تحلیل استحکام شاسی واگن باری لبه بلند با استفاده از روش اجزا محدود

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران

2 مهندس ارشد طراحی، شرکت صنایع فولاد درخشان اراک، اراک، ایران

10.22034/ijme.2023.419496.1850

چکیده

نوسازی ناوگان حمل بار در راستای سیاست‌های سند چشم انداز بیست ساله توسعه ایران (افق 1404)، با هدف رساندن سهم راه‌آهن در حمل کالا به میزان 30 درصد، می‌باشد. طراحی واگن‌های باری با بار محوری بیشتر، امکان افزایش ظرفیت باربری آن‌ها را فراهم می‌آورد، در راستای دستیابی به اهداف زیست محیطی از طریق انتشار کمتر گاز دی‌اکسید کربن می‌باشد و سبب کاهش قابل توجه هزینه حمل کالاها می‌شود، که این امر خود منجر به سرمایه‌گذاری بیشتر بخش خصوصی در حوزه ناوگان ریلی ایران می‌گردد. این مقاله به توسعه روش ارزیابی استحکام شاسی یک واگن‌باری لبه بلند با بار محوری 25 تن مطابق نیازمندی‌های استاندارد EN12663-2 و با استفاده از روش اجزا محدود می‌پردازد. نیازمندی‌های طراحی به تفصیل تشریح و مدل عددی مناسب برای هر نیازمندی توسعه داده شده است. نتایج شبیه‌سازی‌های انجام شده برای تمامی شرایط بارگذاری با معیارهای تعریف شده در استاندارد مقایسه و از صحت طراحی اطمینان حاصل شده است. نتایج شبیه‌سازی‌ها بیانگر آن است که از میان حالات مختلف بارگذاری، لیفت یک طرفه و دو ‌طرفه‌ی واگن (حالات بارگذاری شماره LC7 و LC6) و نیز ترکیب بارگذاری فشاری و عمودی (حالت بارگذاری شماره LC8) سخت‌ترین شرایط بوده و تنش‌های موضعی بالایی را در شاسی به وجود می‌آورند که کاهش این تنش‌ها نیازمند تقویت کردن و یا ایجاد تغییرات هندسی در برخی اجزای شاسی می‌باشد. به طور کلی، نتایج این تحقیق به مهندسین صنعت ریلی کمک خواهد کرد تا نقاط بحرانی شاسی یک واگن باری را در شرایط بارگذاری مختلف شناسایی و اصلاح نمایند. چنین اصلاحاتی علاوه بر بهینه کردن وزن و افزایش استحکام و ازدیاد ظرفیت باربری واگن، موجب افزایش طول عمر و قابلیت اطمینان عملکرد آن نیز می‌شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Strength analysis of long edge freight wagon underframe using finite element method

نویسندگان [English]

  • Hamid Ghasemi 1
  • Iman Delfani 2
1 Assistant Professor, Mechanical Engineering Department, Arak University of Technology, Arak, Iran.
2 Senior design Engineer, Foolad Derakhshan Arak Industrial Co., Arak, Iran
چکیده [English]

Upgrading of the rail vehicles is in line with the policies of the Iran's twenty-year development vision document (Horizon 1404) in order to increase the share of railways in the transportation of goods up to 30%. The design of freight wagons with higher axial load, provides the possibility of increasing the load carrying capacity of the wagons, helps to achieve environmental goals through less CO2 emission, and causes a significant reduction in the transportation cost, which itself leads to more investment by the private sector in the Iran's rail vehicles. This paper presents a computational platform to analyze the mechanical strength of a long-sided freight wagon with an axle load of 25 tons, according to the requirements of EN 12663-2 standard, using the finite element method. Design requirements are described in detail and appropriate numerical models are developed for each requirement. The results of the simulations performed in all loading conditions have been compared with the limits defined in the standard and the correctness of the design has been ensured. Numerical results depict that among all load cases, lifting at one end, lifting the whole vehicle (load cases LC6 and LC7) and compressive force and vertical load (load case LC8) cases are the most sever ones, and induce higher local stresses; which could be reduced by reinforcing or making some geometrical changes in the underframe. In general, the outputs of this research will help the railways engineers to identify and optimize the high stress regions of the freight wagon underframe, under different loading conditions. Such modifications, not only optimize the weight and increase the strength and the load carrying capacity of the wagon, but also increase its useful life time and operational reliability.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Underframe
  • Wagon
  • Static Analysis
  • Finite Element Method (FEM)
  • Numerical Solution

