигуры и находим площадь каждой фигуры. Площадь сечения будет равна сумме
площадей простых фигур.
1 Боковая балка рамы (см. рисунок 3, а) - прокат 200´76´5,2, площадь сечения
равна A=1776,3
мм2;
2 Верхняя обвязка (см. рисунок 3, б) - прокат
толщиной 6 мм, площадь сечения равна A=1560 мм2;
Шкворневая и промежуточная стойка (см. рисунок 3, в)
- гнутый профиль 120´80´50´7, площадь сечения равна A=2562 мм2;
Раскос боковой стены (см. рисунок 3, г) -
прокат 80´65´6, площадь сечения равна A=1188 мм2.
Определение моментов инерции сечения балок (рисунок 4)
подвергшихся изгибу.
а) хребтовая балка; б) шкворневая балка; в)
концевая балка;
г) основная поперечная балка; д)
дополнительная поперечная балка
Рисунок 4 - Сечения балок подвергшихся изгибу
Моменты инерции балок определяем с помощью программы «GEOMSORT» версия 1.0, разработчик
программы Сурков В.К., пример расчета приведен в приложении A.
1 Хребтовая балка (см. рисунок 4, а) - сварена из двух
Z-образных прокатных
профилей 310´9´183´10,5´130´16, площадь сечения равна
A=131,1 см2,
момент инерции сечения равен Iz=20434,1 см4, координата центра
тяжести по оси Y=15,2 см;
2 Шкворневая балка (см. рисунок 4, б) -
сварная, из трех листов, верхний лист толщиной 8 мм, вертикальные листы
толщиной 6 мм, нижний лист толщиной 10 мм, площадь сечения равна A=118,2 см2,
момент инерции сечения равен Iz=23421,6 см4, координата центра
тяжести по оси Y=15,3 см;
Концевая балка (см. рисунок 4, в) - сварная,
из стали толщиной 6 мм, площадь сечения равна A=63,3 см2,
момент инерции сечения равен Iz=13206,4 см4, координата центра
тяжести по оси Y=16,9 см;
Основная поперечная балка (см. рисунок 4, г)
- сварная, из трех листов толщиной 6 мм, площадь сечения равна A=35,4 см2,
момент инерции сечения равен Iz=5684 см4, координата центра тяжести
по оси Y=16,1
см;
Дополнительная поперечная балка (см. рисунок 4, д)
- прокат 80´65´6, площадь сечения равна A=11,9 см2,
момент инерции сечения равен Iz=122,7 см4, координата центра тяжести
по оси Y=4
см.
3.
Выбор метода определения напряженно-деформированного состояния объекта
исследования
3.1
Методы расчета на прочность
Существует несколько методов расчета статически неопределимых
систем. Наиболее распространены:
1 Метод сил;
2 Метод перемещений;
Метод конечных элементов (МКЭ).
Последовательность расчета статически неопределимых систем
методом сил:
1 Устанавливаем степень статической неопределимости системы n;
2 Из заданной неопределимой системы образуем основную,
а потом и эквивалентную систему;
Строим в основной системе метода сил эпюры
внутренних усилий xi и от заданной нагрузки грузовые эпюры;
Вычисляем коэффициенты при неизвестных и свободные
члены системы канонических уравнений метода сил;
Решаем систему канонических уравнений;
Определяем внутренние усилия в заданном сооружении;
Строим эпюры M, Q, N.
Алгоритм расчета методом перемещений:
1
Находим
степень статической неопределимости заданной системы;
2
Выбираем
основную систему, все линейные перемещения;
3
Записываем
канонические уравнения метода перемещения;
4
Строим
единичные и грузовые эпюры изгибающих моментов для основной системы;
5
Определяем
коэффициенты и свободные члены системы канонических уравнений;
6
Проверяем
правильность вычисления коэффициентов и свободных членов системы канонических
уравнений;
7
Вычисляем
значение неизвестных метода перемещений;
8
Строим
эпюры N,
Q, M для заданной системы;
9
Проверяем
правильность построения окончательных эпюр.
