Оценка влияния конструктивных форм днища на напряженное состояние котла цистерны под давлением

Литература

1. Распоряжение ОАО «Российские железные дороги» от 27 октября 2005 г. № 1701 «Об утверждении инструкции о порядке разработки, согласования и утверждения проектной документации на строительство объектов, финансируемое ОАО „РЖД"» (В ред. распоряжений ОАО «РЖД» от 12.10.2009 г. № 2076, от 13.08.2010 г. № 1748). ОАО «РЖД», 2005.

2. Рекомендации по формированию технических условий для проектирования реконструкции и технического перевооружения объектов ЖАТ в составе инвестиционных проектов ОАО «РЖД».

3. Образец технического задания. Департамент автоматики и телемеханики ОАО «РЖД». 2008.

4. Люггер Дж. Ф. Искусственный интеллект. Стратегии и методы решения сложных проблем. М.: Вильямс, 2005.

5. Гладкий А. В. Формальные языки и грамматики. М.: Наука, 1973.

6. Безродный Б. Ф., Василенко М. Н., Де-

нисов Б. П., Седых Д. В. Автоматизация проверки проектов на основе АРМ-ТЕСТ // Автоматика. Связь. Информатика (АСИ). 2008. № 9. С. 22-24.

7. Кочетков А. А., Василенко М. Н., Денисов Б. П., Трясов М. С., Максименко О. А. Система контроля и обеспечения качества проектной документации // Автоматика. Связь. Информатика (АСИ). 2006. № 8. С. 9-11.

8. Тележенко Т. А. Автоматизированная система экспертизы схемных решений // Автоматика. Связь. Информатика (АСИ). 2009. № 5. С. 24-26.

9. Василенко М. Н., Горбачев А. М. Оптимизация синтеза кабельных сетей // Мир транспорта. 2010. № 4. С. 98-105.

10. Василенко М. Н., Горбачев А. М., Зуев Д. В., Григорьев Е. В. Автоматизированная система экспертизы схемных решений железнодорожной автоматики и телемеханики // Транспорт Российский Федерации. 2011. № 5 (36). С. 64-67.

11. Харари Ф. Теория графов. М.: Либро-ком. 2009.

Оценка влияния конструктивных форм днища на напряженное состояние котла цистерны под давлением

В. И. Богачев,

аспирант кафедры «Вагоны и вагонное хозяйство», Московский государственный университет путей сообщения

В вагоностроении тонкостенные оболочки вращения используются в качестве несущих элементов котлов. Котел при этом имеет сложную конструкцию и в процессе эксплуатации подвижного состава испытывает разнообразные воздействия. К тонкостенным конструкциям предъявляются жесткие требования в отношении надежности и одновременно легкости, поэтому расчет таких конструкций является достаточно сложной задачей, для решения которой в последние годы широко применяются специализированные программные комплексы. С целью оптимизации конструкции котла было проведено исследование влияния конструктивных форм днищ на их напряженно-деформированное состояние (НДС).

Проверка своевременного внесения изменений в схемы в соответствии с указаниями ГТСС осуществляется группой функций модуля «Проверка принципиальных схем на соответствие указаниям». Для решения этой задачи потребовалось создать формализованную базу указаний ГТСС и разработать функции поиска фрагментов на схеме на основе теории графов [11]. В настоящее время база содержит набор указаний по пожарной безопасности. Для проверки на соответствие другим указаниям достаточно внести дополнительную информацию в базу без изменения самого модуля проверки.

Разработанные модули, осуществляющие экспертизу технической документации, активно внедряются на железной дороге в составе АРМ ВТД. Их применение сокращает число ошибок, что ведет к сокращению затрат времени на обработку технической документации и одновременно — благодаря своевременному выявлению ошибок — обеспечивает повышение безопасности движения поездов.

Одним из важнейших параметров вагона-цистерны является грузоподъемность. Увеличение грузоподъемности позволяет повысить производительность вагона, т. е. количество перевозок, выполняемых вагоном в единицу времени, увеличить вес поездов, оптимизировать использование мощности локомотивов

и станционных устройств, снизить расходы на маневровую работу, текущее содержание, обслуживание вагонов и т. д. В конечном счете все это ведет к увеличению провозной способности железных дорог и снижению себестоимости перевозок.

