Валидация конечно-элементной модели клеммы узла промежуточного рельсового скрепления

Введение. Рассмотрен вопрос валидации и верификации конечно-элементной модели упругой клеммы узла промежуточного рельсового скрепления. Проведение валидации и верификации производится с целью получения модели клеммы, позволяющей с достаточной степенью точности проводить оценку напряженно-деформированного состояния клеммы для заданных случаев нагружения. Достоверные результаты расчетов существенно сокращают вероятность несоответствия показателей жесткости и прочности проектным характеристикам.

Материалы и методы. В качестве исследуемой клеммы была выбрана упругая клемма ЦП369.102. Разработка ее конечно-элементной модели проведена с учетом реальной геометрии изделия, полученной с помощью 3D-сканирования, и упруго-пластической модели материала. При проведении верификации конечно-элементной модели проведен анализ сеточной сходимости, анализ качества конечных элементов и сравнение с результатами аналитического расчета. Валидация проводилась путем сравнения результатов натурного и виртуального экспериментов по двум параметрам: жесткость клеммы в зоне давления на концевые участки и напряжения на боковых участках клеммы. В качестве метода измерения напряжений для натурного эксперимента выбран метод тензометрии.

Результаты. Полученные результаты показали приемлемую сходимость между натурным и виртуальным экспериментами для параметра жесткости клеммы в зоне давления на концевые участки, и погрешность между натурным и виртуальным экспериментом составила 4 %, для напряжения на боковых участках клеммы — от 8,3 до 15,4 %. Данные показатели свидетельствуют о достаточной точности разработанной модели.

Обсуждение и заключение. Предложены и обсуждены возможные причины расхождения результатов по параметру напряжения. Запланированы дальнейшие исследования для повышения точности разработанной конечно-элементной модели, направленные на оценку чувствительности тензорезисторов к поперечным и касательным деформациям. Валидация конечно-элементной модели подтвердила ее пригодность для использования в инженерных расчетах при проектировании клемм, разработке на ее основании методик испытаний клемм и других научных изысканиях.

1. Ferreno D., Casado J. A., Carrascal I. A., Diego S., Ruiz E., Saiz M., Sainz-Aja J. A., Cimentada A. I. Experimental and f inite element fatigue assessment of the spring clip of the SKL-1 railway fastening system. Engineering Structures. 2019;118:553–563. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.03.053.

2. Hong X., Xiao G., Haoyu W., Xing L., Sixing W. Fatigue damage analysis and life prediction of e-clip in railway fasteners based on ABAQUS and FE-SAFE. Advances in Mechanical Engineering. 2018;10(3):1–12. https://doi.org/10.1177/1687814018767249.

3. Hong X., Jia-Bin W., Yan-Rong Z. The fractures of e-type fastening clips used in the subway: Theory and experiment. Engineering Failure Analysis. 2017;81:57–68. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2017.07.006.

4. Hasap A., Paitekul P., Noraphaiphipaksa N., Kanchanomai C. Analysis of the fatigue performance of elastic rail clip. Engineering Fai lure Analysis. 2018;92:195–204. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2018.05.013.

5. Park Y. C., An C., Sim H. B., et al. Failure analysis of fatigue cracking in the tension clamp of a rail fastening system. International Journal of Steel Structures. 2019;19:1570–1577. https://doi.org/10.1007/s13296-019-00231-5.

6. Hasap A., Noraphaiphipaksa N., Kanchanomai C. Inf luence of malposition on the performance of elastic rail clip: Toe load, stress, and friction. Structures. 2020;28:2661–2670. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2020.10.073.

7. Chen Z., Shin M., Wei S., Andrawes B., Kuchma A. D. Finite element modeling and validation of the fastening systems and concrete sleepers used in North America. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2014;228(6):590–602. https://doi.org/10.1177/0954409714529558.

8. Любутин П. С., Панин С. В., Титков В. В., Еремин А. В., Сундер Р. Развитие метода корреляции цифровых изображений для изучения процессов деформации и разрушения конструкционных материалов // Вестник ПНИПУ. Механика. 2019. № 1. С. 87–107. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2019.1.08.

9. Liu Y., Jiang X., Li Q., Liu H. Failure analysis and fatigue life prediction of high-speed rail clips based on DIC technique. Advances in Mechanical Engineering. 2021;13(12):1–13. https://doi.org/10.1177/16878140211066225.

10. Кузубов А. С., Бушуев Д. А., Паращук Е. М. Построение и валидация конечно-элементной виртуальной модели балки равного сопротивления весоизмерительной системы // Научные ведомости Белгородского Государственного Университета. 2019. № 3 (2). С. 274–282. https://doi.org/10.18413/2411-3808-2019-46-2-274-282.

11. Волков А. Д., Евтухович А. С., Моисеенко А. С., Собиров Б. М., Цамалаидзе З., Цверава Н. Влияние внутреннего давления на натяжение в сварных строу трекового детектора // Успехи прикладной физики. 2018. Т. 6, № 1. С. 83–90. EDN: https://www.elibrary.ru/yrsgnn.