مراجع

[1] Fomin O, Gorbunov M, Gerlici J, Vatulia G, Lovska A, Kravchenko K. Research into the strength of an open wagon with double sidewalls filled with aluminum foam. Materials. 2021;14:3420. doi: 10.3390/ma14123420
[2] Patrascu A I, Hadar A, Pastrama S D. Structural analysis of a freight wagon with composite walls. Materiale Plastice. 2020;57(2):140-151. doi: 10.37358/MP.20.2.5360
[3] Haraka S S, Sharmaa S C, Harshaa S P. Structural dynamic analysis of freight railway wagon using finite element method. Procedia Materials Science. 2014;6:1891–1898. doi: 10.1016/ j.mspro .2014.07.221
[4] Fomin O, Lovska A, Bukatova O, Yarenchuk L, Chimshir V. Peculiarities of determining the bearing structure load of the body of articulated open wagon made of round pipes. Materials Science and Engineering. 2019;708:012009. doi: 10.1088/1757-899X/708/1/012009
[5] Milovanović V, Jovanović N, Bojović M, Jovičić G, Živković M. Strength analysis of the freight wagon for the transport of petroleum. Article in IMK-14 - Istrazivanje i razvoj. 2018. doi: 10.5937/IMK1801011M
[6] Milovanović V, Živković M, Dišić A, Rakić D, Živković J. Experimental and Numerical Strength Analysis of Wagon for Transporting Bulk Material. IMK-14 – Research & Development. 2014;20(2):61-66.
[7] Milovanović V, Dunić V, Rakić D, Živković M. Identification causes of cracking on the underframe of wagon for containers transportation – Fatigue strength assessment of wagon welded joints. Engineering Failure Analysis. 2013;31:118-131. doi: 10.1016/j.engfailanal.2013.01.039
[8] Šťastniak P, Kurčík P, Pavlík A. Design of a new railway wagon for international transport with the adaptable loading platform. MATEC Web of Conferences. 2018;235:00030. doi: 10.1051/matecconf/201823500030
[9] Yoon S C, Kim J G, Jeon C S, Choe K Y. Evaluation of Structural Strength in Body Structure of Freight Car. Key Engineering Materials. 2010;417–418:181–184. doi: 10.4028/www.scientific.net/KEM.417-418.181
[10] Lovska A O. Computer simulation of wagon body bearing structure dynamics during transportation by train ferry. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. 2015;3:9–14. doi: 10.15587/1729-4061.2015.43749
[11] Lee H A, Jung S B, Jang H H, Shin D H, Lee J U, Kim K W, Park G J. Structural-optimization-based design process for the body of a railway vehicle made from extruded aluminum panels. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2016;230(4):1283-1296. doi: 10.1177/0954409715593971
[12] Płaczek M, Wróbel A, Buchacz A. A concept of technology for freight wagons modernization. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering; 2016;161:012107. doi: 10.1088/1757-899X/161/1/012107
[13] Kuczek T, Szachniewicz B. Topology Optimization of Railcar Composite Structure. International Journal of Heavy Vehicle Systems. 2015;22: 375–385. doi: 10.1504/IJHVS.2015.073206
[14] Fomin O, Lovska A. Improvements in passenger car body for higher stability of train ferry. Engineering Science and Technology, an International Journal. 2020;23:1455–1465. doi: 10.1016/j.jestch.2020.08.010
[15] EN 12663-2: Railway applications. Structural requirements of railway vehicle bodies. Part 2: Freight wagons. European Committee for Standardization. 2011.
[16] ERRI B12/RP17, No. 8: Programmed of Stresses to be carried out on Wagons with Steel Underframe and Body Structure. European Rail Research Institute.1996.
[17] EN10025-3: Hot rolled products of structural steels. Part 3: Technical delivery conditions for normalized/normalized rolled weldable fine grain structural steels. 2005.
[18] Norton R L. Machine design an integrated approach. Forth ed. Pearson Education, Inc.2011.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار