Analiza cu Elemente Finite a Vagonului Tip E.a.o.s

1. Prezentare generală

1.1. Transporturile în România

Rețeaua de transport din România este destul de variată, această țară situându-se din acest punct de vedere la un nivel acceptabil față de celelalte țări. Transporturile sunt urbane în interiorul localitățiilor dar și interurbane.

În momentul de față în România nu există statistici oficiale cu privire la numărul persoanelor care folosesc autovehiculele proprietate personală, ci doar cele referitoare la traficul interurban și internațional. Astfel în anul 2008 s-au înregistrat un număr total de 384.515.000 călători, din aceștia 296.954.000 (77%) au călătorit pe cale rutieră, iar 78.252.000 (20%) au ales trenul ca mijloc de transport. Avionul a fost preferat de circa 9.077.000 persoane, restul pasagerilor (232.000) preferând căile fluviale și maritime.

În următorii ani se preconizează investiții majore în infrastructura de transport prin modernizarea unor drumuri naționale și de interes local, dar și în construcția de autostrăzi. De asemenea se urmărește modernizarea căilor ferate și creșterea vitezei medii de circulație, care în prezent se află la un nivel scăzut față de alte țări europene, dar și construirea unor noi căii ferate, cum ar fi Vâlcele-Râmnicu Vâlcea aflată pe coridorul IV de transport european. Alte măsuri care urmează a fi luate pentru modernizarea infrastructurii românești o reprezintă construcția de noi aeroporturi (Ghimbav-Brașov, Galați-Brăila etc.) și mărirea capacităților celor existente. În domeniul transporturilor navale se va urmări creșterea traficului pe Dunăre.

1.2. Clasificarea transporturilor din Romania

Transporturile asigură bună desfășurare a producției în industrie și agricultură, circulația bunurilor materiale, a oamenilor și a informației. Explozia informațională și amploarea turismului au impulsionat activitatea în transporturi.

Figura 1.1 Clasificarea transporturilor

Mediul în care sunt amplasate căile de comunicații a determinat si diferențierea transporturilor în: terestre, navale, aeriene și speciale.

1.2.1. Transporturile terestre

Transporturile terestre includ caile ferate, caile rutiere, conductele, transporturile urbane etc., iar cele navale cuprind transporturile navale interioare si transporturile navale maritime.

Transporturile feroviare, concurate de cele navale, rutiere si aeriene, si-au mentinut importanta in multe tari ale lumii datorita unor avantaje precum capacitatea, viteza, siguranta in exploatare. Astfel daca la transportul de calatori se inregistreaza in general scaderi, la cel de marfuri, mai ales al celor voluminoase, se mentin cote ridicate, precum si exploatarea unor resurse din regiuni geografice relativ izolate aflate in conditii climatice dificile ar fi aproape imposibila fara o retea de cai ferate.

În ultimele decenii s-a extins rețeaua de căi ferate în țările Europei Centrale și de Est, în China, Asia de Sud și de Sud-Est, în Asia de Sud-Vest, America Latină, Australia și Africa. Au fost construite multe linii în zone greu accesibile, altele s-au dublat, au fost electrificate, s-a modernizat materialul rulant.

La nivel mondial, în repartiția geografică a rețelei de căi ferate, se observă o distribuție inegală, ca o reflectare a nivelului de dezvoltare economică: o concentrare a acestora în America de Nord și Centrală (489 000 km) și în Europa, inclusiv C.S.I. (396 000 km), după care urmează Asia, America de Sud, Africa și Australia.

În România primele căi ferate s-au construit pe traseele Oravița-Baziaș (1856), Jimbolia-Timișoara (1857), Constanța-Cernavodă (1860), Oravița-Anina (1863), București-Giurgiu (1869), Burdujeni-Roman (1869) și Pașcani-Iași (1870).

Rețeaua feroviară are o lungime de 11 300 km, din care 33% este electrificată. În țara noastră există o linie îngustă, electrificată în anul 1922 (Arad-Pâncota), iar prima linie ferată cu ecartament normal a fost Câmpina-Brașov, inaugurată în anul 1965.

Figura 1.2 Rețeaua de transporturi feroviare din România

Transporturile rutiere

Repartiția geografică a căilor rutiere este mai echilibrată în comparație cu cele feroviare. In privinta densitatii, cele mai mari valori le inregistreaza tarile europene: Germania, Franta, Marea Britanie.

Pentru a usura legaturile rutiere au fost construite mari poduri suspendate, tuneluri pe uscat si in zonele submarine, mute trasee fiin in zonele muntoase la mari altitudini, trecand adeseori prin pasuri de mare altitudine. Cand traseele nu au mai putut fi continuate cu serpentine s-au construit tuneluri rutiere.

Transporturile rutiere au preluat o mare parte a transportului de marfuri in detrimetrul cailor ferate. Astfel in tarile europene 70% din traficul de marfuri se face pe arterele rutiere.

Figura. 1.3 Rețeaua de transporturi rutiere din România

1.2.2. Transporturile navale

Navigația pe fluvii, canale și lacuri se face cu șlepuri și vase care ating tonaje diferite, în funcție de adâncimea șenalului navigabil. Astfel, pe Rhin pot circula nave până la 5 000 tdw, pe Dunăre între 500 și 1 500 tdw, pe Volga până la 10 000 tdw, iar pe Marile Lacuri din America de Nord, nave de 25 000 tdw.

Cele mai importante sisteme de navigație naționale sunt Volga (Rusia), Mississippi (S.U.A.), iar cu caracter internațional Rhinul, Dunărea, Oder-Elba și Marile Lacuri-St.Lawrence. În Europa navigația fluvială se face și pe Sena, Tamisa, canalele din Belgia și Olanda. Un trafic deosebit de intens se înregistrează pe fluviul Rhin, navigabil începând de la Basel, datorită cursului său care străbate zone puternic industrializate.

O importanță deosebită prezintă Dunărea, navigabilă de la Ulm (Germania), cu nave mici, iar de la Regensburg, cu nave de 600 tdw. În sectorul fluvio-maritim (Brăila-Sulina) pot circula nave de 6 000-15 000 tdw. Încheierea lucrărilor la canalul Main-Dunăre și canalul Dunăre-Marea Neagră au făcut din acest sistem de fluvii și canale cea mai importantă arteră de navigație din Europa. În România transporturile fluviale au înregistrat un trafic de 7,9 mil.t. (1994).

Transporturile maritime

Traficul de pasageri, mai ales pe distanțe lungi, a scăzut foarte mult, concomitent cu el și supernavele destinate acestui scop, astfel că transatlanticele de azi au un tonaj mai mic decât în perioada interbelică.

Fluxurile comerciale cele mai importante se realizează mai ales între trei mari spații economice: America de Nord, Asia-Pacific și Europa Occidentală, care împreună totalizează 80% din schimburile internaționale.

Întreaga activitate de transport maritim este strâns legată de port, un complex de instalații pe apă și uscat care asigură operațiile de acostare, transbordare a mărfurilor și pasagerilor, depozitarea și prelucrarea mărfurilor, aprovizionarea și repararea navelor. Manipularea mărfurilor se face cu ajutorul macaralelor fixe și mobile la cheiuri și dane, a macaralelor plutitoare etc. În multe porturi, în legătură cu spațiile de depozitare s-au dezvoltat adevărate zone industriale.

1.2.3.Transporturile aeriene și speciale

Transporturile aeriene au revoluționat comunicațiile la mari distanțe, făcând posibilă apropierea între orașe, țări, continente. Ele au un rol încă redus în transportul de mărfuri, deși cu regularitate preiau presa, poșta și coletăria ușoară, medicamente, alimente, iar uneori piese și utilaje ușoare, metale prețioase, fructe și produse horticole.

Transporturile aeriene sunt organizate de companii naționale, care au deschise rute interne și internaționale pentru a asigura legături permanente între marile orașe. Dintre numeroasele companii aeriene, mai cunoscute, pentru legăturile pe care le asigură și după numărul de pasageri transportați annual, amintim: United Airways Delta, Air France, Aeroflot, British Airways, Lufthansa, J.A.L. (Japonia). În țara noastră cea mai mare companie de aviație este TAROM.

Aeroporturile reprezintă punctele de convergență ale navigației aeriene, ele fiind amplasate tot mai departe de orașe pentru a le feri de poluarea fonică și asigură complexele operațiuni de zbor.

Aeroporturile se clasifică după volumul traficului anual de pasageri, după destinație (internaționale, naționale, locale etc.), după tipul operațiunilor (de pasageri, de escală, de escală tehnică, turistice etc.).

În România există următoarele aeroporturi internaționale: Otopeni-București, Timișoara, Arad și Mihail Kogălniceanu-Constanța; acestora li se adaugă și alte 13 aeroporturi de importanță națională.

Figura 1.4 Rețeaua de transporturi aeriene din România

In categoria transporturilor speciale sunt cuprinse conductele, liniile de inalta tensiune si telecomunicatiile. Transporturile prin conducte au o importanta deosebita pentru transportul petrolului, gazelor naturale si a produselor petroliere. Telecomunicatiile constituie al doilea sector ca importanta al transporturilor speciale. Comunicatiile postale telegrafice, telefonice, video si radiofonice au luat o amploare fara precedent prin progresul tehnic rapid pe care il inregistreaza in sensu capacitatii si vitezei.

1.3. Indicatori cheie ai activitatii de transport

Activitatea de transport si rezultatele acesteia se masoara printr-o serie de indicatori, a caror cunoastere este obligatorie pentru aprecierea eficientei tehnico-economice a transporturilor, in general, si a diferitelor moduri de transport, in particular.

Tone expediate – reprezinta cantitatea de marfuri expediate de un punct oarecare de expeditie, de o unitate oarecare de transport sau de intreaga retea de transport. Indicatorul da imaginea generala, cantitativa a marfii care trebuie preluata de catre mijloacele de transport, precum si a volumului de operatii de incarcare, care se desfasoara in punctele de expeditie, si de descarcare, din punctele de destinatie (prin intermediul indicatorului tone expediate se masoara marfurile transportate).

Tone-nete-km – reprezinta cantitatea de lucru, de deplasare a marfurilor. Indicatorul este produsul a doi factori: cantitatea de marfuri expediate si distanta de transport (de exemplu pentru transportul unei cantitati de 200 de tone de marfa pe o distanta de 100km se obtine o valoare a indicatorului de 200*100 = 20000 tone-nete-km). Acest indicator joaca un rol deosebit de importantin planificarea activitatii de transport, deoarece el fundamenteaza majoritatea sectiunilor de plan: forta de munca, necesarul de combustibili si energie, investitii etc. (prin intermediul indicatorului tone-nete-km se masoara parcursul marfurilor). Acest indicator se utilizeaza si in transportul naval, dar in loc de kilometri se folosesc mile marine – tone-nete-mile (1 mila marina = 1,852 km).

Distanta medie de transport – reprezinta raportul dintre tonele-nete-km si tonele-nete expediate:

(1)

Indicatorul este important din mai multe puncte de vedere:

– reflecta masura in care sunt repartizati in teritoriu furnizorii si consumatorii.

– reflecta masura in care distributia unui anumit fel de marfa, pentru o situatie data a furnizorilor si consumatorilor, se face corect. Prin masuri de optimizare a distributiei (repartizarii) distanta medie de transport poate fi redusa.

– se poate obtine o imagine calitativa si cantitativa a ariei de eficienta tehnica si economica in care functioneaza diferitele mijloace de transport. Acest lucru reiese din faptul ca productivitatea, costurile etc. depind in mare masura de marimea distantei de transport.

Capacitatea unitara a mijlocului de transport – reprezinta sarcina utila nominala pe care o poate prelua mijlocul de transport. Sporirea acestei capacitati poate duce la cresterea eficientei economice a mijlocului de transport, dar pana la o anumita limita, ce este impusa de structura traficului (de exemplu, transporturile rutiere agabaritice necesita interventii suplimentare asupra infrastructurii rutiere si genereaza modificari ale traficului).

Capacitatea de circulatie – este un indicator care se refera la cale pe care circula mijloacele de transport. Acesta indica numarul de mijloace de transport care pot trece in unitatea de timp pe calea respectiva.

Capacitatea de transport a caii – reprezinta cantitatea de marfuri exprimata in tone care poate fi transportata intr-un sens in unitatea de timp. Capacitatea de transport a caii depinde atat de capacitatea mijloacelor de transport cat si de capacitatea de circulatie a caii.

Productivitatea mijlocului de transport – reprezinta cantitatea de tone-nete-km realizate in unitatea de timp de fiecare tona capacitate a mijlocului de transport. De exemplu un camion cu sarcina utila de 10 tone, care face intr-o zi sase curse incarcate, fiecare la o distanta de 20km, realizeaza o productivitate:

(2)

Se poate remarca faptul ca productivitatea mijloacelor de transport este influentata de distanta medie de transport a marfii si ponderea parcusrsurilor goale in parcursul total.

Consumul specific de combustibil sau energie electrica – reprezinta consumul de combustibil sau energie electrica raportat la energia dezvoltata in unitatea de timp sau la prestatia efectuata. In primul caz este vorba despre consumul specific tehnic, iar in al doilea despre consumul specific de exploatare.

Costul – se exprima in general pe unitate transportata (lei/tona-km sau lei/calator-km) si se calculeaza prin intermediul raportului dintre cheltuielile totale ale activitatii de transport, exprimate in lei, si prestatia efectuata, exprimata in tone-nete-km sau calatori-km.

Productivitatea muncii (se poate vorbi in general despre productivitatea factorilor de productie – munca, capital, resurse materiale) – reprezinta raportul dintre prestatie (in exprimare calitativa – valorica sau cantitativa) si personalul muncitor (numarul acestuia) care a participat la efectuarea prestatiei.

2. Transportul feroviar

Operatorul național al căilor ferate este Căile Ferate Române, care operează pe rețea împreună cu alte firme de transport private.

Lungimea căilor ferate: 22.247 km (8.585 km electrificați)

Ecartament internațional (UIC): 21.811 km

Ecartament îngust: 487 km (1996)

Transportul feroviar de mărfuri și călători a înregistrat o scădere dramatică de la nivelurile record din 1989, în special datorită scăderii produsului intern brut de-a lungul anilor 90 și a concurenței transportului rutier. În 2004, pe căile ferate au fost transportați 8,64 miliarde pasageri-km în 99 de milioane de călătorii și 73 de milioane tone metrice, sau 17 miliarde tone-km de marfă. Totalul combinat reprezintă aproximativ 45% din totalul cantităților transportate în țară.

În anul 2007 au fost puse în circulație 1600 trenuri, din care cea mai mare parte erau trenuri locale (personale).

Transportul feroviar de marfă

Până în anul 2000, compania de stat CFR Marfă a deținut monopolul transportului feroviar de marfă. În anul 2000, Autoritatea Feroviară Română a licențiat prima companie privată de transport de marfă. În anul 2006, operatorii privați reprezentau 25% din piața de transport feroviar de marfă, și erau în număr de 30, dintre care lider incontestabil era Grupul Feroviar Român, urmat de Servtrans Impex București, Unifertrans București și Transferoviar Grup Cluj-Napoca. În același an, piața de transport reprezenta în jur de 6,5 milioane de tone/lună. În anul 2007, volumul mărfurilor transportate feroviar au însumat aproximativ 800 milioane euro, în creștere cu 10% față de 2006.

În anul 2006, în transportul feroviar de marfă existau în total 23.100 angajați.

2.1. Infrastructura sistemelor de transport feroviar

Infrastructura publică de transport feroviar este constituită din:

liniile ferate curente dintre stații

liniile ferate de primire-expediere din stații

liniile ferate de evitare

aparatele de cale

poduri, tuneluri, viaducte

alte lucrări de arta, lucrări geotehnice de protecție și consolidare

plantații de protecție de-a lungul liniilor ferate

instalații fixe de siguranță și conducere operativă a circulației trenurilor

liniile electrice de contact cu substațiile de tracțiune electrică

Infrastructura privată de transport feroviar este constituită din:

linii care sunt destinate strict exploatării necomerciale

instalații de telecomunicații

clădiri si proprietăți care nu sunt legate direct de circulația feroviară

Căile ferate

Calea ferată este un ansamblu de construcții și instalații cu ajutorul cărora se asigură circulația materialului rulant (tren, vagoane) în vederea efectuării transporturilor de călători și bunuri materiale.

Elemente constructive

Elementele constructive ale căi ferate sunt:

infrastructură

suprastructura

Infrastructura cuprinde totalitatea lucrărilor care susțin suprastructura căii ferate, asigurând legătura cu terenul și transmiterea către acesta a eforturilor statice și dinamice.

Elementele infrastructurii sunt:

terasamentele sau lucrările de pământ

lucrările de artă (poduri, viaducte, tuneluri etc.)

Suprastructura este alcătuită din:

balast

traverse

șine

schimbători de cale, plăci turnate (învârtitoare) și poduri transbordoare (pentru trecerea de pe o linie pe alta)

materialul rulant de cale

Șina reprezintă elementul principal ale suprastructurii, alcătuind calea de rulare. Șinele de cale ferată sunt prinse rigid de traverse la o distanță fixă una de alta, numită ecartament.

Figura 2.1 Șina ( vedere în secțiune)

Traversă este o grindă de lemn, de beton armat sau de metal, utilizată ca element de legătură între șinele de cale ferată și terasament, pentru a menține ecartamentul căii și a transmite stratului de balast solicitările.

Figura 2.2 Traverse confecționate din lemn

Figura 2.3 Traverse confecționate din beton armat

Șina care servește singură ca o cale pentru vehicule de pasageri sau marfă se numește monorail. În cele mai multe cazuri, acest tip de șină este elevată (supraterană), dar trenurile monorail pot merge și la suprafață, în subteran sau în tuneluri special.

Figura 2.4 Monorail

Aparatul de cale reprezintă un ansamblu de instalații fixe care asigură încrucișarea și / sau ramificarea la nivel a liniilor de cale ferată.

Figura 2.5 Aparatul de cale

Figura 2.6 Schimbătorul de cale

Schimbător de cale reprezintă un dispozitiv montat la intersecția a două linii de cale ferată, cu ajutorul căruia se realizează trecerea vehiculului de pe o linie pe cealaltă; este format în principiu din: macaz, inimă de încrucișare, șine intermediare și un aparat de manevră. Macazul este un dispozitiv folosit pentru dirijarea materialului rulant la bifurcarea căilor de rulare, constând dintr-o porțiune mobilă și reglabilă a șinelor. Comanda se poate face local sau centralizat, de la distanță Inimă de încrucișare este elementul situat la intersecția a două șine.

Clasificarea căilor ferate

După particularitățile reliefului, căile ferate pot fi:

la suprafața solului

subterane

suspendate (pe anumite porțiuni)

După ecartament, căile ferate pot fi:

normale (cu ecartament de 1435 mm)

largi (cu ecartament mai mare de 1435 mm)

înguste (cu ecartament mai mic de 1435 mm)

După numărul liniilor dintre două puncte de secționare, căile ferate sunt:

simple (un singur fir cu circulație în ambele sensuri)

duble (două fire cu circulație în ambele sensuri)

multiple (cu mai multe fire de circulație)

După importanța și intensitatea traficului, căile ferate pot fi:

magistrale

principale

secundare

de interes local

turistice

Liniile magistrale sunt linii de cale ferată de importanta deosebită pentru circulația naționala și internațională.

Liniile principale sunt linii de cale ferată de importanță națională prin care se asigură legătura între principalele centre urbane

Liniile secundare sunt linii de cale ferată care leagă diferite localități cu liniile magistrale și principale.

Liniile de interes local sunt linii construite de unități economice pentru deservirea unor interese locale.

Trenul este un convoi de vagoane, vagonete, remorci trase sau împinse de unul sau mai multe vehicule motoare (locomotive, tractoare etc.)

Figura 2.7 Trenul

Mijloace de tracțiune

În transporturile feroviare se utilizează:

sisteme de tracțiune cu abur

sisteme de tracțiune diesel-hidraulică

sisteme de tracțiune diesel-electrică

sisteme de tracțiune electrică

sisteme de tracțiune cu 16urbine cu gaze

sisteme de tracțiune cu sustentație magnetică (Maglev)

Figura 2.8 Tipuri de locomotive

CFR Călători și CFR Marfă folosesc o serie de locomotive electrice (numite LE), diesel-electrice (LDE), diesel-hidraulice (LDH) și diesel-mecanice (LDM / LDMM). Societatea Feroviară de Turism folosește locomotive de aburi (cu ecartament standard și îngust) și locomotive diesel-mecanice.

Locomotivele electrice utilizate în România sunt construite pentru ecartamentul standard de 1435 mm și sunt alimentate prin catenară la rețeaua de c.a. de 25Kv 50Hz. Locomotivele electrice sunt folosite atât pentru rute scurte, cât și pentru trenuri de mare viteză, în transporturi interurbane. Prin exploatarea lor nu se poluează mediul înconjurător și sunt silențioase.

La locomotivele Diesel-electrice motorul Diesel antrenează un generator care produce energia electrică necesară alimentării motoarelor electrice de tracțiune. La locomotivele Diesel-hidraulice energia motorului Diesel este transmisă roților cu ajutorul unor 17oti17sitive hidraulice. La locomotivele Diesel-mecanice transmiterea cuplului motor de la motorul Disel la 17oti se realizează prin intermediul ambreiaj și a unei cutii de viteze.

CFR Călători folosește și automotoare diesel, în general pentru servicii pe linii scurte sau puțin folosite. Excepția o constituie ramele automotor folosite pentru servicii InterCity pe distanțe mai lungi, numite Săgeata Albastră.

În vederea introducerii unor trenuri de mare viteză, se preconizează dezvoltarea parcului mijloacelor de tracțiune cu rame electrice, compuse din vagoane cu un înalt grad de confort: fotolii tip avion, bar / bistro, salon de afaceri, aer condiționat, accesorii pentru alimentarea calculatoarelor personale etc.