Основная идея МКЭ состоит в том, что рассматриваемая
конструкция разделяется на ряд простейших по форме частей элементов. Размеры
элементов обычно малы по сравнению с размерами всей конструкции, но они имеют
конечные размеры. Так как конструкция делится на бесконечно малые элементы, то
поведение конструкции описывается дифференциальными уравнениями, а в МКЭ -
алгебраическими уравнениями.
В МКЭ вся среда представляется в виде совокупности отдельных
конечных элементов, взаимодействующих между собой в конечном числе узловых
точек.
Если элементы реальной конструкции имеют вдоль своей границы
непрерывные связи со смежными элементами, то при построении дискретной модели
мы вынуждены делать априорные предположения о характере силового или
кинематического взаимодействия между смежными элементами. В этом случае
дискретная модель будет лишь приближенно отражать модель исходной конструкции.
Важно выбрать характер взаимодействия между элементами
таковым, чтобы уменьшение размеров конечного элемента привело к получению
решения, стремящемуся к точному.
3.2
Обоснование выбора метода
Расчет кузова крытого вагона с деревянной обшивкой на
вертикальные нагрузки будем проводить в два этапа. На первом этапе считаем
соединение стержней в узлах фермы шарнирными, поскольку сопротивление изгибу
элементов боковой стены незначительно по сравнению с сопротивлением растяжению.
За расчетную нагрузку при этом принимаем сосредоточенную в узлах фермы нагрузку
от примыкающих к узлу панелей.
Расчет выполним методом сил. Выберем основную систему,
построим эпюры от единичных сил и от внешней нагрузки, учитывая растяжение
стержней фермы. На основании результатов построим окончательную эпюру усилий.
На втором этапе расчета определим изгибающие моменты в
стержнях боковой стены, так как в реальных конструкциях стержни в узлах
соединены жестко и испытывают дополнительно деформации изгиба, обусловленные
действием распределенной нагрузки по нижней обвязке, смещением узлов, фермы,
как следствие общей деформации кузова от вертикальной нагрузки, и в некоторых
случаях узловыми моментами от продольных сил в стержнях при их нецентричных
соединениях в узлах. Боковая стена рассматривается как несвободная рама с
жестким соединением стержней в узлах. При расчете используется метод
перемещений.
4.
Расчет на прочность
4.1
Выбор и обоснование расчетной схемы
Вертикальные нагрузки симметричны относительно продольных и
поперечных плоскостей симметрии кузова. Поэтому в качестве расчетной схемы
кузова принимаем одну четвертую его часть. Расчетная схема приведена на рисунке
5.
Рисунок 5 - Расчетная схема крытого вагона
4.2
Допущения, принятые в расчете
При расчете приняты следующие допущения:
- Не учитываем сопротивления деформации кручения в
стержнях открытого профиля ввиду их небольшой величины. Считаем, что угловые
связи между закручиваемыми и изгибаемыми стержнями по оси закручивания
отсутствуют.
- Не учитывая силы взаимодействия поперечных
балок с продольными элементами по оси Х ввиду небольших перемещений узлов по оси
Х и недостаточной погонной жесткости поперечных балок относительно вертикальной
оси. Считаем линейные связи по оси Х между поперечными балками и продольными
элементами (хребтовой балкой и нижней обвязкой) рамы отсутствующими;
- Не учитываем сопротивление изгибу нижней
обвязки боковой стены в горизонтальной плоскости, т.к. в случае поворота угла
вокруг оси Z
изгибающие моменты в нижней обвязке намного меньше изгибающих моментов в
поперечных балках. Считаем, что поперечные балки имеют связи по оси Z с нижней обвязкой.
- Считаем соединение стержней в узлах фермы
шарнирными, поскольку сопротивление изгибу элементов боковой стены
незначительно по сравнению с сопротивлением растяжению. За расчетную нагрузку
при этом принимают сосредоточенную в узлах фермы нагрузку от примыкающих к узлу
панелей.
