Программа и методика испытаний кузова из композиционных

ООО «Научно-технологический
испытательный центр
АпАТэК-Дубна»
Программа и методика испытаний кузова из
композиционных материалов для вагона-хоппера
на основе конструктивно-подобных образцов
141980 г.Дубна, Московская область, ул. Университетская д.11 стр.16
Тел./факс +7 (495) 221-3134,
sttc@apatech.ru www.apatech.ru
2013
Комплекс испытаний кузова из композиционных
материалов для вагона-хоппера модели 19-5167
Объектами, которые включает комплекс испытаний кузова вагона-хоппера, являются:
 Материалы
 Узлы, элементы, детали
 Компоненты и субкомпоненты
 Натурный опытный образец кузова из композиционных материалов в составе вагона
С целью определения соответствия кузова требованиям ТЗ и установления его готовности к
испытаниям в рамках натурных испытаний всего вагона-хоппера разработана «Программаметодика материалов, узлов, элементов и натурного опытного образца кузова из
композиционных материалов на вагон–хоппер модели 19-5167 для перевозки сыпучих грузов»
касающаяся первых трех пунктов, и не включающая в себя испытания натурного опытного
образца кузова. Его испытания предполагается выполнить в рамках натурных испытаний всего
вагона-хоппера.
Программа-методика устанавливает процедуру проведения испытаний элементарных образцов
используемых материалов в конструкции кузова, а также исследования конструктивноподобных образцов для определения их несущей способности и жесткости в условиях
нормальной температуры при монотонном статическом нагружении до полного разрушения
или до достижения величины нагрузки, заданной настоящей методикой
Программа испытаний разработана в соответствии с принципами обоснования прочности
конструкций на основе философии «building block» и распространяется на опытный образец
кузова вагона–хоппера, изготовленного из композиционных материалов марки "АпАТэКСТИНК" методом вакуумной инфузии
Методология ««building block»
(принцип обоснования прочности конструкции)
 Целью данного подхода является
сертификация конструкции на
основе расчетных методов,
подтвержденных экспериментом.
Сочетание расчетных и
экспериментальных методов
совместно с оценками на основе
верифицированных
аналитических методов позволяет
разработать план испытаний для
сертификации значительно менее
дорогостоящий по сравнению с
подходом, основанным
исключительно на применении
экспериментальных методов
Основа для разработки программы
и определения перечня КПО
Программа испытаний разработана на
основе результатов технической
справки
«Прочностной
поверочный расчет конструкции и
зон соединений опытного образца
кузова
из
композиционного
материала на вагон – хоппер 19-5167
для перевозки сыпучих грузов»,
которая содержит расчеты КЭ
модели кузова, построенной на
основе трехмерной геометрической
модели
кузова,
выполненной
средствами SolidWorks.
Программа и методика испытаний кузова из композиционных
материалов для вагона-хопера модели 19-5167
Схема испытаний по методологии "Building Block"для образца
кузова из композиционного материала (три основных уровня
испытаний)
 Элементарные образцы материала
Определение расчетных характеристик композиционного монолитного материала для
элементов кузова, определение расчетных характеристик трехслойного материала,
подтверждение применяемой расчетной предпосылки о соответствии свойств силовых слоев
трехслойного материала свойствам исходного стеклопластика.
 Узлы, элементы, детали
Обоснование прочности соединений и критических зон конструкции. Верификация расчетной
методики оценки местной прочности . Подтверждение прочности и жесткости такого элемента
как плоская часть крыши кузова.
 Субкомпоненты и компоненты
Проверка на прочность и жесткость такого элемента конструкции кузова как крыша при
действии расчетных нагрузок. Верификация расчетной методики оценки прочности и
жесткости конструкции, выявление потенциально критических мест конструкции, оценка
соответствия конструкции требованиями Технического задания по жесткости и прочности, а
также принятие решения о возможности изготовления опытного образца кузова и
представления его на приемочные испытания
Зоны, прочность которых обосновывается
испытаниями конструктивно-подобных образцов
Конструктивно-подобные образцы
 Образец для моделирования присоединения торцевой





стены кузова к хребтовой балке
Образец для моделирования зоны стыка боковой и торцевой
обшивок
Образец для определения усилия на вырыв узла ШОГсоединения
Образец, имитирующий регулярный шпангоут основания
кузова в зоне перелома и обшивку стены кузова
Образец для моделирования соединения крайнего
шпангоута с обшивкой боковой стены кузова
Образец плоской части крыши
Определение нагружения зон, выбранных
для испытаний
 Присоединения торцевой стены кузова к хребтовой балке
Выбор этой зоны для проведения испытаний КПО обусловлен концентрацией напряжений в
зоне в зоне перегиба через края подкосов торцевых стен при действии нагрузок расчетного
случая, моделирующего максимальное продольное ускорение 3.5g на груженый вагон .