Mijloace tractate

Mijloacele tractate în transportul feroviar sunt vagoanele.

În funcție de caracteristica transportului vagoanele pot fi:

de călători

vagoane de clasă (cl. I și II)

vagoane de dormit (cl. I și II)

vagoane restaurant

vagoane de poștă, de bagaje și mesagerii

Figura 2.9 Tipuri de vagoare de călători

de marfă

vagoane acoperite

vagoane descoperite

vagoane port-containere și platformă

vagoane cisternă

Figura 2.10 Tipuri de vagoane de marfă

cu destinație specială

vagoane frigorifice

vagoane refrigeratoare

vagoane izoterme

vagoane pentru transportul animalelor etc.

Figura 2.11 Vagon frigorific

Figura 2.12 Vagon pentru transportul animalelor

2.2 Părțiile principale ale vagoanelor

     Din punct de vedere constructiv, vagoanele de cale ferata sunt de diferite tipuri de si se deosebesc prin numarul de osii, constructia cutiei, instalatiile si echipamentele care se monteaza pe ele.

Parțile principale ale vagoanelor, indiferent de destinatia lor sunt :

Aparatul de rulare

Suspensia

Șasiul

Boghiul

Cutia

Aparatul de ciocnire , tracțiune și legare și instalația de frâna

Vagoanele de calători sunt dotate, în plus cu: instalații de încălzire cu abur , apă caldă sau electrică, instalații de iluminat, instalații de ventilat  sau de conditionat aerul, instalații sanitare, dispozitive de intercomunicații, etc.

Aparatul de de rulare (Dispozitivul de rulare) este compus din osia montată și cutiile de osie. El asigura circulația vagonului pe cale  și mersul lin al acestuia cu rezistență minima la rulare.

Dispozitivul de rulare – format din osie, roți și cutie de unsoare. Osia și roțile formează un element monolit, numit osie montată , aceasta putând fi fixată izolat pe șasiu sau în grupuri de 2… 3 pe un cadru comun, formând astfel un boghiu.

Figura 2.13 Osie montată cu rulmenți

1 – osie, 2 – roată disc, 3 – bandaj,

4 – inel de fixare, 5 – piuliță crenelată,

6 – inel de siguranță, 7 – șurub de fixare M 10×25,

8 – inel de siguranță R 10

În funcție de numărul de osii pe carenle au, vagoanele se pot împărți în două

categorii:

vagoane cu 2 … 3 osii montate

izolate;

vagoane cu 4 sau mai multe osii

grupate în boghiuri.

Roțile pot fi confecționate dintr‐o singură bucată, sau prevăzute cu bandaj aplicat. Sarcinile de la șasiu se transmit la osii prin intermediul cutiilor de unsoare prevăzute cu lagăre de alunecare sau de rostogolire (rulmenți).

Figura 2.14 Roată (vedere principală și secțiune)

Figura 2.15 Ansamblu roată-cale de rulare

Suspensia este formată din arcuri în foi, atelaje de eclise sau inele, suportul de arc, balansiere, amortizoare, brațe conducătoare, șuruburi si piulițe, buloane de siguranță, arcuri elicoidale de diferite mărimi. Ea asigura legătura elastica între șasiul vagonului și aparatul de rulare.

(b)

Figura 2.16 Suspensii pentru osiile fixate direct pe șasiu

Figura 2.17 Suspensie locomotivă (model real)

Figura 2.18 Suspensie vagon (model real)

Șasiul este un cadru metalic foarte solid , format din două longeroane rigidizate la capete prin două traverse frontale: șasiul este rigidizat și prin diferite traverse intermediare. Pe el se montează cutia vagonului, aparatele de rulare și de suspensie, aparatul de ciocnire, tracțiune și legare, instalațiile de frâna, încălzit, iluminat.

Figura 2.19 Șasiu vagon

Cutia vagonului este formată dintr-un schelet constituit din stâlpii, traverse, diagonale, îmbracate cu tabla sau cu scandura. Elementele scheletului cutiei vagonului sunt legate de șasiu. Cutia vagonului poate fi în funcție de natura mărfurilor de transportat  – acoperită, descoperită, cisternă sau de forme speciale.

Figura 2.20 Cutia vagonului

Aparatul de ciocnire, tracțiune și legare  este constituit din cârlige si baremele de tracțiune, elementele de fixare ( mansoane duble și șuruburi de fixare ), arcurile volute, ghidajele, cuplele de lagăre. El are rolul de a asigura legarea vagoanelor între ele si respective de locomotive, de a le menține la o anumită distanță și de a prelua eforturile de tracțiune și de compresiune care apar în timpul exploatări.

Figura 2.21 Aparatul de ciocnire, tracțiune si legăre

Dispozitivul de ciocnire (tampon) permite menținerea materialului rulant la o anumită distanță și într‐o anumită poziție în tren, precum și atenuarea solicitărilor dinamice produse în timpul tamponărilor (Figura 2.22);

Figura 2.22 Dispozitiv de ciocnire (tampon)

1 – discul tamponului, 2 – corpul tamponului, 3 – manșonul tamponului, 4 – placă de bază, 5 – inel de fixare, 6 – ansamblul arcului inelar, 7 – piuliță crenelată M16,

8 – șurub M16x60, 9 – șplint 3,5×36, 10 – nit Ф16×55.

Dispozitivul de tracțiune are rol de transmitere a forțelor de tracțiune de la locomotivă la vagoanele ce compun garnitura feroviară, atenuând totodată amplitudinea solicitărilor dinamice ce apar la accelerările și frânările respectivei garnituri (figura 3.6);

1 – cârlig de tracțiune tip 30C,

2 – semimanșoan de legare,

3 –șurub cu cap hexagonal M16x60,

4 – piuliță Al M16,

5 – șplint 3,5×32,

6 – piesă de legătură,

7 – bulon,

8 – bolț,

9 – șplint 5,6×50,

10 – tirant,

11 – arc volut,

12 – rondelă de presiune,

13 – piuliță crenelată M42,

14 – șplint 7,5×60,

15 – piuliță crenelată M24,

16 – șplint 3,5×50,

17 – șurub cu cap hexagonal M24x50,

18 – placă de reazem,

19 ‐ șplint 9,5×70,

20 – nit cu cap înecat Ф19×55,

21 – nit Ф22×60,

22 – suport opritor,

23 – traversă mobilă,

24 – traversă fixă,

25 ‐ nit Ф19×60,

26 – șaibă brută A52,

27 – piuliță Al M42.

Figura 2.23 Dispozitiv de tracțiune

Dispozitivul de legare (cuplă) îndeplinește funcția de legare a vagoanelor atât între ele cât și cu locomotiva care le remorchează. Cuplele utilizate de C.F.R. sunt cu șurub (figura 3.5) dar există și cuple automate utilizate de alte țări.

Figura 2.24 Dispozitiv de legare (cuplă cu șurub)

1 – cuplă,

2 – șurub,

3 – manșon cu ureche,

4 – șaiba șurubului,

5 – mâner,

6 – laț,

7 – piulița lanțului,

8 – eclisă,

9 – piulița eclisei,

10 – șaiba cu copil a piuliței eclisei,

11 – șaiba piuliței eclisei,

12 – bolțul cuplei,

13 – șaiba bolțului cuplei,

14 – nit Ф16×60,

15 – șplint 10×60,

16 – șplint 10×80,

17 – șplint 10×90.

Boghiul este constituit din două sau mai multe osii, montate într-un cadru metalic rezistent, pe care se sprijină șasiul vagonului . El este un mic vehicul independent.

Figura 2.25 Boghiul tip Y25

Instalația de frâna automată   are rolul de a asigura oprirea trenului sau de a reduce viteza de circulație în pante sau în palier.  Frânarea se realizeaza prin apasarea uniforma  a saboților pe suprafața de rulare a bandajelor cu ajutorul unui sistem de bare, denumit timonerie de frâna. În plus, vagoanele de calători sunt dotate cu o serie de instalații necesare asigurării confortului calătorilor.

Figura 2.26 Instalația de frâna automată

Instalația de iluminat are rolul de a produce energia necesară (sursa de current) și de asigura iluminatul vagonului în timpul mersului.

Instalația de încălzit are rolul de a crea condiții optime de confort  pentru transportul calătorilor și a anumitor mărfuri în timpul sezonului rece.

Instalația sanitară este constituită din lavoarul de spălat, WC -ul, săpuniera, cutiile pentru prosoape, suportul pentru hârtie igienică, rezervoarele de apă.

3. Proiectarea unui vagon

3.1. Proiectarea unui vagon de marfă descoperit pe patru osii.

Pentru proiectarea unui vagon de marfa descoperit pe patru osii trebuie specificate urmatoarele: sarcina pe osie, tara vagonului, ampatamentul vagonului, categoria liniei pe care circulă, ecartamentul căii si viteza maximă de circulație.

În funcție de caracteristicile constructive și de normele de proiectare, se disting:

linii de categoria I, care permit circulația trenurilor cu sarcină maximă de 22tf/osie, normele utilizate la proiectarea acestor linii se numesc norme obișnuite;

linii de categoria II, care permit circulația trenurilor cu sarcină maximă de 17tf/osie, normele utilizate la proiectarea acestor linii se numesc norme reduse, de regulă în această categorie intră liniile secundare;

linii de categoria III, sau liniile industriale, care permit circulația trenurilor cu sarcină maximă de 15tf/osie, normele utilizate la proiectarea acestor linii se numesc norme minimale;

linii de categoria IV, sunt cele cu ecartament îngust, care permit circulația trenurilor cu sarcină maximă de 12,5tf/osie, normele utilizate la proiectarea acestor linii se numesc norme speciale.

Un mare avantaj al transportului feroviar îl constituie faptul că deplasarea încărcăturilor pe calea ferată necesită forțe de tracțiune mai mici decât cele pe căile rutiere. În domeniul vitezelor relativ mici, forța necesară pentru deplasarea pe căile terestre, în linie dreaptă și pe un plan orizontal, a unei sarcini de 1tf (aproximativ 10kN) variază astfel:

la calea ferată, 2daN;

la autovehicule care circulă pe drumuri asfaltate, 15 … 20 daN;

la autovehicule care circulă pe drumuri neasfaltate, 50 … 150 daN;

Principalele mărimi care caracterizează vagoanele destinate transportului de mărfuri sunt următoarele:

ecartamentul (e) ‐ distanța dintre fețele interioare ale celor două șine de cale ferată, măsurată în aliniament, la 14 mm sub planul de rulare;

ampatamentul total (at) – reprezintă distanța dintre osiile extreme la vagoanele cu două sau trei osii, respectiv distanța dintre pivoțiiboghiurilor la vagoanele dotate cu boghiuri;

ampatamentul rigid (ar) – reprezintă distanța dintre osiile extreme ale vagonului, indiferent de tipul acestuia;

Sarcina pe osie/ greutatea pe osie – este raportul dintre greutatea totală a vagonului (tara + încărcătura) și numărul de osii ale acestuia;

suprafața platformei;

volumul util al cutiei sau al cisternei;

greutatea maximă a încărcăturii.

