đánh giá kiểm nghiệm độ bền khung xơng thùng toa xe khách hai tầng đờng sắt Việt Nam chế tạo PGS. TS. lê văn học ThS. Kiều Công thành Bộ môn Đầu máy - Toa xe Khoa Cơ khí - Trờng ĐHGTVT Tóm tắt: Toa xe khách 2 tầng do Việt Nam chế tạo đang vận dụng trên tuyến đờng H Nội - Hải Phòng, thùng xe l bộ phận có kết cấu v chịu lực rất phức tạp. Hiện nay việc kiểm nghiệm độ bền khung xơng thùng toa xe khách 2 tầng l nhiệm vụ rất khó khăn, đòi hỏi nhiều công sức. Việc đánh giá chính xác độ bền của thùng toa xe khách 2 tầng đang vận dụng trên đờng sắt Việt Nam l vấn đề hết sức quan trọng v cần thiết phục vụ cho việc thiết kế v chế tạo mới toa xe hiện đại, đảm bảo an ton cao, tiết kiệm nguyên liệu. Bi báo đề cập việc áp dụng phần mềm Sap 2000 (phơng pháp phần tử hữu hạn) để đánh giá độ bền thùng toa xe khách 2 tầng - Một phơng pháp mới, hiện đại mang tính thời sự hiện nay, vừa có ý nghĩa thực tiễn cao v ý nghĩa khoa học. Summary: Double - deck carriages which are made in VietNam are working on the railway route HaNoi - Hai Phong. The carriage is a complex force - supported structure. Testing the strength of double - deck carriage's frames is now a demanding job. Making exact assessment of the strength of double - deck carriages' frames which are working on VietNam's railways is an important matter and necessary for designing and making new carriages with modernity, high safety and fuel - saving consumption. This paper presents the application of Software Sap 2000 (limited element method) to making assessment of the strength of double - deck carriages. A new, modern and update method with high practicality and scientificness. 1. Thông số kỹ thuật và lựa chọn sơ đồ tính toán thùng toa xe khách 2 tầng Việt Nam chế tạo 550 1490 1760 1270 1620 1620 1620 1620 1620 1270 1760 1490 550 1900 1110 1780 1620 1620 1620 1620 1690 550 A A G G D D 1290 1240 B B C C F F E E L L K K H H M M N N 550 1490 1760 1270 1620 1620 1620 1620 1620 1270 1760 1490 550550 1490 1760 1270 1620 1620 1620 1620 1620 1270 1760 1490 550 1900 1110 1780 1620 1620 1620 16201110 1780 1620 1620 1620 1620 1690 550 A A G G D D 1290 1240 B B C C F F E E L L K K H H M M N N A A G G D D 1290 1240 B B C C F F E E L L K K H H A A G G A A G G A A A A G G G G D D 1290 1240 B B C C F F E E L L K K H H D D 1290 1240 B B C C F F E E L L K K D D D D D D 1290 1240 B B C C F F E E L L K K 1290 12401290 1240 B B C C F F E E L L K K B B B B C C C C F F F F E E E E L L L L K K K K H H H H M M N N M M M M N N N N Chiều cao thùng xe : 2,9 m. Chiều dài thùng xe : 20,7 m. Chiều rộng thùng xe : 2,9 m. Khoảng cách hai cối chuyển: 17,6 m. Tải trọng trục : 14 tấn/trục. Cự ly trục : 2,2 m. Trọng lợng giá chuyển : 5 tấn. Trọng lợng toàn thể của toa xe : 56 tấn. Trọng lợng thùng xe: 44 tấn. Sơ đồ tính toán thùng xe là một hệ thống khung siêu tĩnh gồm các thanh liên kết cứng với nhau. Hai phần đầu toa xe một tầng gồm các thanh đai trên, đai dới, cột đứng vách ngăn cửa sổ, cửa ra vào. Phần giữa xe hai tầng thêm thanh đai giữa (sàn tầng 2). Tổng số 20 ô kín siêu tĩnh, nếu tính bằng tay với bài toán