+7 (909) 700-28-04

О.компании

Проекты

Услуги

Статьи

Контакты

Расчет датчика на устойчивость к случайным вибрациям

Главная / Статьи

Отдел специальных расчетов Группы СВЭЛ обратился в компанию Future Digital провести расчет воздействия случайных вибраций на датчик, закрепленный к рельсу.

Цель работы — выполнить проверочный расчет прочности основных частей рельсового датчика.

о проекте

Расчет воздействия случайных вибраций на датчик, закрепленный к рельсу, проводился в среде ANSYS Mechanical.

В ходе выполнения расчета поочередно решается несколько задач.

Такими задачами являются:

Статический расчет крепления датчика к рельсу;
Модальный анализ;
Расчет воздействия случайных вибраций по трём взаимно перпендикулярным осям.

Определение нагрузок и назначение материалов

этап 1

Конструкция состоит из индуктивного датчика, установленного с помощью металлического крепления на рельс железнодорожного пути.

При проезде поезда (до 350 км/час) возникают вибрации, воздействующие на корпус и элементы крепления датчика. Спектральная плотность колебаний (D.S.A.) принята в соответствии со стандартом EN 50 125−3, показанному на рисунке ниже.

Гайка через пружинную шайбу поджимает элементы крепления усилием до 4000 кг.
Масса датчика (полиамид) – 1 кг.
Масса крепления – 5,5 кг.
Модуль упругости стали - 200000 Н/мм2 [1];
Модуль упругости полиамида - 50000 Н/мм2 [2];
Коэффициент Пуассона стали – 0,3;
Коэффициент Пуассона полиамида – 0,31.

Спектральная плотность для трёх направлений ускорений

В расчете приняты значения, указанные в таблице

Спектральная плотность

Построение модели датчика для последующих расчетов методом конечных элементов

этап 2

Для выполнения расчета по полученному от заказчика чертежу в ANSYS SpaceClaim создана расчетная модель датчика и рельса, показанная на рисунке ниже.

Расчётная модель: а) - внешняя сторона датчика, б) - сторона крепления)

Генерация сетки конечных элементов

этап 3

Выбор и оптимизация параметров конечно-элементной модели, в том числе достаточности густоты конечно-элементной сетки выполнялся по результатам предварительных расчётов.

Конечным вариантом разбиения была выбрана модель, увеличение числа элементов которой дало изменение вычислений не более 3%. В итоге модель разбивается на 139 837 конечных элементов. Качество построенной сетки проверяется по критерию Element Quality функции Mesh Metrics.

Сетка генерировалась автоматически, и затем определялись оптимальные размеры сетки путём кратного увеличения количества конечных элементов.

Сетка конечных элементов

Качество сетки конечных элементов

Нагрузки и граничные условия

этап 4

В качестве граничных условий назначена заделка одного из среза рельса и скользящая опора его основания, запрещающие их перемещения.

Прочностной расчет проводится в 2 шага. На первом прикладывается гравитация для учета деформации конструкции от собственного веса, на втором прикладывается усилия затяжки болтового соединения.

Расчетная схема показана на рисунке ниже.

Схема крепления

Результаты статического расчета

этап 5

В результате расчета определено напряженно-деформированное состояние конструкции, построены поля максимальных деформаций и внутренних напряжений.

Деформации, возникающие при затяжке элементов крепления, показаны на рисунке 6. Максимальная величина деформации 0,02 мм. Напряжения в конструкции датчика и крепления приведены на рисунке 7. Максимальные напряжения в элементах крепления датчика не превышают 40 МПа, что удовлетворяет условиям жесткости конструкции.

Они представлены графически в виде изоповерхностей на геометрической модели с приведенной шкалой, на которой представлено взаимное соответствие между цветом и цифровыми данными.

Деформации при статическом анализе

Напряжения при статическом анализе

Модальный анализ

этап 6

При выполнении модального анализа выявляются собственные частоты конструкции и формы колебаний. Должны быть учтены все формы собственных колебаний, эффективная модальная масса которых превышает 5%.

При этом для сложных систем с неравномерным распределением жесткостей и масс необходимо учитывать остаточный член отброшенных форм колебаний. В данном случае были извлечены первые 10 собственных форм и частот, что составляет 95% общей массы системы.

Результаты модального анализа приведены в таблице.