Date inițiale :

Tabel 3.1 Date inițiale alea vagonului

3.2. Etapele proiectarii

3.2.1. Alegerea tipului de boghiu și descrierea soluției constructive

3.2.2.Calculul dimensiunilor principale ale vagonului

3.2.3.Verificarea înscrierii în gabarit

3.2.4.Calculul de verificare la oboseală a osiei montate

3.2.5. Calculul de verificare la șasiului

3.2.6. Calculul osiilor

3.2.7. Calculul șasiului

3.2.1. Alegerea tipului de boghiu și descrierea soluției constructive

Pentru acest tip de vagon alegem un boghiu Y-25 Cs. Acest tip de boghiu este reprezentat în figura 3.1:

Figura 3.1 Boghiul Y 25 Cs

Cadrul boghiului este rigid fiind compus din longeroanele 1 și longrinele intermediare 2, asamblate, prin sudură de traversa principală 3 (pe care se află crapodina 4 și glisierele 5) și de două treverse frontale 6. longeroanele Profil dublu T) și traversa crapodinei (secțiune închisă) au înălțimea variabilă și sunt din platbande de oțel cu și , în construcție sudată, la care nu se face detensionare sau normalizare. Cutiile de osie 7, din oțel turnat sunt prevăzute cu consolele 8, pe care reazămă arcurile elicoidale 9, suspensia din grupuri de câte două arcuri elicoidale concentrice și de înălțimi diferite are elasticitatea până la sarcina de și peste aceasta. Fiecare cutie e prevăzută cu amortizor cu fricțiune 10, cu amortizare variabilă cu sarcina (de tip LENOIR). Jocurile longitudinale sunt practic nule, iar jocurile laterale de 10 mm.

Forța orizontală anulează jocul longitudinal al cutiei de osie între fălci și ghiare. În acest fel prin rigidizarea osiilor față de longeron, se micșorează lungimea de undă a mișcării de șerpuire și se poate asigura o bună stabilitate a circulației până la viteza de 110 [KM/h].

Masa boghiului este de cca. 4400 [kg].

Boghiul poate fi utilizat și la vagoanele cu cuplă automată și este apt de a primi osii pentru ecartament larg.

3.2.2. Calculul dimensiunilor principale ale vagonului

Calculul sarcinii utile

(3)

n-numărul de osii

Q- sarcina pe osii

T- tara vagonului

n=4

Q= 20t

T= 23t

(4)

Verificarea coeficientului tehnic de tară

(5)

-este cuprins între 0.37…0.48 pentru vagoanele cu 4 osii

Lungimea minimă peste tampoane

(6)

m- este greutatea pe metru liniar de cale

Pentru liniile de tip C4, m=8tf/m

-este distanța în consolă și în general este 1.9 m

-lungimea tamponului este 0.6 m

-12.05 m

-grosimea peretelui frontal pâna la 0.45 m

(7)

Calculul volumului specific

(8)

coeficientul de utilizarea vagonului

greutatea specifică a încărcăturii ( pentru cereale 0.8; huilă =0.9; cocs=0.5; cărbune=0.2; sare=1; nisip=1.8 )

(9)

Calculul volumului geometric al cutiei V

(10)

Lungimea peste tampoane

(11)

Lungimea interioară a cutiei

(12)

unde:

V-volumul geometric

H-înălțimea interioară a cutiei vagonului

(13)

Înălțimea de încărcare utilă

(14)

3.2.3.Verificarea înscrierii în gabarit

Cazul circulației în curbe situată în plan orizontal

-deplasarea interioară care este deplasarea vehiculului înspre interiorul curbei

-deplasarea exterioară la capetele acestuia

Calculul deplasării interioare

(15)

R-raza curbei și se pot lua următoarele valori: 35, 70, 200, 250, 350, 400, 700

-este supralărgirea

(16)

e=1435 S=25 mm

q-jocul dintre fus și lagăr q=0.03 m

k-depășirea maximă admisă față de gabaritul

k=0.075 m pentru părțile situate mai sus decât cota șinei cu 430 mm

k=0.025 m pentru părțile situate mai jod de 430 mm

p-reprezintă ampatamentul boghiului 1800 mm

W=0.03 m -jocul admis în traversa dansantă

d-distanța dintre suprafațele exterioare ale buzelor bandajelor. La curbe uzual 1425 mm

Calculul deplasării exterioare

(17)

Lățimea maximă peste tampoane

(18)

G=3150 mm

3.2.4 Calculul de verificare la oboseală a osiei montate

Forțele care acționează asupra osiei montate. Forțe generate de masa vehiculului.

Asupra osiei acționează , în primul rând, forțe generate de masa vehiculului care pot fi forțe verticale statice și dinamice , forțe orinzontale (laterale) date de forțele de inerție la circulația în curbe , la care se pot adauga cele produse de presiunea vântului. În afară de acestea , în exploatare intervin forțele și momentele care iau nastere la frânarea sau cele dezvoltate de motorul de tracțiune.

Aceste forțe acționează pe fusurile osiei și în suprafețele de contact dintre roți și șine , precum și la periferia coroanei dințate și pe fusurile lagărelor motoarelor de tracțiune ale osiilor motoarelor.

Masa vehicului poate exercita asupra osiei , prin intermediul fusurilor și roților orizontale și verticale care sunt prezentate în figura următoare:

Sarcina statică verticală Ps [daN]

Aceasta este sarcina verticală care acționează asupra ambelor fusuri ale osiei în timpul staționarii vehiculului pe o linie în palier și alianiament ; în majoritatea cazurilor aceasta se împarte egal pe cele două fusuri , dar poate fi și inegal repartizată.

Sarcina statică ce revine fiecărui fus în parte se poate stabilii cu relația :

(19)

unde : – reprezintă sarcina verticală trasmisă osiei prin intermediul suspensiei osiei.

(20)

unde : – reprezintă greutatea osiei montate și a boghiului.

(21)

– greutatea boghiului

Suprasarcina verticală dinamică

Acesta apare în timpul mersului datorită oscilațiilor verticale ale vehiculului și care depind de nereguralitațiile căii și de caracteristicile suspensiei:

(22)

– coeficientul dinamic conform raportului ORE B 136/RP11

(23)

Sarcinile orizontale transversale

Forța centrifugă necompensată Cs [daN]

(24)

Unde:

v – viteza în regim S

Rc – raza curbei

Hs – supraîncărcarea șinei adoptăm

2S – distanța dintre planele cercurilor de rulare

Forța dată de presiunea vântului Ws [daN]

-acționează pe suprafața laterală a părții suspendate și este dată de relația:

(25)

– aria suprafețeilaterale

– presiunea vântului

Forța orinzontală H [daN]

reprezintă rezultanta forțelor de la punctul a) și b) reduse la centrul de greutate a vehiculului.

(26)

unde – coeficientul pentru osiile vehiculelor din convoi.

Reacțiunile y1 și y2 ale șinei exterioare

Aceasta la circulația în curbă , acționează la buza bandajului și sunt date de relațiile:

(27)

(28)

unde și – reprezintă săgețiile suspensiilor pentru osiile vehiculelor din convoi.

Reacțiunile verticale ale șinelor Q1 și Q2

Cunoscând Ps , H , y1 , y2 avem următoarele expresii ale sarciniilor pe fusuri.

(29)

(30)

Unde:

b = 1m = 1000 mm

– reprezintă distanța de le axa osiei la centrul de greutate a cutiei.

= 0,25 – coeficientul dinamic

Reacțiuniile verticale ale șinelor sunt:

(31)

Unde:

S = 750 mm

– raza roții pe cercul de rulare. (32)

3.2.5. Alegerea osiei boghiului

Osia are forma unei bare drepte cu secțiunea circulară , cu porțiuni de diametre diferite corespunzatoare solicitărilor la care sunt supuse și destinașiei acestora.

Principalele părți ale osiei sunt:

corpul osiei care reprezintă partea centrală cuprinsă între roți

porțiunile de calare pe care se presează cele 2 roți

fusurile pe care se montează cutiile de osie.

Spre a micsora efectul de concentrare a tensiunilor între diferitele secțiuni ale osiei sunt prevazute racordări cu raze de 15-75 mm , iar între fus și porțiunea de calare s-a prevăzut o zonă intermediară numită umărul osiei.

În cazul vagonului de proiectat se va folosi tipul de osie pentru lagăre cu rulmenți cu simbolul OR1 care este reprezentat schematic în figura următoare.

3.2.6. Calculul osiilor

Osia este solicitată la încovoierea în principal de sarcinilor generate de masele suspendate dar și de forțele de tracțiune și frânare , forțele de reacțiunilor de la sistemul de antrenare , forțelor de conducere de la buza bandajului. În plus osia este solicitată la torsiune , în special datorită sistemului de antrenare , dar și alte cauze cum sunt diametrele inegale ale cercurilor de rualre , lungimile inegale ale șinelor în curbe forțe de frânare inegale pe cele două roți. Solicitările suplimentare apar datorită șocurile primite de la șine , care sunt dependente de viteză.

La proiectare , pentru un calcul cât mai mai exact se determină pentru fiecare caz de încarcare considerat diagramele momentelor Mv de încovoiere în plan vertical și Mh în plan orizontal , produse de forțele încovoietoare Mi rezultate și a momentelor de torsiune Mt.

La calculul de verificare la oboseală a osiei montate adoptate se vor urmări etapele metodei de calculul recomandată de ORE.

Metoda de calcul recomandată de ORE cuprinde:

determinarea forțelor aplicate

calculul momentelor și tensiunilor de încovoiere și răsucire

stabilirea rezistentelor admisibile în diferite secțiuni ale osiilor

inventarierea celor mai bune soluții privind forma osiei.

Forțelor care trebuie luate în considerate la calcului osiei

Această metodă recomandată să se ia în considerare atât forțele generate de masa vehiculului cât și cele produse de masa vehiculului.

P1 = 7545,6 daN

P2 = 5554,4 daN

Forțele trasversale

H = 1572 daN

y1 = 3144 daN

y2 = 1572 daN

Reacțiunile șinelor

Q1 = 8375,26 daN

Q2 = 7379,66 daN

b) Fortele produse în regim de frânare.

La frânare asupra osiei montate acționează forțele de aderență dintre roți și șine precum și forțele orizontale de inerție trasmise prin cutiile de osie de la șasiul boghiului.

Forța de aderență dintre roată și șină este:

(33)

– coeficient de frecare

Valorile forțelor Ph care acționează asupra fusurilor depind de dizpozitivul de frânare. În cazul frânării simetrice cu doi saboți pe fiecare roată , avem:

(34)

(35)

(36)

Secțiunile de calcul

Sunt recomandate cinci secțiuni de calcul S1….S5 care sunt prezentate în figura următoarele , fiind plasate la următoarele distanțe față de planul de aplicare a sarcinii P1:

Tabel 3.2 Lungimile și diametrele tronsoanelor

Secțiunile S1 , S2 , S4 sunt situate la începutul racordările.