này 60 ẩn số là không có khả năng. - Các đặc trng hình học: + Mặt cắt A - A F = 26 cm 2 ; J x = 3,447.10 3 cm 4 ; J y = 5,773.10 3 cm 4 . + Mặt cắt B - B F = 116 cm 2 ; J x = 100,0.10 3 cm 4 ; J y = 42,37.10 3 cm 4 . + Mặt cắt C - C F = 232 cm 2 ; J x = 500,0.10 3 cm 4 ; J y = 89,55.10 3 cm 4 . + Mặt cắt D - D ; E - E F = 92 cm 2 ; J x = 76,96.10 3 cm 4 ; J y = 32,61.10 3 cm 4 . + Mặt cắt F - F F = 124 cm 2 ; J x = 100,0.10 3 cm 4 ; J y = 45,63.10 3 cm 4 . + Mặt cắt G - G F = 156 cm 2 ; J x = 200,0.10 3 cm 4 ; J y = 58,64.10 3 cm 4 . + Mặt cắt H - H F = 26 cm 2 ; J x = 3,447.10 3 cm 4 ; J y = 5,773.10 3 cm 4 . + Mặt cắt K - K F = 232 cm 2 ; J x = 89,55.10 3 cm 4 ; J y = 500,0.10 3 cm 4 . + Mặt cắt L - L F = 74 cm 2 ; J x = 25,29.10 3 cm 4 ; J y = 49,67.10 3 cm 4 . + Mặt cắt M - M F = 144 cm 2 ; J x = 57,01.10 3 cm 4 ; J y = 200,0.10 3 cm 4 . + Mặt cắt N - N F = 152 cm 2 ; J x = 53,76.10 3 cm 4 ; J y = 200,0.10 3 cm 4 . 50 10 100 A A 500 100 1010 B B 380 100 1010 D D ; E E 100 10 1080 10 C C 540 100 1010 F F 700 100 1010 G G 10 100 680 N N 100 10 640 M M 100 10 290 10 L L 10 100 1080 K K 100 10 50 H H 50 10 100 A A 500 100 1010 B B 50 10 100 A A 50 10 100 10 100 A A 500 100 1010 B B 500 100 1010 100 1010 B B 380 100 1010 D D ; E E 100 10 1080 10 C C 380 100 1010 D D ; E E 380 100 1010 D D ; E E 100 10 1080 10 C C 100 10 1080 10 C C 540 100 1010 F F 700 100 1010 G G 540 100 1010 F F 540 100 1010 100 1010 F F 700 100 1010 G G 700 100 1010 100 1010 G G 10 100 680 N N 100 10 640 M M 100 10 290 10 L L 10 100 1080 K K 100 10 50 H H 10 100 680 N N 10 100 680 N N 100 10 640 M M 100 10 640 10 640 M M 100 10 290 10 L L 100 10 290 10 L L 10 100 1080 K K 10 100 1080 10 100 1080 K K 100 10 50 H H 100 10 50 10 50 H H 2. Tính toán độ bền khung xơng thùng xe bằng phơng pháp phần tử hữu hạn a. Nguyên tắc chung tính độ bền kết cấu thùng toa xe 2 tầng bằng phơng pháp PTHH b. Sơ đồ thuật toán tính kết cấu thùng xe 2 tầng bằng phần mềm máy tính SAP 2000 3. ứng dụng SAP 2000 - Phơng pháp phần tử hữu hạn để giải các bài toán kết cấu thùng toa xe khách 2 tầng. * Bớc 1: Chuyển từ sơ đồ kết cấu sang sơ đồ tính. Bao gồm các đờng trục tâm hình của các thanh đai trên, đai dới, đai giữa và các cột đứng liên kết cứng với nhau. Mô hình toán học đợc mô tả bằng phơng trình vi phân với giả thiết: -Hình học -Động học - Trạng thái ứng suất của vật liệu - Tải trọng - Điều kiện biên Lời giải bằng phần tử hữu hạn Chọn: - Phần tử mẫu thích ứng -Tạo lới phần tử thích hợp - Các thông số điều khiển khai báo: - Hình học - Tải trọng tác dụng - Điều kiện biên Đánh giá độ chính xác của bi toán v mô hình toán học Thay đổi phần tử, các thông số điều khiển VD:Độ chính xác yêu cầu Phân tích v biểu diễn kết quả Cải tiến thiết kế,tối u hoá kết cấu Hon thiện quá trình phân tích bi toán Cải tiến mô hình toán học Thay đổi bi toán thùng xe Bi toán thùng xe Mô hình toán học đợc mô tả bằng phơng trình vi phân với giả thiết: -Hình học -Động học - Trạng thái ứng suất của vật liệu - Tải trọng - Điều kiện biên Lời giải bằng phần tử hữu hạn Chọn: - Phần tử mẫu thích ứng -Tạo