Введение

Строительная механика – наука о принципах и методах расчета конструкций на прочность, жесткость и устойчивость при статических и динамических воздействиях.

Она рассматривает те же вопросы, что и сопротивление материалов, только объектом исследования является не отдельный элемент конструкции, а совокупность многих элементов, образующих конструкцию.

Особенностью строительной механики вагонов является то, что здесь эти вопросы рассматриваются применительно к вагонным конструкциям, к которым относятся кузова вагонов, а также отдельные части кузовов, тележек и др.

Любая проектируемая конструкция, в том числе и конструкция вагона, должна удовлетворять требованиям прочности, жесткости, устойчивости и экономичности.

Достаточная прочность и жесткость позволяют вагону воспринимать действующие на него эксплуатационные нагрузки без повреждений и недопустимых изменений формы.

При этом прочность вагонной конструкции должна обеспечиваться при возможно меньшей затрате металла, то есть конструкция должна удовлетворять требованиям экономичности. В связи с этим весьма важное значение имеет совершенствование методов расчета.

По мере совершенствование методов расчета на прочность конструкции проектируются все более легкими и гибкими. Вследствие этого появляется необходимость проверки их на жесткость и устойчивость.

Рассчитывают конструкцию исходя из внешних воздействий на нее и ее сопротивления этим воздействиям. Внешние воздействия разделяют на силовые, температурные и дислокационные (задаваемые перемещения из-за неточности изготовления). Сопротивление представляет собой основную функцию несущей конструкции. Оно определяется физическими характеристиками и геометрическими параметрами элементов и их соединений.

Строительная механика является теоретической базой для создания надежных, прочных и экономичных конструкций.

Предлагаемое учебно-методическое пособие является первой частью курса «Строительная механика вагонов».

Стержневые системы, которые рассматриваются в данном пособии, находят достаточно широкое применение в несущих конструкциях вагонов.

В то же время специалисту в своей практической деятельности приходится иметь дело с более сложными системами, в состав которых помимо стержней входят элементы и других типов – пластины и оболочки и др..

Как известно, при расчете таких сложных систем широко применяется метод конечных элементов.

В связи с этим при изложении методов расчета стержневых систем существенное внимание уделено вопросам, которые играют фундаментальную роль и в расчетах более сложных, нестержневых конструкций. Речь идет о методе перемещений, который является базой для метода конечных элементов.

Пособие предназначено для студентов всех форм обучения, но может быть использовано также и инженерно-техническими работниками в их практической деятельности.

₁

РАСЧЕТНЫЕ МОДЕЛИ

ВАГОННЫХ Конструкций

1.1 Классификация несущих систем вагонных конструкций

и действующих на них нагрузок

Всякую реальную вагонную конструкцию можно представить в виде системы, состоящей из трех элементов – стержней, пластин и оболочек.

Стержень (рисунок 1.1, а) – элемент, у которого один размер (l) больше двух остальных (a и b);

Пластина (рисунок 1.1, б) – элемент, у которого один размер ( ) намного меньше остальных (a и b);

Оболочка (рисунок 1.1, в) – элемент, у которого поверхность не плоская, как у пластины, а криволинейная.

Рисунок 1.1 – Основные типы конструктивных элементов:

а – стержень; б – пластина; в – оболочка

В зависимости от элементов, образующих вагонные конструкции, различают следующие несущие системы:

1) стержневые – конструкции, составленные из стержней (балки, рамы). Например, конструкции надрессорных балок, рам тележек и платформ;

2) подкрепленные листовые (подкрепленные пластины и оболочки) – конструкции, составленные из металлических листов обшивки, подкрепленных набором стержней. Например, конструкции крышек люков и боковых стен полувагонов, а также кузовов пассажирских и некоторых грузовых вагонов;

3) смешанные (комбинированные) системы – конструкции, составленные из стержневых систем и подкрепленных листовых. Например, конструкция кузова полувагона. В таком кузове рама является стержневой системой, а стены – подкрепленными листовыми.

Для расчета любой конструкции необходимо знать действующие на нее нагрузки.

П р и м е ч а н и е – Нагрузками называют внешние силы, действующие на элементы конструкции.

Нагрузки можно классифицировать:

• по времени действия – постоянные и временные;

• по способу приложения – объемные и поверхностные;

• по характеру изменения во времени – статические и динамические.

Постоянные нагрузки – действуют на конструкцию в течение всего срока службы (собственный вес).

Временные нагрузки – действуют на конструкцию в отдельные промежутки времени (полезная нагрузка, давление ветра, центробежная сила, силы инерции).

Объемные нагрузки – прикладываются ко всем внутренним точкам конструкции (собственный вес).

Поверхностные нагрузки – прикладываются к поверхности конструкции и разделяются на сосредоточенные и распределенные.

Сосредоточенные поверхностные нагрузки – действуют по весьма малой поверхности – теоретически в одной точке (давление колеса на рельс, реакции опор и др.).

Распределенные поверхностные нагрузки – действуют непрерывно по некоторой площади или длине и могут быть равномерно-распределенными и неравномерно-распределенными.

Примеры распределенных нагрузок:

равномерно-распределенная по площади. Например, давление груза на настил пола кузова вагона , Н/м² – действует непрерывно по площади пола (рисунок 1.2, а);

равномерно-распределенная по длине элемента. Так, например, равномерно распределенная по площади пола нагрузка передается на опорные балки рамы в виде нагрузки, равномерно распределенной по длине балки , Н/м (рисунок 1.2, б);

неравномерно-распределенная нагрузка – давление сыпучего груза на боковые стены кузова (рисунок 1.2, в).

Рисунок 1.2 – Основные виды распределенных нагрузок:

а – равномерно распределенная по площади; б – равномерно распределенная по длине;

в – неравномерно распределенная

Статические нагрузки – изменяют свое значение медленно и плавно без толчков и вибраций (собственный вес, вес груза). Поэтому ускорениями точек конструкции и силами инерции, возникающими при движении можно пренебречь.

Динамические нагрузки – изменяют свое значение в сравнительно короткие промежутки времени и вызывают значительные ускорения элементов конструкции (силы взаимодействия колес с рельсами, между вагонами и др.).

В расчетной практике нагрузки, действующие на элементы вагона, приводятся к следующим основным группам сил по направлению их действия: вертикальные, боковые и продольные.