În aceste cazuri coeficienți de concentrare vor fi:

Momentele rezultante de calcul

Momente de încovoiere în plan vertical Mvi [daNmm]

(37)

(38)

(39)

(40)

(41)

Momentele de încovoiere în plan verticla Mvi

Pentru că saboții de frână sunt considerați ca situați în planul orizontal de simetrie al osiilor rezultă ca

Momentele în plan orizontal

Pentru (42)

(43)

(44)

Momentele de torsiune

între planul de rulare și cel de încărcare I=1,2.

(45)

Momentul echivalent Mechi [daN]

Momentul echivalent este dat de relația:

(46)

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

(52)

Calculul tensiunilor maxime

Pentru oțelul A1 are conform fișei UIC 881-0 o rezistență de rupere de 55-65 daN/se recomandă următoarele rezistențe admisibile.

– pentru corpul osiei

– pentru celelante părți

(53)

(54)

(55)

(56)

(57)

3.2.7. Calculul șasiului

Rolul și clasificarea șasiurilor

Șasiul este acea parte a vehicului pe care se plasează încărcătura utilă , dar care suportă și alte sarcini provenite din greutatea instalațiilor și diversificarea agregatelor cu care sunt înzestrate vehiculele , precum și din forța de tracțiune și de frânare , forța de inerție , tamponări , etc.

La șasiul și cutia vehiculului se distinge elemente principale de rezistență , elementele auxiliare de rezistență și elementele neportante care îndeplinesc alte funcții. Totalitatea elementelor care asigură rezistența și rigiditatea la sarcinile care intervin în exploatare formează structura portantă sau de rezistență; în funcție de amplasarea elementelor de rezistență , aceste structuri pot fi cu:

șasiu rigid sau portant ( vagon platformă )

șasiu cu pereți laterali purtători (Vagoane descoperite)

cutie autoportantă (vagoane acoperite)

Șasiurile vagoanelor cu boghiuri reazămă pe acestea prin intermediul crapodinelor superioare care sunt montate pe traverse puternice (veyi figura urmatoare) , denumite traverse ale crapodinei sau traversa principală (4). La aceste șasiuri , longeroanele principale (1) sunt plasate , în general , în planul pereților laterali , iar longeroanele intermediare (2) se așează la o distanță de 1/3 –1/4 din lățimea vagonului.

Șasiurile sunt astăzi , aproape în exclusivitate construcții sudate realizate din profile laminalte sau ambutisate din OL 37 sau OL 52.

Figura 3.2 Profile metalice

Calculul simplificat al șasiului

Șasiurile fiind alcătuite din bare longitudionale , transversale și diagonale , legate între ele prin sudură , reprezintă structuri spațiale sattic nedeterminate. În schemle de calcul se consideră în majoritatea cazurilor , că barele , reprezentate prin axele lor , sunt situate în acelasi plan și sunt legate prin noduri rigide.

La proiectare , se folosesc inițial scheme simplificate , în care se iau în considerare principalele elemente derezistență , care se dimensionează prin calculul pentru sarcinile verticale și longitudionale , celelalte elemente se aleg constructiv.

Forțe care acționează asuprea șasiului.

Forțe verticale

(58)

Gb – greutatea brută

Gv – greutatea cutiei

Gu – greutatea încărcăturii utile

(59)

Sarcina dinamică verticală

– reprezintă forțele dinamice ce apar di cauza accelerațiilor , miscărilor oscilatorii pe verticală ale vehiculelor în mers.

– coeficient dinamic

(60)

Sarcini orizontale

sarcina statică de încărcare pe fiecare tampon GHt = 1000 kN

sarcina statică de tracțiune pe vagon GHv = 1500 kN

Forțele datorate frânării

În timpul frânării apar forțe în elementele sistemului de frână și forțele de inerție pe direcția longitudională corespuzătoare forței de frănare maxime.

(61)

Calculul longeroanelor principale.

Longeroanele principale considerate ca grinzi simplu rezemate sr dimensionează pentru solicitarea de încovoiere produsă de sarcinile verticale.

La vagoane în general sarcina verticală este uniform repartizată pe toată lungimea longeronului principal rezultând pe unitatea de lungime încărcarea care se calculează cu următoarea relație:

(62)

2d* = 12,5 [m] – componentul vagonului

nc = 1,9 [m] – distanța în consolă

(63)

Momentele în punctele A,Bși C vor fi:

(64)

Rezultă că momentul maxim se află la mijlocul grinzii unde forța tăietoare este nulă.

Tensiunea admisibilă la încovoiere este

Se alege pentru construcția șasiului un profil I 32 care are modulul de rezistență .

Figura 3.3 Secțiune profil I

4. Studiu de caz: Analiza cu elemente finite a vagonului tip EAOS

4.1. Metoda elementelor finite (MEF)

Bazele analizei cu elemente finite au fost pentru prima dată formulate în 1943 de către matematicianul german Richard Courant (1888-1972), care, îmbinând metoda Ritz cu analiza numerică în probleme de calcul variațional și minimizare, a obținut soluții satisfăcătoare pentru analiza sistemelor cu vibrații.

Începând cu anii ’70, metoda elementelor finite a fost folosită la rezolvarea celor mai complexe probleme din domeniul structurilor elastice continue, de la construcțiile civile, industriale sau de baraje până la construcțiile de nave maritime, respective cosmice.

Simplitatea conceptelor de bază ale metodei elementelor finite (MEF) este unul dintre avantajele importanate ale acesteia. Importanța însușirii și a înțelegerii corecte a acestora rezultă din faptul că aceste concepte includ anumite ipoteze, simplificări și generalizări a căror ignorare poate duce la erori grave în modelarea și analiza cu elemente finite (FEA). Se prezintă, în continuare, cele mai importante dintre conceptele de bază ale MEF.

Structura

Pentru a avea o eficiență cât mai ridicată, în FEA se utilizează un concept de structură mai general și mai simplu decât în mod obișnuit. Uzual în FEA prin structură (de rezistență) se înțelege un ansamblu de bare, plăci, învelișuri și volume (solide). De exemplu, o structură poate fi batiul unui strung paralel, trenul de aterizare al unui avion, brațul unei balanțe, carcasa unui reactor nuclear, corpul unui submarin, o rețea de conducte etc.

Definită astfel, noțiunea de structură implică acceptarea ipotezei secțiunii plane, a lui Bernoulli, pentru bare și a ipotezei normalei rectilinii, a lui Kirchhoff, pentru plăci și învelișuri. Acceptarea acestor ipoteze face posibilă, în MEF și FEA – pentru bare și plăci – înlocuirea forțelor exterioare reale prin rezultantele interne – eforturile N, T, M – cu care sunt static echivalente, ceea ce nu este permis în teoria elasticității. În analiza structurilor se poate deci introduce conceptul de forță concentrată, fără ca prin aceasta să se producă câmpuri de tensiuni, deformații și (sau) deplasări cu singularități, așa cum se întâmplă în teoria elasticității, când aplicarea unei forțe concentrate într-un punct al semispațiului elastic (problema lui Boussinesq) duce la producerea unor tensiuni și deplasări infinite în punctul respectiv. De asemenea, conceptul sau noțiunea de structură, definită ca mai sus permite stabilirea teoremelor deplasării unitate și a forței unitate – ale lui Maxwell – precum și a teoremelor lui Castigliano, care au un înțeles clar în rezistența materialelor și în teoria structurilor, dar nu și în teoria elasticității.

Modelul de calcul

Pentru a putea efectua o analiză cu elemente finite a unei structuri, demersul hotărâtor care trebuie întreprins este elaborarea modelului de calcul al structurii respective. Toate aspectele privind acest proces se prezintă în detaliu într-un paragraf separat, datorită importanței subiectului.

Modelele MEF sunt modele matematice aproximative ale structurii care urmează să fie analizată. Pentru trecerea de la structura reală la modelul ei de calcul nu există algoritmi și metode generale care să asigure elaborarea unui model unic, care să aproximeze, cu o eroare prestabilită, cunoscută, structura care urmează să se aproximeze. În general este posibil ca pentru o structură să se elaboreze mai multe modele, toate corecte dar cu performanțe diferite. Modelul pentru calculul de rezistență al unei structuri se elaborează pe baza intuiției, imaginației și experienței anterioare a celui care face modelarea. Modelul trebuie să sintetizeze eficient toate informațiile disponibile referitoare la structura respectivă.

Elaborarea unui model de calcul corect și eficient depinde de anumiți factori și trebuie să îndeplinească anumite condiții.

Discretizarea

Modelul de calcul al structurii care urmează să fie supusă analizei cu elemente finite, în cazul general, este format din linii, care sunt axele barelor structurii, din suprafețe plane și curbe, care sunt suprafețele mediane ale plăcilor componenete ale structurii și volume, care sunt corpurile masive ale structurii. În această etapă a elaborării, modelulul este un continuu, cu o infinitate de puncte, ca și structura dată. Discretizarea este demersul fundamental cerut de MEF și constă în trecerea de la structura continuă (cu o infinitate de puncte) la un model discret, cu un număr finit de puncte (noduri). Această operație se face “acoperind” modelul cu o rețea de dicretizare și se justifică prin aceea că din punct de vedere practic, ingineresc, sunt suficiente informațiile privind structura (ca de exemplu, cunoașterea valorilor deplasărilor și ale tensiunilor) într-un număr oarecare de puncte ale modelului, numărul acestora putând fi oricât de mare.

Metoda elementelor finite, în mod obișnuit, definește necunoscutele (deplasări sau eforturi) în punctele modelului și calculează valorile lor în aceste puncte. În aceste condiții, rezultă că dicretizarea trebuie făcută astfel încât să se definească un număr suficient de mare de puncte în zonele de interes, pentru ca aproximarea geometriei structurii, a condițiilor de rezemare și a condițiilor de încărcare să fie satisfăcătoare pentru scopul urmărit de FEA. Din cele menționate rezultă importanța deosebită a modului cum se face dicretizarea modelului, motiv pentru care toate detaliile procesului de discretizare se prezintă cadrul unui capitol special, care este capitolul 6.

Nodul

Punctele definite prin rețeua de dicretizare se numesc noduri. În noduri se definesc necunoscutele nodale primare, ale căror valori sunt rezultatele FEA. Necunoscutele asociate nodurilor pot fi deplasările, caz în care MEF se numește model deplasare, sau eforturile, când MEF se numește model echilibru. Relativ rar se folosește și modelul mixt. Pentru modelul deplasare se admite că forma deformată a structurii, ca urmare a unei solicitări oarecare, este definită de deplasările tuturor nodurilor în raport cu rețeaua nodurilor înainte de deformare, fiecare nod putând avea maximum șase componente ale deplasării, denumite deplasări nodale, în raport cu un reper global (la care este raportată structura în ansamblu): trei componente u, v, w ale deplasării liniare și trei rotiri ϕx, ϕy, ϕz. Componentelor nenule ale deplasărilor pe care le poate avea un nod al modelului structurii în procesul de deformație li se asociază un versor denumit grad de libertate geometrică – DOF al nodului, care are valoarea DOF=0, dacă pe direcția respectivă componenta deplasării este nulă sau cunoscută și valoarea DOF=1, dacă deplasarea este necunoscută. Se pot defini gradele de libertate geometrică ale structurii în totalitate. Rezultă că numărul total al necunoscutelor care trebuie determinate prin calcul este egal cu numărul gradelor de libertate geometrică cărora le sunt atașate necunoscute (care au DOF=1), pentru toate nodurile modelului structurii.