Наиболее критичным нагружением для этой зоны является отрыв балки от торцевой стены
кузова. На рисунке показано значение максимального усилия отрыва обшивки торцевой стены
от хребтовой балки нагрузка на базе, соответствующей ширине КПО
Определение нагружения зон, выбранных
для испытаний
 Зона стыка боковой и торцевой стен
Выбор этой зоны для проведения испытаний обусловлен концентрацией напряжений в зоне
стыка торцевой и боковой стен кузова. На рисунке показано значение действующей
растягивающей нагрузки на базе, соответствующей ширине образца.
Определение нагружения зон, выбранных
для испытаний
 Зона перегиба регулярного шпангоута
Эта зона по результатам расчета характеризуется
высоким уровнем растягивающих напряжений в
шпангоуте при действии нагрузок бокового распора
при засыпании кузова сыпучим грузом . На рисунке
показано значение основной действующей силы в
критическом сечении регулярного шпангоута.
Определение нагружения зон, выбранных
для испытаний
 Зона соединения крайнего шпангоута и обшивки боковой стены кузова
Эта зона по результатам расчета характеризуется высоким уровнем нагруженности болтовых
соединений шпангоута и обшивки с боковой обвязкой рамы вагона при действии нагрузок
расчетного случая, моделирующего максимальное продольное ускорение 3.5g на груженый
вагон . На рисунке показано значение соответствующей силы, действующей в сечении
обшивки. Плечо действия силы равно 500 мм (расстояние от центра жесткости болтовой
группы до точки приложения силы).
Образец для моделирования присоединения
торцевой стены кузова к хребтовой балке
Схема нагружения образца соответствует нагружению
моделируемого
элемента
в
конструкции
крыши,
возникающему
при
торможении
вагона-хопера,
заполненного грузом. При нагружении образца была
реализована схема нагружения, близкая к схеме
равномерного отрыва обшивки от хребтовой балки при
одновременном изгибе обшивки в одной плоскости.
Подобная схема, при пренебрежении изгибом хребтовой
балки, моделирует нагружение регулярной (центральной)
зоны торцевой части кузова, когда внутреннее давление
отрывает обшивку, прикрепленную к относительно жестко
закрепленной хребтовой балке.
Образец для моделирования зоны стыка
боковой и торцевой обшивок
Образец представляет собой квадратную трубу
длиной 100мм, размер сечения~400х400мм.
Стенки образца изготовлены из материала
обшивки основания кузова. При нагружении
образца моделируется нагружение зоны стыка
обшивок, которая подвержена действию
изгибающего момента и растяжения
Образец для определения усилия на вырыв
узла ШОГ-соединения
 Образец представляет собой профилированную пластину из
композитного материала, соответствующего различным элементам
кузова вагона-хопера, соединенные при помощи болтового
соединения, имитирующего ШОГ-соединение (соединение при
помощи штифт-обжимной головки)
Образец для определения усилия на вырыв
узла ШОГ-соединения
Образец, имитирующий регулярный шпангоут
основания кузова в зоне перелома
 При проектировании образца и
оснастки для его нагружения было
обеспечено нагружение зоны перегиба
шпангоута, с заданным коэффициентом
надежности соответствующее высокому
уровню растягивающих напряжений в
шпангоуте в зоне перегиба при
действии нагрузок бокового распора
при засыпании кузова сыпучим грузом.
Образец для моделирования соединения крайнего
шпангоута (“брошенного”) с обшивкой боковой
стены кузова
 Выбор этой зоны для проведения
испытаний обусловлен высоким
уровнем нагруженности
расположенных в зоне
приформовки шпангоута болтовых
соединений обшивки кузова с
боковой обвязкой рамы вагона
при воздействии на груженый
кузов продольного ускорения 3,5 g
Образец плоской части крыши
Образцы представляют собой
панели с размерами 1500х450мм в
виде трехслойной панели с
обшивками квазиизотропного
материала «АпАТэК СТИНК»
толщиной 2 мм и с заполнителем
3D CORE PET 150 толщиной 10 мм.
Цель испытаний - подтвердить
прочность пешеходной зоны крыши
вагона при воздействии
сосредоточенной пешеходной
нагрузки .
Представленная программа и методика испытаний кузова из композиционных
материалов для вагона-хоппера на основе конструктивно-подобных образцов
позволила экспериментально подтвердить прочность определенных в результате
КЭ расчета критических зон кузова, моделируемых конструктивно-подобными
образцами. Испытания КПО являются одним из основных этапов подтверждения
принятых методик расчета, оценки соответствия конструкции кузова
предъявляемым требованиям, а также определения готовности к изготовлению
опытного образца и поставке его на приемочные испытания.