Днище является частью конструкции котла, объем которой в определен-

ной степени влияет на параметры цистерны в целом. В связи с этим интерес представляет задача нахождения такого значения вылета днища, при котором обеспечивается максимальная грузоподъемность при удовлетворении условий прочности котла.

Данная задача решалась с использованием программного комплекса NASTRAN.

В качестве объекта исследования был выбран котел четырехосной цистерны модели 15-1443 для перевозки бензина и светлых нефтепродуктов.

Расчетная схема представляет собой конечно-элементную модель котла, в которой учитывалась симметрия конструкции относительно поперечной вертикальной плоскости, т. е. рассматривалась половина котла, получаемая при рассечении этой плоскостью. В плоскости симметрии на модель котла накладывались соответствующие граничные условия. В модели не учитывались верхняя и нижняя горловины, сливной уклон, поскольку влияние перечисленных элементов конструкции на НДС днища незначительно.

Оболочка котла радиусом 1,5 м представлена совокупностью сеток конечных элементов (КЭ сеток) цилиндрической части и эллиптического днища. КЭ сетки создавались вращением [1] вокруг продольной горизонтальной оси котла, причем для броневого, двух верхних и двух продольных листов котла были созданы отдельные КЭ сетки. При создании КЭ сетки эллиптического днища было учтено, что днище имеет цилиндрический участок длиной 0,05 м. При построении конечно-элементной схемы использовались следующие конечные элементы: плоские четырехугольные — для листов обечайки котла, плоские четырехугольные и треугольные — для днища.

Конечно-элементная модель включает в себя 23 836 конечных элементов и 23 837 узлов.

Толщины листов заданы в свойствах элементов и составляют: 9 мм — для верхних и продольных листов обечайки; 11 мм — для броневого листа и 10 мм — для днища.

Материал котла задан как изотропный со следующими характеристиками: модуль Юнга равен 2Д-105 МПа, коэффициент Пуассона — 0,3.

Для днища котла внутреннее давление является определяющим внешним воздействием. Из результатов экспе-

Напряжение, МПа

600

400

200

- - 1\Т

\ - -----

_

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Осевая координата днтца, м

-0,2 м -0,3 м - 0,4 м -0,5 м -0,6 м 0,7 м -0,8 м -0,9 м

Рис. 1. Распределение эквивалентных напряжений в днище при варьировании его вылетом

-1,0м

риментальных исследований [2] следует, что нагружение котла внутренним давлением вызывает в днищах напряжения, составляющие не менее 80 % от суммарных напряжений, которые характеризуют прочность конструкций согласно требованиям норм [3]. Поэтому нагрузка в расчетной схеме была представлена в виде давления, значение которого принималось равным 0,4 МПа (давления, создаваемого в котле при гидравлическом испытании).

Влияние остальных сил учитывалось в величине допускаемых напряжений для днища по первому расчетному режиму.

В соответствии нормами [3] допускаемые напряжения [ст] для стали 09Г2С для первого расчетного режима принимаются равными пределу текучести материала (325 МПа), взятому с коэффициентом 0,9. Величина вылета днища согласно поставленной задаче изменялась в пределах от 0,2 до 1,5 м, поэтому расчетная модель котла создавалась отдельно для каждого значения вылета.

Описывая напряженное состояние модели, следует отметить, что вследствие краевого эффекта в переходной зоне от цилиндрической части котла к эллиптическому днищу можно наблюдать максимальный всплеск напряжений. С увеличением вылета их величина снижается. При вылете днища, равном 0,9 м, величины максимальных эквивалентных напряжений в обечайке котла и эллиптическом днище практически равны. Дальнейшее увеличение вылета

приводит к росту напряжений в обечайке и снижению их в днище.

На рис. 1 показано распределение эквивалентных напряжений в днище при варьировании его вылетом. Наибольшие величины напряжений наблюдаются в сечении, расположенном на расстоянии 0,15-0,35 м вылета днища. Для днищ с вылетами больше 1,0 м графики отсутствуют по той причине, что напряжения в таких днищах меньше, чем в цилиндрической части котла, и практически кривые вырождаются в прямые.