Unele din gradele de libertate ale modelului trebuie “eliminate” deoarece unele noduri sunt “legate”, reprezentând reazeme și deci deplasările lor sunt nule sau au valori cunoscute, impuse și nu mai trebuie calculate.

Elementul finit

Procesul de discretizare are drept urmare împărțirea modelului structurii într-un număr oarecare de fragmente sau elemente, așa cum, de exemplu, zidul unei clădiri poate fi privit ca fiind format din cărămizile utilizate la construcția sa. Elementele finite se leagă între ele prin nodurile comune, care sunt vârfurile patrulaterelor sau triunghiurilor (sunt și tipuri de elemente care au noduri și pe laturi).

Un element finit poate fi privit ca o “piesă” de sine stătătoare, interacționând cu celelalte elemente numai în noduri. Studiul structurii reale se înlocuiește cu studiul ansamblului de elemente finite obținut prin discretizare, care devine astfel o idealizare a structurii originare și este un model de calcul al structurii date. Pentru ca rezultatele analizei să fie cât mai precise trebuie ca procesul de idealizare al structurii date să fie cât mai “performant”, ceea ce implică respectarea unor regului și exigențe privind discretizarea, elaborarea modelului de calcul și – printre altele – utilizarea unor elemente finite adecvate. În principiu, dimensiunile elementelor finite pot fi oricât de mici, dar trebuie totdeauna să fie finite, adică nu poate fi făcută o trecere la limită prin care dimensiunile acestora să tindă spre zero.

Din nefericire, nu se poate concepe un element finit general, care să aibă o utilitate universală. Pentru a putea fi implementat într-un program MEF și utilizat pentru un model de calcul, elementul finit trebuie în prealabil “proiectat” în toate detaliile, adică trebuie definit din punct de vedere geometric, fizic, matematic etc.

4.2. Descriere vagon de marfa tip EAOS

Vagon descoperit, de tip obisnuit, culbutabil lateral, cu planseu plat. Vagon descoperit tip gondola pe 4 osii destinat pentru transportul (navetizat sau introdus in compunerea trenurilor de marfa, pietris, nisip, carbune, minereu) sau materiale voluminoase (lemn de foc, cherestea). In general se recomanda transportul marfurilor care nu trebuie protejate impotriva intemperiilor.

Figura 4.1 Vagonul tip Eaos

Figura 4.2 Vagonul tip Eaos (model real)

Tabel 4.1 Specificații vagon descoperit tip EAOS

4.3. Unități de măsură, materiale

Unitățile de măsură utilizate în prezentarea rezultatelor sunt specificate în tabelul de mai jos:

Tabel 4.2 Unități de măsură

Caracteristicile de material utilizate în analize sunt prezentate în tabelul de mai jos:

Tabel 4.3 Caracteristicile de material

4.4. MODELUL GEOMETRIC

Modelul geometric a fost realizat utilizând facilitățile de modelare ale preprocesorului PREP7 al programului ANSYS. Modelul geometric studiat cuprinde toate componentele esențiale ale vagonului.

Programul permite studii parametrice și optimizarea proiectării în funcție de multiple fenomene fizice. În același timp oferă facilitate de păstrare și refolosire a proceselor și datelor legate de simulări. Suita de produse software ANSYS suportă proiectarea și validarea produsului într-un mediu virtual ce pune la dispoziție fenomene fizice complexe cuplate, oferă o gamă largă de tehnologii de explorare a comportamentului dinamic, inclusiv răspuns în frecvență sau mișcarea în ansamblu a sistemelor neliniare de corpuri flexibile.

Deoarece geometria vagonului prezintă două plane de simetrie (planele XOZ și YOZ), s-a modelat doar un sfert din structura vagonului, apoi s-a reflectat de două ori, obținându-se geometria integrală a vagonului, utilizată pentru toate fazele de analiză.

Figura 4.3 Geometria integrală a vagonului

Modelul geometric a fost realizat astfel încât să se execute rețeaua cu elemente finite folosind elemente de tip SHELL.

Figura 4.4 Harta distribuției grosimii tablelor

4.5. Modelul cu elemente finite

Pentru generarea modelului cu elemente finite au fost utilizate elemente de tip SHELL63.

Elementul de tip SHELL63 are 4 noduri, fiecare nod având 6 grade de libertate (3 translații UX, UY, UZ și 3 rotații ROTX, ROTY, ROTZ).

Modelul cu elemente finite are un număr de :

57 082 elemente

54 106 noduri pentru modelul complet.

În figura este prezentat modelul cu elemente finite pentru vagon, în varianta model complet.

Figura 4.5 Modelul cu elemente finite pentru modelul complet

4.6. Condiții la limită, cazuri de încărcare

Analize structurale

În cazul lucrării de față se vor prezenta rezultatele obținute în urma realizării simulărilor pe modele de vagon prezentate la capitolul anterior, ținând cont de normele UIC.

Cazurile de încărcare sunt prezentate pe scurt în tabelul 4.4 și corespund cazurilor de încărcare prevăzute de ERRI B12 RP17 , fișei UIC 577, fișei UIC 571-2 și EN 12663:2000.

Tabelul 4.4 Cazurile de încărcare

Criterii de acceptare

În tabelul 4.5 sunt prezentate criteriile de acceptare elaborate conform raportului ERRI B12 / PR 17 și ERRI B12 / PR 60. Criteriile de acceptare pentru solicitările statice se aplică conform punctului 6.1. din raportul ERRI B12/ PR 60 sau punctul 1, anexa L, din raportul ERRI B12 / PR 17.

Criteriile de acceptare pentru solicitările la oboseală se aplică conform punctului 3.3 și table C1,versiunea B, din raportul ERRI B12 / PR 60 sau punctul 2, anexa L, din raportul ERRI B12 / PR 17.

Tabel. 4.5 Criteriile de acceptare pentru solicitările la oboseală

Criterii de acceptare:

– A, B, C, D, E, F – solicitări la oboseală;

– G – rezistența admisibilă a materialului departe de suduri;

– H – rezistența admisibilă a materialului, în imediata vecinătate a cordoanelor de sudură;

– K – criterii de deformare.

Unde:

1) – adm Rp unde Rp < 0,8 Rm conform raportului ERRI B12/RP60, punctul 6.1 ;

adm 345 MPa pentru valori determinate departe de suduri;

2) – adm Rp / 1,1 unde Rp < 0,8 Rm conform raportului ERRI B12/RP60, punctul 6.1 ;

adm 313 MPa pentru valori determinate în imediata vecinătate a cordoanelor de sudură;

3) – F d r – Fără deformații remanente;

4) – Săgeata maximă confor raportului ERRI B12/RP17 punctul 2.3. este de 3 0/00 din ampatament : fmax = 11 480 x 3/1000 = 34,44 mm;

5) – D r – Deformații remanente;

Rp – limita de curgere convențională a materialului (valoarea minimă indicată de normele pentru material);

Rp – limita de curgere convențională a materialului pentru îmbinarea sudată (valoarea minimă indicată de normele pentru material);

Rm – rezistența la tracțiune a materialului (valoarea minimă indicată de normele pentru material);

Rm – rezistența la tracțiune a materialulu pentru îmbinarea sudată (valoarea minimă indicată de normele pentru material);

Valorile din coloana A sunt conform raportului ERRI B12/RP60, tabel C1, versiunea B, ptr. K=0,3, clasa A ;

Valorile din coloana B sunt conform raportului ERRI B12/RP60, tabel C1, versiunea B, ptr. K=0,3, clasa B ;

Valorile din coloana C sunt conform raportului ERRI B12/RP60, tabel C1, versiunea B, ptr. K=0,3, clasa C ;

Valorile din coloana D sunt conform raportului ERRI B12/RP60, tabel C1, versiunea B, ptr. K=0,3, clasa D ;

Valorile din coloana E sunt conform raportului ERRI B12/RP60, tabel C1, versiunea B, ptr. K=0,3, clasa E ;

REZULTATE

În cazul lucrării de față se vor prezenta rezultatele obținute în urma realizării simulărilor pe modele de vagon prezentate la capitolul anterior, ținând cont de normele UIC.

1) Încercări la compresiune și tracțiune cu vagonul gol

1.1.Compresiune cu 2 x 1 MN pe axa tampoanelor (la 1060 mm de la nivelul șinei)

1.1.a.) Condiții la limită

Această analiză a fost realizată utilizând modelul integral al vagonului. Condițiile la limită și încărcările sunt prezentate în figura 4.6. Condițiile la limită constau din constrângerile aplicate la nivelul crapodinelor (UZ=0).Încărcările constau din forța de F=1MN aplicată pe suprafața tampoanelor.

Figura 4.6 Condiții la limită și încărcări

1.1.b.) Rezultate

În urma efectuării analizei statice a rezultat o tensiune echivalentă maximă de max = -130,64 MPa (vezi fig. 4.7 și fig. 4.8).

Figura 4.7 Distribuția tensiunilor echivalente

Figura 4.8 Distribuția tensiunilor echivalente (detaliu)

1.2.Compresiune cu 2 x 1 MN pe axa cuplei automate (la 1040 mm de la nivelul șinei)

1.2.a.) Condiții la limită

Această analiză a fost realizată utilizând modelul integral al vagonului.Condițiile la limită și încărcările sunt prezentate în figura 4.9. Condițiile la limită constau din constrângerile aplicate la nivelul crapodinelor (UZ=0).Încărcările constau din forța de F=1 MN aplicată pe suprafața placilor ce iau contact cu cupla automată .

Figura 4.9 Condiții la limită și încărcări

1.2.b.) Rezultate

În urma efectuării analizei statice a rezultat o tensiune echivalentă maximă de max = -206,15 MPa (vezi fig. 4.10 și fig. 4.11).

Figura 4.10 Distribuția tensiunilor echivalente

Figura 4.11 Distribuția tensiunilor echivalente (detaliu)

1.3. Tracțiune de opritori cu 2 x 0,75 MN pe axa cuplei automate (la 1040 mm de la nivelul șinei)

1.3.a.) Condiții la limită

Această analiză a fost realizată utilizând modelul integral al vagonului.Condițiile la limită și încărcările sunt prezentate în figura 4.12. Condițiile la limită constau din constrângerile aplicate la nivelul crapodinelor ( UZ = 0 ).Încărcările constau din forța de F = 0,75 MN aplicată pe suprafața opritori ce iau contact cu cupla automată .

Figura 4.12 Condiții la limită și încărcări

1.3.b.) Rezultate

În urma efectuării analizei statice a rezultat o tensiune echivalentă maximă de max = -183,78 MPa (vezi fig. 4.13 și fig. 4.14 ).