Частоты собственных колебаний конструкции

Собственная форма колебаний датчика

Поскольку для корректного проведения расчета воздействия случайных вибраций, спектральная плотность должна покрывать спектр собственных частот, то моды с частотой более 2000 Гц не учитываются.

Результаты расчета воздействия случайных вибраций

этап 7

Результатами анализа конструкции на воздействие случайных вибраций являются статистические перемещения по трём направлениям и максимальное напряжение, возможное в конструкции.

Всего выполняется три расчета для трех взаимно перпендикулярных направлений ускорений.

Расчет при вертикальном воздействии

Относительные перемещения в вертикальном, поперечном и продольном направлениях, а также максимальные напряжения возникающие в конструкции датчика приведены на следующих рисунках.

Перемещение в вертикальном (Х) направлении (внутренняя сторона датчика)

Перемещение в вертикальном (Х) направлении (внешняя сторона датчика)

Перемещение в поперечном (Z) направлении (внутренняя сторона датчика)

Перемещение в поперечном (Z) направлении (внешняя сторона датчика)

Перемещение в продольном (Y) направлении (внутренняя сторона датчика)

Перемещение в продольном (Y) направлении (внешняя сторона датчика)

Напряжения при ускорении в вертикальном направлении (внутренняя сторона датчика)

Напряжения при ускорении в вертикальном направлении (внешняя сторона датчика)

Расчет при поперечном воздействии

Из-за своего направления поперечное воздействие может вызывать перемещения датчика и напряжения в его креплениях, сравнимые или превышающие от вертикального воздействия.

Относительные перемещения в вертикальном, поперечном и продольном направлениях, а также максимальные напряжения возникающие в конструкции датчика приведены на следующих рисунках.

Перемещение в вертикальном (Х) направлении (внутренняя сторона датчика)

Перемещение в вертикальном (Х) направлении (внешняя сторона датчика)

Перемещение в поперечном (Z) направлении (внутренняя сторона датчика)

Перемещение в поперечном (Z) направлении (внешняя сторона датчика)

Перемещение в продольном (Y) направлении (внутренняя сторона датчика)

Перемещение в продольном (Y) направлении (внешняя сторона датчика)

Напряжения при ускорении в поперечном направлении (внутренняя сторона датчика)

Напряжения при ускорении в поперечном направлении (внешняя сторона датчика)

Расчет при продольном воздействии

Продольное воздействие является самым слабым. Относительные перемещения в вертикальном, поперечном и продольном направлениях, а также максимальные напряжения, возникающие в конструкции датчика для продольного воздействия показаны на рисунках ниже.

Перемещение в вертикальном (Х) направлении (внутренняя сторона датчика)

Перемещение в вертикальном (Х) направлении (внешняя сторона датчика)

Перемещение в поперечном (Z) направлении (внутренняя сторона датчика)

Перемещение в поперечном (Z) направлении (внешняя сторона датчика)

Перемещение в продольном (Y) направлении (внутренняя сторона датчика)

Перемещение в продольном (Y) направлении (внешняя сторона датчика)

Напряжения при ускорении в вертикальном направлении (внутренняя сторона датчика)

Напряжения при ускорении в вертикальном направлении (внешняя сторона датчика)

Оценка результатов расчета

этап 8

*- максимальное значение на сингулярности сетки

Максимальные внутренние напряжения, которые возникают в конструкции датчика, ниже допускаемых.

Заключение

В процессе работы был выполнен проверочный расчет прочности основных частей рельсового датчика, определены значения нагрузок, возникающие при воздействии случайных вибраций.

Результаты расчета показали, что максимальные напряжения, возникающее в конструкции датчика, не превышает допускаемого значения. Следовательно, конструкция полностью выдерживает нагрузки, возникающие от затяжки шпильки и воздействия случайных вибраций.

Обсудить проект

Больше расчетов

статьи проектов

Читать подробнее

Расчет на прочность и сейсмостойкость опорной башни совмещенной факельной системы со встроенными сепараторами

Выполнение проверочного расчета прочности основных частей опорной башни с учетом снеговых, ветровых и сейсмических нагрузок…

Расчет и подбор мачт ограждения поля для гольфа

Определение значения нагрузок, приходящихся на мачты ограждения спортивной площадки и их опоры, выбор наиболее надежных…

Читать подробнее

Расчет на прочность кровли резервуара противопожарного хранения

Подтверждение правильности выбора сортамента и конструктивных решений для установки хранения, в части выполнения…