تجزیه و تحلیل خستگی و تعیین عمر در طراحی کوپلر قطار با در نظر گرفتن بارهای مکانیکی چرخه­ای

فهرست مطالب

1    مقدمه و پیشینه پژوهش

1.1         مقدمه.. 2

1.2         معرفیقلابوپروفیلآن.. 5

1.3         نیروهایاعمالیبهکوپلر.. 7

1.4         تحقیقاتانجامشدهدرموردکوپلرقطار.. 7

2    پایه‌های نظری

2.1         تئوریحاکمبرنحوهاعمالنیرو.. 15

2.2         خستگی.. 21

2.3عمراولیه (قبلازشروعترک).. 28

2.3.1      خستگیسیکلکمچرخه.. 28

2.3.1.1                   مدلفاطمی- سوسی.. 28

2.3.1.2                                   مدلاسمیت- واتسون- تاپر (  )برمبنایمعیارصفحاتبحرانی   29

2.3.1.3…………………………………………………………………………………. مدلمارو . 30

2.3.1.4                                  مدلاسمیت- واتسون- تاپر ( )برمبنایتنش-کرنشموضعی   30

2.3.2      خستگیسیکلپرچرخه.. 31

2.3.2.1        مدلفیندلی . 31

2.4      فازرشدترک.. 32

3   آزمایشاتتجربی

3.1         ساختقطعه.. 37

3.1.1    عملیاتحرارتی.. 38

3.1.2    ساختنمونهبرایحصولبهخواصمکانیکی.. 38

3.2         اطلاعاتتجربیبرايمشخصاتمکانیکیموادقلاب.. 40

3.3         آزمایشاستاتیکیقلاب.. 40

3.4         آزمایشخستگیقلاب.. 42

4        تحلیلعددیونتیجه‌گیری

4.1         روشهايالمانمحدود.. 46

4.2         متدولوژياجزاءمحدودقلاببرايتحلیلتنش‌هاوکرنش‌ها.. 47

4.2.1    مدلسازیقلابباتوجهبههندسهآن.. 48

4.2.2    شرایطمرزیواعمالبارگذاری.. 48

4.2.2.1      اتصالقلابزنجیریباقلاباتوماتیک.. 49

4.2.2.2      اتصالدوقلابزنجیری.. 51

4.2.3    مشبندیقلاب.. 52

4.3         تحلیلاستاتیکیاتصالقلابزنجیریباقلاباتوماتیک.. 52

4.4         اتصالدوقلابزنجیری (کششازدوناحیه).. 54

4.5         تخمینعمرخستگی.. 57

4.5.1    خواصخستگیفولاداستفادهشده.. 58

4.5.2    مدلهایمحاسبهعمرخستگی.. 60

4.5.3    تخمینعمرخستگیشفت.. 61

4.6         تخمینعمرخستگیقلابقطار.. 65

4.6.1    اتصالقلابزنجیریباقلاباتومات.. 65

4.6.1.1      اتصالدوقلابزنجیری.. 68

4.7         تحلیلخستگیسیکلپرچرخهقلاب.. 70

5        پیوست

5.1       روندبرنامهنویسیبرایخستگیبرمبنایصفحاتبحرانی.. 73

5.2       برنامهکامپیوتریتخمینعمراسمیت- واتسون- تاپروفاطمیسوسی.. 77

5.3       برنامهکامپیوتریتخمینعمرفیندلی.. 79

5.4       برنامهکامپیوتریتخمینعمرمارو.. 81

5.5       برنامهکامپیوتریتخمینعمرمارواصلاحشده.. 82

5.6       برنامهکامپیوتریتخمینعمراسمیت- واتسون- تاپر.. 83

5.7       برنامهکامپیوتریتخمینتغییراتنیرویپیوستهقلاب.. 84

 

فهرست شکل‌ها و نمودارها

شکل 1-1:قلاب و انواع آن …………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….5

شکل 1-2:پروفیل قلاب زنجیری …………………………………………………………………………………………………………………………………………………..6

شکل 1-3:نمونه­­ای ازقلاب های شکسته شده ………………………………………………………………………………………………………………………………8

شکل 1-4:نیروی مجموع کوپلر در مقابل جابجایی آن…………………………………………………………………………………………………………………8

شکل 1-5: شکل شماتیک قطار با نیروهای داخلی آن ………………………………………………………………………………………………………………….9

شکل 1-6: کله‌گیر قلاب اتوماتیک……………………………………………………………………………………………………………………………………………..13

شکل 2-1:نحوه اعمال نیرو در حالت اتصال دو قلاب زنجیری (حالت1) ………………………………………………………………………………….15

شکل 2-2: نحوه اعمال نیرو در حالت اتصال قلاب زنجیری با قلاب اتوماتیک(حالت 2) …………………………………………………………..16

شکل 2-3:نمودار تغییرات سرعت قطار………………………………………………………………………………………………………………………………………17

شکل 2-4:نمودار نیروی محرک قطار در برابر زمان شتابگیری…………………………………………………………………………………………………18

شکل 2-5:نیروهای وارده به واگن ………………………………………………………………………………………………………………………………………………18

شکل 2-6:نیروی قلاب در برابر زمان شتابگیری ………………………………………………………………………………………………………………………..19

شکل 2-7:تاثیر تغییرات سرعت در مقدار تغییرات نیروی قلاب ……………………………………………………………………………………………….20

شکل 2-8:نمونه‌ای از قلاب های شکسته شده …………………………………………………………………………………………………………………………..25

شکل 2-9:نمونه ای از مدل استفاده شده برای تخمین طول ترک اولیه …………………………………………………………………………………..34

