Оценка ударной прочности корпуса тягового редуктора высокоскоростного электропоезда с учетом скорости деформации материала

Введение. Рассмотрен актуальный для высокоскоростного железнодорожного сообщения вопрос решения широкого спектра задач по сохранению прочности элементов экипажной части поезда под ударным воздействием частиц балласта, например кусков льда в холодный период года. Твердые предметы поднимаются с поверхности пути в результате аэродинамического взаимодействия с турбулентным воздушным потоком от поезда, следующего с высокой скоростью. Возникают механические повреждения ходовых частей и узлов в их подвагонном пространстве, которые могут оказаться значительными и создать угрозу безопасности движения. Цель данного исследования — оценка вероятности существенных разрушений корпуса редуктора от сторонних предметов, находящихся на пути, и разработка способа защиты.

Материалы и методы. Возможность разрушения корпуса рассчитывается методом численного моделирования в среде MSC.Nastran_SOL700, позволяющей выполнять анализ динамических событий короткой продолжительности с серьезными геометрическими и материальными нелинейностями. Описана методика оценки прочности конструкции корпуса редуктора при динамическом воздействии на него стороннего объекта.

Результаты. Выполнена отработка расчетной методики на упрощенной модели корпуса редуктора; методика применена на моделях, близких к реальному корпусу редуктора. Для этого были рассмотрены две модели задания свойств материала: обычная (General) и модель Купера — Саймондса (Cowper — Simonds), учитывающая зависимость динамических деформаций материала от скорости деформации. Проведена оценка влияния сторонних предметов с разной массой и относительной скоростью на вероятность возникновения повреждения стенок редуктора при разных значениях их толщины.

Обсуждение и заключение. Расчеты подтверждают вероятность разрушения корпусов тяговых редукторов высокоскоростных и скоростных электропоездов при динамическом воздействии на корпус сторонних предметов. Проанализированы конструктивные решения для защиты корпусов тяговых редукторов высокоскоростных поездов от воздействий сторонних предметов и выбран наиболее рациональный вариант. Статья написана на основе доклада авторов, представленного на Московском форуме «XXII Российской конференции MSC Software (HxGN Live Design & Engineering Russia 2021)», прошедшего 16-19 ноября 2021 г.

1. Князев Д. А. Обоснование периодичности освидетельствования полых осей колесных пар высокоскоростного подвижного состава: дис. ... канд. техн. наук: 05.22.07. М., 2019. 138 с.

2. Полякова Е. Я. Особенности аэродинамики подвагонного пространства высокоскоростного подвижного состава: дис. ... канд. техн. наук: 05.22.07. СПб., 2021. 150 с.

3. Kwon H. B., Park C. S. An experimental study on the relationship between ballast flying phenomenon and strong wind under high speed train. In: Proceedings of the World Congress on Rail Research, Montreal, QC, Canada, 4—8 June 2006. [S. l.]; 2006. p. 3-6.

4. Ido A., Saitou S., Nakade K., Iikura S. Study on under-floor flow to reduce ballast flying phenomena. In: Proceedings of the World Congress on Rail Research, Seoul, South Korea, 18-22 May 2008. Paper S2.3.4.2.

5. Высокоскоростной подвижной состав для ВСМ: технические требования: утв. первым вице-президентом ОАО «РЖД» А. С. Мишариным 08.06.2015. М., 2015.

6. MSC/Dytran™2008r1. User's Guide. MSC.Software Corporation. 234 p.

7. MSC/Dytran™ 2018. Reference Manual. MSC.Software Corporation. 849 p.

8. Ray R. G. Elasto-plastic Analysis of Plate Using ABAQUS. India: National Institute of Technology Rourkela; 2016. 61 p.

9. Islam M. M. R., Sakib-Ul-Alam M., Nazat K. K., Hassan M. M. Effect of Analysis Parameters on Non-Linear Implicit Finite Element Analysis of Marine Corroded Steel Plate. AIP Conference Proceedings. 2017;1919(1):020025. https://doi.org/10.1063/1.5018543.

10. Ko Y. G., Kim S. J., Sohn J. M., Paik J. K. A practical method to determine the dynamic fracture strain for the nonlinear finite element analysis of structural crashworthiness in ship-ship collisions. Ships and Offshore Structures. 2017;13(4):412-422. https://doi.org/10.1080/17445302.2017.1405584.

11. Selyutina N. S., Petrov Yu. V. Comparative Analysis of Dynamic Plasticity Models. Reviews on Advanced Materials Science. 2018;57(2):199-211. https://doi.org/10.1515/rams-2018-0065.

12. Murugesan M., Jung D. W. Johnson Cook Material and Failure Model Parameters Estimation of AISI-1045 Medium Carbon Steel for Metal Forming Applications. Materials. 2019;12(4):609. https://doi.org/10.3390/ma12040609.

13. Marquez S. Modelling the Constitutive Behaviour of Cast Iron. Sweden: Linkoping University; 2015. 41 p.

14. BS EN 1993-1-5. Eurocode 3: Design of steel structures. Part 1—5: General rules — Plated structural elements. Brussels: CEN; 2006. 55 p.

15. Lobdell M., Croop B., Lobo H. Comparison of Crash Models for Ductile Plastics. In: 10th European LS-DYNA Conference, 15-17 June 2015, Wurzburg, Germany. [S. l.]; 2015.

16. Соболев А. В., Радченко М. В. Использование модели пластичности Джонсона — Кука в численном моделировании бросковых испытаний контейнеров для транспортирования ОЯТ // Известия вузов. Ядерная энергетика. 2016. № 3. С. 82-93 https://doi.org/10.26583/npe.2016.3.09.

17. Paik J. K. Ultimate limit state analysis and design of plated structures. 2nd edition. UK: Wiley; 2018. 672 p. https://doi.org/10.1002/9781119367758.

18. Kim Y. S., Samy Y., Serdar I., Kim S. J., Seo J. K., Kim B. J. Environmental consequences associated with collisions involving double hull oil tanker. Ships and Offshore Structures. 2015;10(5):479-487. https://doi.org/10.1080/17445302.2015.1026762.