lới phần tử thích hợp - Các thông số điều khiển khai báo: - Hình học - Tải trọng tác dụng - Điều kiện biên Đánh giá độ chính xác của bi toán v mô hình toán học Thay đổi phần tử, các thông số điều khiển VD:Độ chính xác yêu cầu Phân tích v biểu diễn kết quả Cải tiến thiết kế,tối u hoá kết cấu Hon thiện quá trình phân tích bi toán Cải tiến mô hình toán học Thay đổi bi toán thùng xe Bi toán thùng xe Thay đổi bi toán thùng xe Bi toán thùng xeBi toán thùng xe Kết cấu thùng xe 2 tầng thực tế Mô hình tính toán Phân tích kết cấu TảI trọng tác dụng Rời rạc hoá kếtcấu Trọn phần tử mẫu Kết quả GiảI bI toán đặc trng hình học đIều kiện biên Nội lực Quan hệ chuyển vị tảI trọng V=u 1 u 2 u 3 u 11 u 12 Hệ Phơng trình vi phân đạo hm riêng u= n u K u =f ứng suất Kiểm tra ứng suất Kết cấu thùng xe 2 tầng thực tế Mô hình tính toán Phân tích kết cấu TảI trọng tác dụng Rời rạc hoá kếtcấu đặc trng hình học Trọn phần tử mẫu đIều kiện biên Quan hệ chuyển vị tảI trọng V=u 1 u 2 u 3 u 11 u 12 Hệ Phơng trình vi phân đạo hm riêng K u =f u= n u GiảI bI toán Kết quả Nội lực ứng suất Kiểm tra ứng suất + Yêu cầu tìm ứng suất v kiểm tra độ bền của thùng xe khi chịu tải trọng. + Dạng kết cấu của bi toán: 6,91KN/cm + Các tải trọng tác dụng lên kết cấu thùng xe : chia theo tỷ lệ độ cứng - Tải trọng thẳng đứng rải đều thanh đai dới q 1 = 16,94 KN/cm. - Tải trọng thẳng đứng rải đều thanh đai giữa q 2 = 6,91 KN/cm - Tải trọng tập trung tại đầu mút của thanh đai dới T = 1000 KN * Bớc 2: Rời rạc hoá kết cấu. - Đánh số điểm nút các phần tử Chia kết cấu thành 222 phần tử và điểm nút trên các phần tử nh hình vẽ. - Phân chia các phơng án tải trọng: + Tải trọng q 1 và q 2 phân bố rải đều lên kết cấu thùng xe (ký hiệu trong SAP: Q). + Lực đấm kéo T tập trung tại các đầu mút của thanh đai dới (ký hiệu SAP: DAM). 16,94KN/cm 1000KN 1000KN 6,91KN/cm6,91KN/cm 16,94KN/cm16,94KN/cm 1000KN 1000KN 1234 5 678 91011121314151617181920212223242526272829 3736353433323130 40 41 43 42 44 5145 46 47 48 49 50 5452 53 7170 78777675747372 3938 55 56 696867 79 80 81 57 5958 60 61 62 63 64 8884 85 86 87 89 90 91 66 65 83 82 92 94 96 93 95 97 98 209 210 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 200 203 204 205 206 207 208 201 202 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 1234 5 678 91011121314151617181920212223242526272829 3736353433323130 40 41 43 42 44 5145 46 47 48 49 50 5452 53 7170 78777675747372 3938 55 56 696867 79 80 81 57 5958 60 61 62 63 64 8884 85 86 87 89 90 91 66 65 83 82 92 94 96 93 95 97 98 209 210 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 200 203 204 205 206 207 208 201 202 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 6,91KN/cm 16,94KN/cm 6,91KN/cm 16,94KN/cm 6,91KN/cm6,91KN/cm 16,94KN/cm16,94KN/cm 1000KN 1000KN 1000KN 1000KN * Bớc 3: Giải bi toán - Thực hiện giải bài toán - Kiểm tra độ chính xác của kết quả. - Hiệu chính dữ liệu ban đầu nếu cần thiết. * Bớc 4: Biểu diễn kết quả - Biểu diễn kết quả bằng hình vẽ + Biểu đồ mômen uốn M uốn trên kết cấu thùng xe (KNcm) + Biểu đồ lực dọc trục N trên kết cấu thùng xe (KN) + Biểu