Figura 4.13 Distribuția tensiunilor echivalente

Figura 4.14 Distribuția tensiunilor echivalente (detaliu)

1.4 Compresiune în diagonală cu 0,4 MN pe axa tampoanelor ( la 1060 mm de la nivelul șinei )

1.4.a.) Condiții la limită

Această analiză a fost realizată utilizând modelul integral al vagonului.Condițiile la limită și încărcările sunt prezentate în figura 4.15. Condițiile la limită constau din constrângerile aplicate la nivelul crapodinelor (UZ=UX=ROTY=0). Încărcările constau din forța de F =0,4 MN aplicată pe suprafața tampoanelor.

Figura 4.15 Condiții la limită și încărcări

1.4.b.) Rezultate

În urma efectuării analizei statice a rezultat o tensiune echivalentă maximă de max = 156,91 MPa (vezi fig. 4.16 și fig. 4.17).

Figura 4.16 Distribuția tensiunilor echivalente

Figura 4.17 Distribuția tensiunilor echivalente (detaliu)

2) Încercări cu sarcini verticale uniform repartizate pe suprafața planșeului

2.1 Vagon încărcat cu 23 t uniform repartizate pe o suprafață de 3 000 x 1200 mm

2.1. Condiții la limită

Această analiză a fost realizată utilizând modelul integral al vagonului. Condițiile la limită și încărcările sunt prezentate în figura 4.18. Condițiile la limită constau din constrângerile aplicate la nivelul crapodinelor (UZ = 0). Încărcările constau din forțele F aplicate uniform distribuit pe 3 m la mijlocul sasiului.

Unde: F = 23 t x 9,81= 225630 N / A

Figura 4.18 Condiții la limită și încărcări

2.1. Rezultate

În urma efectuării analizei statice a rezultat o tensiune echivalentă maximă

de max = -109,1 MPa (vezi fig. 4.19 și fig. 4.20).

În figura 7.2.3.4. sunt prezentate deplasările verticale, după axa OZ, ce apar în structura vagonului sub acțiunea încărcărilor verticale.

Figura 4.19 Distribuția tensiunilor echivalente

Figura 4.20 Distribuția tensiunilor echivalente (detaliu)

Figura 4.21 Distribuția deplasărilor pe verticală

3) Încercări la compresiune și tracțiune cu sarcini verticale uniform repartizate pe suprafața planșeului ( de 3000 x 1200 ) cu 23 t

3.1. Compresiune cu 2 x 1 MN pe axa tampoanelor iar vagonul este încărcat vertical cu 23 t uniform repartizate pe suprafața planșeului ( de 3000 x 1200 ) conf. pct. 3.1.

3.1.a.) Condiții la limită

Această analiză a fost realizată utilizând modelul integral al vagonului. Condițiile la limită și încărcările sunt prezentate în figura 4.22 . Condițiile la limită constau din constrângerile aplicate la nivelul crapodinelor ( UZ = 0 ). Încărcările constau din forța F aplicată pe suprafața tampoanelor și forțele F1 aplicate uniform distribuit pe 3 m la mijlocul sasiului.

Unde: F = 1 000 000 N; F1 =23 t x 9,81 = 225630 N;

Figura 4.22 Condiții la limită și încărcări

3.1.a.) Rezultate

În urma efectuării analizei statice a rezultat o tensiune echivalentă maximă de max = -151,76 MPa (vezi fig. 4.23 și fig. 4.24).

Figura 4.23 Distribuția tensiunilor echivalente

Figura 4.24 Distribuția tensiunilor echivalente (detaliu)

3.2. Compresiune cu 1 + 1 MN pe axa cuplei automate iar vagonul este încărcat vertical cu 23 t uniform repartizate pe suprafața planșeului (de 3000 x 1200 )

3.2.a.) Condiții la limită

Această analiză a fost realizată utilizând modelul integral al vagonului. Condițiile la limită și încărcările sunt prezentate în figura 4.25 . Condițiile la limită constau din constrângerile aplicate la nivelul crapodinelor ( UZ = 0 ). Încărcările constau din forța F aplicată pe suprafața placilor ce iau contact cu cupla automată și forțele F1 aplicate uniform distribuit pe 3 m la mijlocul sasiului.

Unde: F = 1 000 000 N; F1 =23 t x 9,81 = 225630 N;

Figura 4.25 Condiții la limită și încărcări

3.2.a.) Rezultate

În urma efectuării analizei statice a rezultat o tensiune echivalentă maximă de max = -206,79 MPa (vezi fig. 4.26 și fig. 4.27 ).

Figura 4.26 Distribuția tensiunilor echivalente

Figura 4.27 Distribuția tensiunilor echivalente (detaliu)

3.3. Tracțiune de opritori cu 0,75 + 0,75 MN pe axa cuplei automate iar vagonul este încărcat vertical cu 23 t uniform repartizate pe suprafața planșeului ( de 3000 x 1200 ).

3.3.a.) Condiții la limită

Această analiză a fost realizată utilizând modelul integral al vagonului. Condițiile la limită și încărcările sunt prezentate în figura 4.28. Condițiile la limită constau din constrângerile aplicate la nivelul crapodinelor ( UZ = 0 ). Încărcările constau din forța F aplicată pe suprafața opritori ce iau contact cu cupla automată și forțele F1 aplicate uniform distribuit pe 3 m la mijlocul sasiului.

Unde: F = 750 000 N; F1 =23 t x 9,81 = 225630 N;

Figura 4.28 Condiții la limită și încărcări

3.3.a.) Rezultate

În urma efectuării analizei statice a rezultat o tensiune echivalentă maximă de max = -183,77 MPa (vezi fig. 4.29 și fig. 4.30 ).

Figura 4.29 Distribuția tensiunilor echivalente

Figura 4.30 Distribuția tensiunilor echivalente (detaliu)

3.4. Compresiune în diagonală cu 0,4 MN pe axa tampoanelor iar vagonul este încărcat vertical cu 23 t uniform repartizate pe suprafața planșeului ( de 3000 x 1200 )

3.4.a.) Condiții la limită

Această analiză a fost realizată utilizând modelul integral al vagonului. Condițiile la limită și încărcările sunt prezentate în figura 4.31 . Condițiile la limită constau din constrângerile aplicate la nivelul crapodinelor (UZ = UX = ROTY = 0). Încărcările constau din forț F aplicată pe suprafața tampoanelor și forțele F1 aplicate uniform distribuit pe 3 m la mijlocul sasiului.

Unde: F = 400 000 N; F1 =23 t x 9,81 = 225630 N;

Figura 4.31 Condiții la limită și încărcări

3.4.a.) Rezultate

În urma efectuării analizei statice a rezultat o tensiune echivalentă maximă de max = 181,5 MPa (vezi fig. 4.32 și fig. 4.33).

Figura 4.32 Distribuția tensiunilor echivalente

Figura 4.33 Distribuția tensiunilor echivalente (detaliu)

5. Concluzii

În urma analizelor statice efectuate, în tabelul 5.1. se prezintă, pe cazuri de încărcare, descrise în tabelul 4.4, valoarea tensiunilor echivalente maxime și după caz, deplasările verticale (săgeata) .

Tabelul 5.1 Rezutate

Analizând tabelul 5.1 se poate concluziona, că pentru toate cazurile de încărcare, tensiunile maxime rezultate se află sub limitele admisibile date pentru S 355 J2 EN 10025-2, iar harta de distribuție a tensiunilor echivalente evidențiază zonele cele mai solicitate.

Scopul primordial al proiectării este de a obține cel mai bun sistem posibil pentru un ansamblu de cerințe impuse. Pentru aceasta se concepe un sistem candidat și se studiază cum se comportă acesta. În inginerie în general, precum și în construcția unei mașini, a unui utilaj sau a unei instalații, o componentă de bază este structura de rezistență, care reprezintă un ansamblu mecanic cu o funcționalitate riguros definită, ca de exemplu: preluarea diverselor sarcini, asigurarea unei anumite poziții relative între subansamble, posibilitatea efectuării unor mișcări relative între unele componenete, asigurarea unei stabilități statice și dinamice, garantarea unei rigididități impuse etc. În limbajul ingineresc obișnuit structura de rezistență se numește mai simplu: structură.

Calculele de rezistență, de stabilitate, de durabilitate, dinamice etc au în vedere structura de rezistență în ansamblu, componentele acesteia, precum și alte elemente, componente sau subansamble ale mașinii, utilajului sau instalației care se proiectează. Aceste calcule constitue o componenetă importantă a proiectării dar ele pot fi duse la bun sfârșit numai după ce alte aspecte, de principiu sau de detaliu, au fost clarificate. Este cazul cerințelor beneficiarului, a costurilor impuse, a termenelor acordate, a materialelor disponibile, a tehnologiilor accesibile, a volumului producției, a durabilității cerute produsului, a exigențelor ecologice etc. Totdeauna calculele inginerești trebuie să aibă în vedere satisfacerea optimă a funcțiilor și cerințelor fundamentale ale proiectării, ceea ce conduce la concluzia că disocierea procesului de calcul de cel de proiectare implică riscul unor consecințe nefavorabile, care pot fi grave, greu de anticipat.

În prezent, marea majoritate a calculelor inginerești cerute pentru sinteza, proiectarea și analiza unui produs se pot face cu metoda elementelor finite (MEF). În condițiile proiectării asistate de calculator (CAD) și a fabricației asistate de calculator (CAM), analiza cu elemente finite (FEA) devine o componentă a unui proces unitar – integrat.

Analiza cu elemente finite (FEA) a modelului unei structuri de rezistență este un calcul numeric de verificare, adică pentru o anumită geometrie definită dimensional, pentru o încărcare dată și condiții de rezemare bine precizate se obțin valorile deplasărilor, tensiunilor, reacțiunilor în reazeme, frecvențelor vibrațiilor proprii etc. Nu este însă evident (în cazul general) cum trebuie modificată structura pentru ca aceasta să răspundă cât mai bine ansamblului cerințelor impuse. Deci nu se poate concepe o tehnică generală de optimizare automată, care să rezolve orice problemă, de orice natură. Ce se poate face, este elaborarea unei metodologii de proiectare optimă.

În prezent metoda elementelor finite (MEF) este aproape generalizată în proiectarea inginerească asistată și are aplicabilități masive în cercetarea mecanică, transmisia căldurii, electricitate, hidraulică, biomecanică etc.

Avantajele MEF

Propagarea “masivă”, într-un interval de timp relativ scurt, a MEF se explică în primul rând prin avantajele sale, dintre care cele mai importante sunt:

Genaralitatea. MEF este o metodă numerică aproximativă de calcul care se poate utiliza pentru rezolvarea problemelor de mecanica structurilor deformabile, mecanica fluidelor, transmisia căldurii, electromagnetism, electrostatică, biomecanică etc. Solicitările pot fi statice, dinamice, periodice, staționare, nestaționare, tranzitorii etc. Problemele pot fi liniare, neliniare (cu diverse tipuri de neliniarități), dependente de timp, probleme de stabilitate, de vibrații, de interacțiune etc. În prezent utilizarea MEF este limitată doar de lipsa de imaginație și ingeniozitate a potențialilor beneficiari.