По результатам расчетов построен график зависимости максимальных эквивалентных напряжений в днище котла от величины его вылета (рис. 2). Уровень максимальных эквивалентных напряжений в днищах с вылетами больше 1,0 м остается одинаковым, т. е. график представляет собой прямую параллельную горизонтальной оси. С увеличением вылета уменьшается и объем котла, поэтому использование таких котлов нерационально.

Результаты расчетов показали, что при величине вылета, равной 0,4 м, максимальные эквивалентные напряжения в днище составляют 374 МПа, а при вылете 0,5 м — 253 МПа при величине допускаемых напряжений 292,5 МПа.

Для уточнения оптимальной величины вылет днища, начиная с 0,4 м, варьировался с более мелким шагом 0,01 м. Оказалось, что при величине вылета 0,47 м эквивалентные напряжения составляют 283 МПа. Именно это значение

Напряжения, МПа 1200

0,2 0,3

—отпах, МПа

0,5 0,6

—[а], МПа

0,9 1

Вылет днища, м

= 1.

где а = 0,47 м — оптимальное из условия прочности значение вылета днища; Ь=1,5 м — радиус цилиндрической части котла; т, п — положительные числа, больше 1.

Таблица. Результаты расчетов грузоподъемности при варьировании вылетом днища

Рис. 2. График зависимости максимальных эквивалентных напряжений Сттах в днище котла от величины его вылета

вылета было принято оптимальным по условию прочности.

Интерес также представлял вопрос

0 том, насколько можно уменьшить вылет днища, а соответственно, увеличить объем котла за счет увеличения толщины днища. Оказалось, что при толщине листов 13 мм днища с вылетом 0,4 м можно дополнительно понизить величину эквивалентных напряжений с 374 МПа до 282 МПа и, следовательно, принять этот вариант котла за оптимальный.

На рис. 3 представлены графики зависимости максимальных эквивалентных напряжений в днище котла от величины его вылета при варьировании толщины.

Также был выполнен расчет объема котла и грузоподъемности цистерны 15-1443 с различными вылетами днищ котла при неизменной общей длине последнего. Получена зависимость объема и грузоподъемности от вылета днища. Результаты расчетов приведены в таблице.

При оптимальном по условию прочности вылете днища, равном 0,47 м (в таблице выделено голубым цветом), объем увеличивается практически на

1 м3, а грузоподъемность повышается на 0,7 т по сравнению с базовым вариантом цистерны с вылетом 0,66 м (выделено розовым цветом). У цистерны с вылетом днища 0,4 м толщиной 13 мм (выделено желтым цветом) грузоподъемность увеличивается до 1 т по сравнению с базовой.

Не меньший интерес представляет влияние возможных очертаний меридиана днища на НДС.

Предлагается очертание меридиана днища описывать уравнением обобщенного суперэллипса:

С целью сравнительного анализа исследовались варианты днищ, меридиан которых задавался вышеприведенным уравнением:

• вариант 1: т = 4, п = 4;

• вариант 2: т = 4, п = 2;

• вариант 3: т = 3, п = 3;

• вариант 4: т = 3, п = 2;

• вариант 5 (эллиптическое днище): т = 2, п = 2.

Задача решалась с использованием программного комплекса NASTRAN. Оболочка котла представлена совокупностью КЭ сеток цилиндрической части и днища с меридианом, который описывается вышеприведенным уравнением. В остальном расчетная схема модели котла, характер приложения нагрузок и граничные условия, описанные выше, остались без изменения.

По результатам расчетов, варианты 1-4 не удовлетворяют условию прочности котла согласно [3], несмотря на то, что получено лучшее по сравнению с вариантом 5

Вылет днища, м Объем котла, м3 Грузоподъемность, т

0,20 75,38 61,77

0,30 74,91 61,38

0,40 74,44 61,00

0,41 74,40 60,97

0,42 74,35 60,93

0,43 74,30 60,89

0,44 74,25 60,84

0,45 74,21 60,81

0,46 74,16 60,77

0,47 74,11 60,73

0,50 73,97 60,61

0,60 73,50 60,23

0,66 73,22 60,00

0,70 73,03 59,84

0,80 72,56 59,46

0,90 72,09 59,07

1,00 71,62 58,69

0,43 0,44 0,45

±-5=12мм — 5=13мм -

0,46 0,47

Вылет дншца, м

[а], МПа

Рис. 3. Графики зависимости максимальных эквивалентных напряжений в днище котла от величины его вылета при варьировании толщины д

распределение напряжений: максимальные эквивалентные напряжения возникают в сечениях днища, расположенных на расстоянии, равном (по оси) более 0,5 вылета днища (рис. 4). Наибольшие напряжения в днище возникают в местах резкого изменения кривизны меридиана.