đồ lực cắt Q trên kết cấu thùng xe (KN) - Xử lý các kết quả nếu cần. - Sử dụng kết quả Bảng giá trị tính toán độ bền thùng toa xe 2 tầng bằng SAP 2000 Mặt cắt M uốn (KNm) Q (KN) N (KN) (KN/m 2 ) 7 6.77 -13.87 -9.23 1615.76 8 13.90 -13.18 -9.23 1617.38 38 -11.62 -17.29 1.89 1183.49 41 16.66 -14.42 0.41 1089.59 42 21.30 -11.01 0.41 1657.86 43 22.80 -10.05 -0.46 1839.18 44 25.69 -8.12 -0.46 2166.22 45 28.07 -5.69 -0.46 2457.64 46 27.89 -3.92 -0.72 2425.26 47 27.96 0 -0.72 2428.50 60 -4.86 3.57 -97.90 1408.53 61 -7.93 -3.96 -97.90 1387.48 63 8.03 -13.60 5.45 1385.86 64 15.43 -12.95 5.45 1429.58 65 7.63 6.86 21.99 1431.20 66 3.48 7.18 21.83 1314.14 67 -2.16 -2.54 25.09 1312.52 69 1.47 -1.87 25.09 1359.96 96 5.99 7.13 -16.75 1376.15 97 -6.05 7.13 -15.82 1455.48 98 -7.80 17.16 -8.05 1445.77 100 1.90 -2.48 0.90 1121.97 101 -1.16 1.78 -0.68 1351.87 103 -6.72 -0.61 0.98 1348.63 4. Kết luận Nếu dùng phơng pháp lực thông thờng để tính toán độ bền khung xơng thùng xe khách 2 tầng là bài toán kết cấu siêu tĩnh bậc cao (60 ẩn số) không thể tính bằng tay và các phép giải thông thờng vì độ chính xác kém, phải đa vào các giả thiết nhằm đơn giản kết cấu, độ tin cậy không cao, do vậy phải lựa chọn phơng pháp phần tử hữu hạn để tính toán. ứng dụng Phơng pháp phần tử hữu hạn thì sơ đồ tính gồm các thanh đai dới, thanh đai giữa, thanh đai trên, các vách ngăn và cột đứng góc liên kết cứng với nhau. Sơ đồ này rất phức tạp và chính xác hơn sơ đồ tính của phơng pháp lực. Kết quả tính cho thấy ứng suất lớn nhất tại các vị trí mặt cắt 42, 43, 44, 45, 46, 47 (của thanh đai giữa) vợt quá giá trị ứng suất cho phép [] = 1900 KN/m 2 . Thanh đai giữa thực chất là sàn của tầng 2 xe khách, trong sơ đồ tính bỏ qua sàn thép bọc do đó độ cứng của thanh đai giữa nhỏ hơn thực tế nhiều; Ngoài ra để đánh giá thật đầy đủ độ bền của thanh đai giữa cần tính toán thêm bằng một phơng pháp khác, tính toán độ võng của thanh đai giữa từ đó mới có thể có kết luận cuối cùng về khả năng làm việc lâu dài của khung xơng thùng xe. Các nội dung này sẽ đợc đăng trong số báo gần đây. Tài liệu tham khảo [1]. Kiều Công Thnh. Luận văn thạc sỹ KHKT. Đại học GTVT, 2003. [2]. Bùi Đức Vinh. Phân tích và thiết kế kết cấu bằng phần mền SAP 2000. Đại học Bách Khoa TP. HCM - NXB thống kê. [3]. Lê Xuân Thọ. Sử dụng Micro FEAP & SAP 90 trong tính toán kết cấu. NXB Đồng Nai. [4]. I. M. SMITH v D. V. GRIFITHS. Lập chơng trình tính toán công trình xây dựng bằng Phơng pháp phần tử hữu hạn. Trờng Đại học Tổng hợp Manchester. NXB Xây dựng . đánh giá kiểm nghiệm độ bền khung xơng thùng toa xe khách hai tầng đờng sắt Việt Nam chế tạo PGS. TS. lê văn học ThS. Kiều Công thành Bộ môn Đầu máy - Toa xe Khoa Cơ khí -. Toa xe khách 2 tầng do Việt Nam chế tạo đang vận dụng trên tuyến đờng H Nội - Hải Phòng, thùng xe l bộ phận có kết cấu v chịu lực rất phức tạp. Hiện nay việc kiểm nghiệm độ bền khung xơng thùng. khung xơng thùng toa xe khách 2 tầng l nhiệm vụ rất khó khăn, đòi hỏi nhiều công sức. Việc đánh giá chính xác độ bền của thùng toa xe khách 2 tầng đang vận dụng trên đờng sắt Việt Nam l vấn đề