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, б о льшая 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