Razvoj metodologije za eksperimentalnu i numeričku procenu integriteta nosećih delova vagonske konstrukcije izloženih cikličnom dinamičkom opterećenju

Abstract

Iz inženjerske prakse je poznato da su vagonske čelične konstrukcije tokom eksploatacije izložene složenim kombinovanim opterećenjima. Modernizacijom pruga, povećavanjem brzine kretanja, optimizacijom vagonskih konstrukcija, korišćenjem novih materijala, stvoreni su veliki izazovi u oblasti vagonske industrije. Paralelno sa povećanjem izazova, zahtevi u pogledu pouzdanosti i bezbednosti vagonskih konstrukcija postajali su sve veći. Predmet proučavanja i cilj rada na ovoj disertaciji je razvoj pouzdane metodologije za eksperimentalnu i numeričku procenu integriteta vagonskih konstrukcija izloženih promenljivim dinamičkim opterećenjima. Za potrebe procene integriteta delova vagonskih konstrukcija eksperimentalno su određivane karakteristike konstrukcionih čelika i čelika koji su već bili u fazi eksploatacije. Cilj ovih eksperimentalnih istraživanja je dobijanje dovoljnog broja podataka o materijalima i geometriji kritičnih zona vagonskih konstrukcija. Sistematizacijom dobijenih rezultata i onih koji su već dostupni u raznim oblicima literature napravljena je osnova za tumačenje rezultata dobijenih numeričkim proračunima. Kao plod razvijene metodologije, na realnim primerima iz prakse, prikazan je postupak procene integriteta nosećih delova rekonstruisane vagonske konstrukcije, koja je izložena promenljivim zamornim opterećenjima. Na osnovu eksperimentalnih i numeričkih rezultata izvršena je analiza postavljenog problema u skladu sa standardima u oblasti vagonskih konstrukcija. Drugi primer predstavlja procenu preostalog radnog veka, određivanje broja ciklusa do otkaza kritičnih zona nosećih delova vagonske konstrukcije na osnovu eksperimentalno dobijenih podataka i numeričkih rezultata proračuna. Korišćenje razvijene metodologije na konkretnim primerima i njena verifikacija u praksi, dovodi do znatne uštede pri veoma skupim ispitivanjima različitih prototipova vagona. Praktična primena razvijene metodologije u budućnosti bi mogla ostvariti pozitivan uticaj u oblasti vagonske industrije.

It is well known from the engineering experience that, during exploitation, steel structures of wagons are exposed to the complex combined loads. Modernization of rails by increasing the velocity, optimization of the wagon structures, using new materials, created great challenges in the field of wagon industry. Together with increasing challenges, the requirements in terms of reliability and safety of the wagon structure have increased as well. The subject of studying and purpose of this thesis is to develop a reliable methodology for the experimental and numerical evaluation of the integrity of the wagon structures exposed to the alternating dynamic loads. For the purpose of integrity estimation of the wagon parts, the characteristics of structural steel and steel in the phase of exploitation have been experimentally determined. The aim of this experimental research is to obtain sufficient data on materials and geometry relating to the critical zones of the wagon structures. Systematization of the obtained results and those that are already available in various forms of literature enabled forming the basis for the interpretation of the results of the numerical calculations. As a result of the developed methodology, the procedure of assessment of the integrity of loadbearing parts of the reconstructed wagon structure exposed to fatigue loads, is presented on the real examples in practice. The analysis of a problem was performed in accordance with the standards in the field of the wagon industry and based on the experimental and numerical results. Another example presents the remaining service life assessment, determination of the number of cycles to failure of critical load-bearing parts of the wagon structure according to the experimental data and numerical calculation results. Using of the developed methodology on concrete examples and its verification in practice lead to the significant savings in the very expensive tests of different prototypes of the wagon. Practical application of the developed methodology in the future could have a positive impact in the field of the wagon industry.