Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния железнодорожных колес для оценки их работоспособности тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

Основные результаты и выводы

1. Несмотря на большое внимание, уделяемое железнодорожному колесу, задача его износа является одной из самых актуальных. Для ее решения необходимо наличие методик, позволяющих производить оценку на уровне численных экспериментов. Это требует, в свою очередь, совершенствования методик расчета НДС колеса с учетом контактного взаимодействия его частей и взаимодействия рельсом (особенно для сильно изношенных колес).

2. Разработаны алгоритмы решения объемной контактной задачи на основе метода релаксации.

3. В ходе выполнения работы был доработан программный комплекс ОБМРет, в результате чего оказалось возможным решение таких задач как: нормальная задача контакта многих тел; касательная контактная задача; контактная задача качения тел с произвольными поверхностями.

4. Проведен анализ целесообразности применения квадратичных конечных элементов при решении контактной задачи с использованием метода релаксации. В результате чего можно сделать вывод о неэффективности использования на данном этапе развития компьютерной техники квадратичных объемных конечных элементов при решении контактной задачи на основе релаксационного метода.

5. Разработаны конечноэлементные модели и выполнено определение напряженно-деформированного состояния с учетом многих факторов: посадки колеса на ось, температурного режима, силового нагружения - железнодорожных колес:

• колеса трамвая;

• колеса метро;

• колеса тепловоза;

• колеса электровоза.

6. Значение коэффициента релаксации сильно влияет на результаты решения касательной контактной задачи и задачи качения, фактически не влияя на результаты решения нормальной задачи.

7. Сделан вывод о том, что фактически при любых эксплуатационных режимах в контакте «ось - колесный центр» имеют место зоны проскальзывания, что приводит к износу и ослаблению прессового соединения. При некоторых сочетания внешних воздействий зона проскальзывания достигает 60% площадки контакта. В гоже время, полное проскальзывание возможно при увеличении нагрузок в 1,2 раза.

8. Для колеса с дифференциальным вращением сделаны выводы о значительной неравномерности распределения контактных давлений по ширине поверхности контакта; концентрация напряжений на кромках канавок, о влиянии зазора на значения максимальных давлений и длину дуги контакта и о влиянии формы колесного центра на распределение контактных давлений.

9. Проведена оценка усталостной долговечности диска колеса метро на основе результатов, полученных с использования пакета DSMFem.

10.Анализ показал, что при набегании колеса на рельс достаточно часто возникает двухпятновый контакт и появляются пятна контакта, с формой отличной от эллиптической.

11.Разработаны интерполяционные зависимости для параметров контакта на поверхности катания железнодорожных колес различных профилей, полученные на основе серии расчетов. Данные зависимости целесообразно применять в задачах прямого моделирования системы «вагон - путь».

12.Проведена оценка износа колеса в процессе эксплуатации на основе численного эксперимента с использования пакета DSMFem.

13.Полученные результаты были использованы при проектировании колесной пары с дифференциальным вращением.

14.Разработанные методики, алгоритмы и программы могут быть использованы для решения других контактных задач.

1. Carter F.W. On the Action of Locomotive Driving Wheel. Proc. Royal Society, s.a., v. 112, 1926, pp. 151 -157.

2. Cattoneo C. Sul Contatto di due corpi elastici: distribuzione locale degli sforzi. Roma: Reale Academia nazionale dei lincei, serie 6, vol. 27., 1938 -pp. 342-348

3. Chan S. K., Tuba I. S. A finite element method for contact problems of solid bodies // Int. J. mech. Sei. 1971. Vol. 13 - pp. 615 - 639

4. Dilintas G., Laurent-Gengoux P., Trystram D. A conjugate projected gradient method with preconditioning for unilateral contact problems // Computers & Structures. 1988.-Vol. 29, No. 4 pp. 675 - 680

5. Duvaut G., Lions J.-L. Les Inequations en Mecanique et en Physique, Dunod, Pans. XVI, 1972.

6. Fromm H. Berechnung des Schlupfes beim Rollen deformierbaren Scheiben.-Zeitschrift fur angewandte Mathematik und Mechanik, 1927, Bd. 7, H.l, S.27-58.

7. Gyn Bong Lee, Byung Man Kwak Formulation and implementation of beam contact problems under large displacement by a mathematical programming // Computers & Structures. 1989. - Vol. 31, No. 3 - pp. 365 - 376

8. Häggblad В., Nordgren G. Automatic load incrementation for rubber-like bodies in contact // Computers & Structures. 1989. - Vol. 32, No. 3/4 - pp. 899 - 909

9. Haines .J., Ollerton E. Contact stress distributions on elliptical contact surfaces subjected to radial and tangential forces. Proc. Instn. Mech. Engrs, 1963, V. 1 77, 14, pp. 95-108.

10. Hertz H. Gesammelte Werke. Bd.!, 1985, Leipzig, ss. 155-196.1 1 Hertz H. Miscellaneous Papers. McMillan, London, 1896

11. Jin Won Joo, Byung Man Kwak. Analysis of elasto-plastic contact problems considering large deformation // Computers & Structures. 1986. - Vol. 24, No. 6-pp. 95з"-961

12. Johnson K.L. The effect of a tangential contact force upon the rolling motion of an elastic sphere on a plane, Trans. ASME, ser.E, .!. Appl. Mech., 1958, 25, pp. 339-344.

13. Johnson K.L. The effect of spin upon the rolling motion of an elastic sphere on a plane, Trans. ASME, ser.E, J. Appl. Mech., 1958, 25, pp. 332-338.

14. Johnson K.L., Vermeiden P.J. Contact of nonspherical elastic bodies transmitting tangential forces, Trans. ASME, ser.E, J. Appl. Mech., 1964, 31, pp. 338-340.

15. Kalker J. J. Variational Principles of contact elastostatics// Computers & Structures. 1989. - Vol. 32, No. ! - pp. 37 - 43

16. Kalker J.J. A Fast Algorithm lor the Simplified Theory of Rolling Contact. Vehicle system dynamics, 1 1,1 982, pp. 1-13.18