Suplețea. Pentru abordarea unei anumite probleme concrete cu MEF, nu există nici un fel de restricții care să decurgă din metodă, adică elaborarea modelului de calcul al problemei date se poate face cu o libertate deplină, în care esențiale sunt fantezia, ingeniozitatea și experiența utilizatorului. Suplețea MEF asigură elaborarea cu foarte mare ușurință a modelului de calcul și permite automatizarea acestui proces într-o foarte mare măsură.

După ce s-a realizat modelul și s-au făcut diverse calcule cu el, într-un număr de variante privind solicitările, condițiile de rezemare, opțiunile de analiză etc., se pot obține variante noi, îmbunătațite, ale modelului inițial, astfel încât să fie satisfăcute cât mai deplin diversele exigențe ale utilizatorului.

Simplitatea conceptelor de bază. Pentru utilizarea MEF nu este necesar ca utilizatorul să aibă cunoștințe speciale de matematică sau informatică, ci este suficient ca el să fie un bun inginer, adică să aibă cunostințe temeinice inginerești uzuale. Se pot întelege și asimila, cu un efort minim, conceptele de bază ale MEF și anume: nod, element finit, rețea de discretizare, structură, model de calcul.

Acest atribut al MEF face ca ea să fie accesibilă unui număr foarte mare de utilizatori.

Utilizarea calculatoarelor. Din chiar principiile de bază ale MEF, rezultă necesitatea efectuării unui volum foarte mare (uneori chiar uriaș) de calcule numerice, ceea ce impune implementarea metodei pe calculatoare numerice. Se constată cu ușurință că de fapt dezvoltarea MEF și a programelor care folosesc metoda s-au realizat în strânsă concordanță cu creșterea performanțelor sistemelor de calcul. Această situație de fapt are consecințe practice importante privind automatizarea și fiabilitatea proceselor componente ale MEF și FEA.

Existența programelor de calcul cu MEF. În prezent se comercializează și sunt accesibile numeroase programe de calcul cu MEF, deosebit de performante. Aceste programe permit analiza oricărei structuri mecanice, cu o complexitate practic nelimitată în ceea ce privește forma geometrică, dimensiunile, solicitările, variantele de analiză etc. Se poate afirma că, în prezent, se poate calcula orice structură mecanică cu MEF.

Facilități de pre și postprocesare. MEF permite ca relativ simplu să se realizeze o mare diversitate de proceduri eficiente de preprocesare a modelului de calcul în vederea reducerii volumului de muncă, în special a discretizării automate și a verificării acestuia. Rezultatele obținute în urma procesării modelului – care au de obicei un volum uriaș – pot fi prezentate sub formă de tabele, listinguri, desene, diagrame, animații, alb-negru sau color etc., astfel încât informațiile oferite beneficiarului să fie cât mai accesibile, sugestive, atractive, complete, precise etc.

Stabilitatea algoritmilor de calcul. Eforturile a numeroși cercetători (matematicieni și ingineri) s-au concretizat prin elaborarea unor algoritmi și proceduri eficiente și sigure informatice și matematice de calcul, destinate MEF și FEA, care s-au verificat, s-au impus și au fost unanim acceptate. În aceste condiții, MEF și programele corespunzătoare elaborate oferă stabilitate și siguranță utilizatorilor. Variante noi ale programelor includ fie extinderi ale bibliotecilor de elemente finite sau ale opțiunilor de calcul implementate, fie noi facilități de pre și postprocesare.

Dezavantajele MEF

Prin extinderea până aproape de generalizare a MEF și FEA, precum și prin numărul uriaș de utilizatori entuziaști ai acestora, nu înseamnă că MEF a ajuns panaceu universal în calculele efectuate în inginerie și în cercetare. Metoda are dezavantaje și limite. Cele mai importante dezavantaje ale MEF sunt:

Metoda este aproximativă. Analiza cu MEF nu se face pentru structura reală ci pentru un model (de calcul) al acesteia și rezultatele obținute reprezintă o aproximare a stărilor de deplasări, tensiuni, temperaturi etc. din structura reală care se analizează. Dezavantajul MEF constă în aceea că nu se poate estima – în marea majoritate a situațiilor reale – cu un nivel de încredere cuantificabil, cât de bine aproximeză FEA soluția exactă (necunoscută) a problemei care se analizează. Altfel spus este foarte dificil – uneori chiar imposibil – să se estimeze care sunt abaterile valorilor mărimilor (deplasări, tensiuni, eforturi, frecvențe etc.) calculate cu MEF față de cele reale, necunoscute.

Modelul de calcul este subiectiv și arbitrar. Utilizatorul are libertate deplină în elaborarea modelului, MEF neavând restricții în acest sens. Suplețea metodei duce la suspiciuni în legatură cu corectitudinea modelului și a eficienței analizei realizate cu el. În aceste condiții hotărâtoare sunt curajul, ingeniozitatea și experiența utilizatorului în domeniul MEF și FEA, atribute subiective și greu de evaluat cantitativ. Elaborarea unui model de calcul performant devine astfel o artă. Din acest motiv, diverse institute de proiectare sau firme, au emis norme și reguli de elaborare a modelelor pentru unele categorii de structuri, unele dintre acestea fiind validate în practică.

Elaborarea modelului de calcul este laborioasă. Pentru realizarea modelului cu elemente finite al unei structuri este necesar din partea utilizatorului un efort considerabil și o foarte bună cunoaștere a modului de preprocesare al programului cu elemente finite sau a interfeței CAD – MEF.

Programele MEF sunt complexe și scumpe. În dorința de a satisface cât mai bine exigențele utilizatorilor și de a face față concurenței, firmele care elaborează programe performante pentru analize cu elemente finite au realizat produse de o foarte mare complexitate. Pentru utilizarea corectă și eficientă a acestora li se cer utilizatorilor eforturi deosebite, pentru lungi perioade de timp. Prețurile programelor sunt relativ mari, uneori chiar prohibitive.

BIBLIOGRAFIE

ERRI B12 RP17 ediția a VIII-a, aprilie 1997;

Fișa UIC 577;

Fișa UIC 571-2;

EN 12 663:2000;

EN 10025-2 S 355 J2 ; Oțel;

STAS 564-86: ( EN 10 026 ) Oțel laminat la cald. Oțel U;

EN 10 056-1:2000. Cornier L cu aripi egale, laminat la cald;

Boazu D., Beznea E.F., Chirica I., Incercari de rezistenta ale structurilor, Ed. Cermi,

Iasi, 2007, ISBN 978-973-667-282-8;

Boazu D., Rezistența materialelor. Solicitări simple și compuse ale barelor, Editura EUROPLUS, Galați, 2006, ISBN (10) 973-7845-38-2; ISBN (13) 978-973-7845-38-2;

Burada, C., Buga, M., Crăsneanu, Al., Elemente și structuri portante ale vehiculelor de cale ferată, Editura tehnică, București 1980;

Mănescu, T.Ș., Nedelcu, D., Analiza structurală prin metoda elementului finit, Editura Orizonturi Universitare, Timișoara, 2005;

Mănescu, T.Ș., Copaci, I., Olaru, St., Creangă, Fl., Tensometria electrică rezistivă în cercetarea experimentală, Editura Mirton, Timișoara, 2006;

Mănescu, T.Ș., Copaci, I., Olaru, St., Creangă, Fl., Rezistența la solicitări variabile care apar în exploatarea vehiculelor feroviare, Editura Mirton, Timișoara, 2005;

EN 12663 – Structural requirements of railway vehicle bodies, 2000;

fișa UIC 577 – Sollicitations des wagons, 2004;

Mănescu, T.Ș., Zaharia, N.L., Bîtea, C.V., Static And Dynamic Railway Tests Performed At A Tank Wagon, The Monograph of Faculty of Technical Sciences MACHINE DESIGN, Novi Sad, 2009;

Sebeșan, I, Dinamica vehiculelor feroviare, Editura Matrix Rom, ISBN 978- 973-755-725-4, București 2011;

Simion, I., Melinte, F., Zaharia, N.L., The Application Of Electrical Strain Gages For Stress Analysis On A Tank Wagon, 24th Danubia–Adria Symposium on Developments in Experimental Mechanics, pag. 183÷185, ISBN 978-973-739-456-9, Sibiu, 2007;

Zaharia, N.L., Mănescu, T.S., Modificarea structurii portante a vagoanelor cisternă în vederea creșterii sarcinii pe osie și micșorarea tarei vehiculului, A XI-a Conferință Națională multidisciplinară cu participare international „Profesorul Dorin PAVEL – Fondatorul hidroenergeticii românești”, ISSN 2067- 7138, Sebeș, 2011;

Zaharia, N.L., Contribuții privind optimizarea structurilor portante ale vagoanelor cisternă de cale ferată în vederea creșterii sarcinii pe osie și micșorarea tarei vehiculelor, Teză de doctorat susținută, Universitatea „Eftimie Murgu” Reșița, 2010;

Fișa UIC 577 Wagon stresses, 2005;

Raportul ERRI B12/RP17 Programme des essais à faire subir aux wagons à châssis et superstructure en acier (aptes à recevoir l'attelage automatique de choc et traction) et à leurs bogies à châssis en acier (8ème édition), 1997;

SR EN 12663-1 „Aplicații feroviare – Cerințe de dimensionare a structurilor vehiculelor feroviare, Partea 1: Locomotive și vagoane de pasageri (și metodă alternativă pentru vagoane de marfă)”, 2010;

SR EN 12663-2 „Aplicații feroviare – Cerințe de dimensionare a structurilor vehiculelor feroviare, Partea 2: Vagoane de marfă”, 2010;

Bejan, M., În lumea unităților de măsură, ediția a doua revăzută și adăugită. Editura Academiei Române și Editura AGIR, București, 2005;

Rodica Talamba, Mihail Stoica. Osia montata. Bucuresti, Editura ASAB 2005;

Florea Berceanu. Compendiu de vagoane de marfa. Bucuresti, Editura ASAB, 2002;

Gheorghe Ionescu. Vagoane de cale ferata – Volumul I. Centrul de Documentare si Publicatii Tehnice M.T.Tc. 1973;

Cornel Burada, Gheorghe Ionescu. Roti, osii si osii montate pentru vagoane. Centrul de Documentare si Publicatii Tehnice M.T.Tc. 1969;

STAS 7110/1994 Aparatul de rulare pentru vagoane de cale ferata cu ecartament normal. Dimensiuni;

STAS 1830 – 91 Vagoane de cale ferata cu ecartament normal. Osii. Dimensiuni;

STAS 4138/93 Aparate de rulare pentru vagoane de cale ferata cu ecartament normal. Osii montate. Conditii generale de calitate;

Fisa UIC 510-1/O, 9e edition, 01-01-78 Wagon. Organes de roulement. Normalisation;

Fisa UIC 510-2/0OR, 3e edition, 01-01-98 Materiel remorche. Roues et essieux montes. Conditions concernant l’utilisation des roues de differents diametres;

Fisa UIC 813-0/01.01.1989 Specification technique pour la furniture d’essieux motes des materiels roulants moteur et remorque. Tolerance et montage;