4.3
Определение напряженно-деформированного состояния узла от заданной нагрузки
Производим расчет кузова вагона:
1 Определяем степень статической неопределимости системы n=3;
2 Образуем эквивалентную систему;
Рисунок 6 - Эквивалентная система
Составляем каноническое уравнение метода сил:
3 Строим эпюры M и N от заданной нагрузки и единичных сил
Для того чтобы построить эпюру от заданной нагрузки
необходимо рассчитать силы приложенные в узлах фермы боковой стены по формуле:
где lik, lij - расстояние между стойками боковой
стены;
;
;
;
.
Реакции в стержнях боковой стены рассчитываются методом вырезания
узлов. Рассмотрим этот метод на примере узлов 5 и 9, для построения эпюры от X1. Рассмотрим узел 9:
Рассмотрим узел 5:
4 Вычисляем коэффициенты при неизвестных и свободные члены по
формуле Мора:
Решаем систему канонических уравнений
X1 = -38;
X2 = -0,5;
X3 = -56,6.
5 Строим окончательную эпюру для заданной системы
Построим общую эпюру, используя уравнения
М=М1Х1+ М2Х2 +М3Х3+Мр;
N=N1X1+N2X2+N3X3+Np.
Продольные реакции в стержнях
N9,5
|
N9,10
|
N5,10
|
N5,6
|
N6,10
|
N6,7
|
N7,8
|
N8,8'
|
N10,7
|
N10,11
|
N11,12
|
N12,12'
|
N11,8
|
N12,8
|
N11,7
|
0,0
|
0,0
|
51,5
|
-26,4
|
-107,0
|
-26,4
|
4,3
|
30,5
|
73,8
|
-21,6
|
-63,2
|
-63,2
|
81,3
|
0,0
|
-44,4
|
5.
Анализ результатов расчета
Детали и узлы вагона должны быть такими, чтобы обеспечить их
безотказность в эксплуатации.
Условие прочности выражается:
,
где - расчетное напряжение, МПа;
- допускаемое напряжение, МПа, (= 210 МПа).
Результатами расчета будут являться напряжения в балках,
которые мы будем определять по формулам:
для стержней испытывающих изгиб и
для стержней испытывающих растяжение (сжатие).
,
где ymax - расстояние по оси y от центра тяжести до наиболее удаленной точки в сечении.
Верхняя обвязка: МПа;
Шкворневая стойка: МПа;
Промежуточная стойка: МПа;
Концевой раскос: МПа;
Промежуточный раскос: МПа;
Шкворневая балка: МПа;
Хребтовая балка: МПа;
Поперечная балка: МПа;
Концевая балка: МПа.
Заключение
В курсовой работе рассмотрена конструкция четырехосного
крытого вагона модели 11-066, приведены технические характеристики данного
вагона.
В соответствии с заданием приведен расчет на вертикальные
нагрузки кузова вагона методом сил. Определены геометрические параметры сечений
элементов.
В результате расчета определено, что все элементы конструкции
кроме хребтовой и поперечной балки подходят по допускаемым напряжениям.
Список
использованных источников
вагон
вертикальный нагрузка
1 Вагоны СССР. Отраслевой каталог 20-89-04. М.:
ЦНИИТЭИтяжмаш, 1989. - 153 с.
2 Лукин В.В., Шадур Л.А., Котуранов В.Н.,
Хохлов А.А., Анисимов П.С. Конструирование и расчет вагонов. М.: УМК МПС
России, 2000 - 731 с.
Сенаторов С.А. Расчет рам и кузовов
грузовых вагонов на прочность с использование ЭВМ. Методическое руководство.
Часть III. Свердловск.: 1983. - 48 с.
Смирнов В.А. и др. Строительная
механика: Учебник для вузов. М.: Стройиздат, 1984. - 208 с.
Вагоны. Под ред. Л.А. Шадура. М.:
Транспорт, 1973. - 440 с.