Если построить графики кривизны кривых 1-5, то при движении вдоль образующей из области стыка цилиндрической части котла и днища к полюсу последнего наиболее плавно изменяется кривизна эллипса, т. е. рациональным по условию прочности вариантом меридиана будет кривая, которая близка к эллипсу. В связи с этим рассматривались кривые, для которых показатель т варьировался в интервале (2,3) при постоянном п = 2. Наиболее рациональным по условию прочности был признан вариант кривой с т = 2,28, п = 2,28 (вариант 6). На рис. 4 видно, что кривые 5 и 6 близки, но распределение напряжений в днище варианта 6 лучше, чем в эллиптическом днище.

Согласно полученным результатам расчетов, имеется некоторый дополнительный запас для дальнейшей оптимизации конструкции днища. Поэтому вылет днища варьировался с шагом 0,01 м начиная с вылета 0,47 м. Днище с геометрией меридиана по варианту 6 и с вылетом 0,455 м стоит признать рациональным для котла четырехосной железнодорожной цистерны, так как в этом варианте обеспечивается наибольший геометрический объем котла.

Напряжения, 800 п

,МПа

0 0,03 0,06 0,09 0,12 0,15 0,18 0,21 0,24 0,27 0,3 0,33 0,36 0,39 0,42 0,45 0,48

Осевая координата дншца, м

-Вариант 1 -Вариант 2 -Вариант 3

-Вариант 4 -Вариант 5 ----Вариант 6

Рис. 4. Распределение эквивалентных напряжений в днищах разных конструктивных форм

Таким образом, в ходе исследования

• проведены расчеты по определению НДС днища котла цистерны 151443 с использованием программного комплекса NASTRAN, для чего была построена конечно-элементная расчетная схема котла с разными значениями вылета днища;

• по результатам расчетов получена зависимость максимальных эквивалентных напряжений от вылета днища;

• из условия прочности найдено оптимальное значение вылета, при котором можно улучшить параметры базовой цистерны: увеличить объем котла и повысить грузоподъемность на 0,7 т;

• изучена и доказана возможность дополнительного увеличения объема котла и грузоподъемности

за счет увеличения толщины листов днища;

• изучено влияние очертания меридиана днища котла на его НДС; выбран наиболее рациональный вариант днища, обеспечивающий наибольший геометрический объем котла. Q

Литература

1. Рычков С. П. MSC.visualNASTRAN для Windows. М.: НТ Пресс, 2004. 552 с.

2. Медведев В. П. Исследование прочностных характеристик сложных оболочек вращения, применяемых в ци-стерностроении. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. М.: МИИТ, 1972. 215 с.

3. Нормы для расчета и проектирования вагонов железных дорог МПС колеи 1520 мм (несамоходных). М.: ГосНИИВ - ВНИИЖТ, 1996. 319 с.

портал для специалистов транспортной отрас/1 www. rostransporl M :.com

п?пып о ешё, ишюни kt nmimti^

ш шюрт poociiw Ф1: 1ер\ции ---

i—' ~ мл^« иаж

miilfiw wiog/Koi WIWIIW и>н|'м< нцщ w Щ№Ш

»fiWJ

»НИ II Jul 1 (il) i JSI J 1 " .

Г™ чпм

от (*7i 1 tu**rnnpiMi WTшг 11Г" ! 411 №1 VHIP4

Г i j T mi жудат

ИЖЛГ-НИЧНГ I" l гян РИЧРЛИИЩ"

ratvrtupc IH к 1глнык11> i

Мипнын liMmihipi. HI r-inhHU* мршы It

Омом

JJnriMt К J. 1И1Ж1Н IfH: К*М1Ч

Ufa IITIVnillNMIHFI Ннгррмн 4 h. A.

i nldgiv InnOfchl

Л IcJmr^frKtJ-J Tf"

1 llWiyn.i ДЛЯ 1 |МмПЮрГ.1| f _____