شکل 3-1:نمونه‌ای از قلاب‌های ساخته شده ……………………………………………………………………………………………………………………………..37

شکل 3-2:قلاب عملیات حرارتی شده ……………………………………………………………………………………………………………………………………….39

شکل 3-3:نمونه های استاتیکی …………………………………………………………………………………………………………………………………………………39

شکل 3-4:نمودار تنش کرنش ماده استفاده شده ……………………………………………………………………………………………………………………..40

شکل 3-5:نحوه انجام آزمایش استاتیکی قلاب …………………………………………………………………………………………………………………………41

شکل 3-6:نمونه‌ای از شکست استاتیکی قلاب ………………………………………………………………………………………………………………………….41

شکل 3-7:نتایج حاصل از آزمایشات غیر مخرب روی قلاب‌های شرکت راه‌آهن تبریز ……………………………………………………………43

شکل 3-8:نمونه‌ای از نحوه انجام آزمایشات خستگی قلاب ……………………………………………………………………………………………………..43

شکل 3-9:نمونه‌ای از شکست قلاب تحت بارهای اعمالی خستگی …………………………………………………………………………………………44

شکل 4-1:مدل نرم افزاری قلاب ………………………………………………………………………………………………………………………………………………48

شکل 4-2:محل تکیه­گاه قلاب زنجیری ……………………………………………………………………………………………………………………………………49

شکل 4-3:نحوه اعمال نیرو در حالت 2 ……………………………………………………………………………………………………………………………………50

شکل 4-4:سطح اعمال نیرو در حالت 2 …………………………………………………………………………………………………………………………………..50

شکل 4-5:اتصال دو قلاب زنجیری در حالت 2 ………………………………………………………………………………………………………………………..51

شکل 4-6:نحوه اعمال نیرو در حالت 1 …………………………………………………………………………………………………………………………………….51

شکل 4-7:قلاب مش بندی شده ………………………………………………………………………………………………………………………………………………52

شکل 4-8:نتایج تنش وون مایزز برای کار قلاب در حالت 2 تحت بار 7 تن …………………………………………………………………………..53

شکل 4-9:کانتور تنش برای کار قلاب در حالت 1 تحت بار 7 تن …………………………………………………………………………………………..54

شکل 4-10:کانتور تنش برای کار قلاب در حالت 1 تحت بار 9 تن ………………………………………………………………………………………..55

شکل 4-11:ابعاد شفت مورد مطالعه …………………………………………………………………………………………………………………………………………58

شکل 4-12:مقایسه عمر‌های تخمین زده شده با نتایج تجربی برای شفت مورد مطالعه ………………………………………………………..62

شکل 4-13:درصد عمرهای تخمین زده شده برای فاز رشد ترک در مقابل عمر کل ……………………………………………………………..63

شکل 4-14:مقایسه عمر تخمین زده شده با استفاده از معیارهای مختلف جهت حصول به طول ترک اولیه ……………………….65

شکل 5-1:بردارهای هادی صفحه بحرانی …………………………………………………………………………………………………………………………………73

شکل 5-2:فلوچارت استفاده شده برای کدنویسی صفحات بحرانی …………………………………………………………………………………………76

فهرست جداول

جدول 1-1:مقایسه سهم هزینه‌های ترابری در هزینه خالص ملی و تولید ناخالص ملی ایران و جهان …………………………………….3

جدول 1-2:خواص شیمیایی معرفی شده در استاندارد برای قلاب …………………………………………………………………………………………….6

جدول 2-1:مدل های استفاده شده در تعیین عمر خستگی ……………………………………………………………………………………………………26

جدول 3-1:ترکیبات شیمیایی مواد قلاب …………………………………………………………………………………………………………………………………38

جدول 3-2:خواص مکانیکی فولاد استفاده شده ……………………………………………………………………………………………………………………….40

جدول 3-3:نتایج تست خستگی فلاب تحت بارهای مشخص در سیکل کم‌چرخه ………………………………………………………………….56

جدول 4-1:مقایسه تنش‌های موجود روی قلاب برای حالات 1 و 2 تحت بار7 تن …………………………………………………………………59

جدول 4-2:خواص خستگی فولاد استفاده شده ………………………………………………………………………………………………………………………..60

جدول 4-3:معیارهای بکار رفته برای تخمین عمر خستگی ………………………………………………………………………………………………………64

جدول 4-4:عمرهای تخمین زده شده برای شفت با استفاده از معیارهای مختلف …………………………………………………………………..66

جدول 4-5:بارگذاری در محدوده 5/5-5/0 تن …………………………………………………………………………………………………………………………66

جدول 4-6:بارگذاری در محدوده 5/6-5/0 تن ………………………………………………………………………………………………………………………….66

جدول 4-7:بارگذاری در محدوده 6-1 تن …………………………………………………………………………………………………………………………………66

جدول 4-8:بارگذاری در محدوده 5/6-1 تن ……………………………………………………………………………………………………………………………..67

جدول 4-9:پارامتر آسیب محاسبه شده برای قلاب تحت بارهای مختلف …………………………………………………………………………………68

جدول 4-10:بارگذاری در محدوده 5/5-5/0 تن ……………………………………………………………………………………………………………………….68

جدول 4-11:بارگذاری در محدوده5/6-5/0 تن …………………………………………………………………………………………………………………………69

جدول 4-12:بارگذاری در محدوده 6-1 تن ………………………………………………………………………………………………………………………………69

جدول 4-13:بارگذاری در محدوده 5/6-1 تن …………………………………………………………………………………………………………………………..69

جدول 4-14:عمر تخمین زده شده با استفاده از مدل فیندلی برای رژیم چرخه بالا ……………………………………………………………….71