vestnikvniizhtВестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (ВЕСТНИК ВНИИЖТ)RUSSIAN RAILWAY SCIENCE JOURNAL2223-97312713-2560Joint Stock Company "Railway Research Institute"10.21780/2223-9731-2021-80-3-152-159vestnikvniizht-516Research ArticleДругоеMiscellaneousОптимизация конструкции кузова вагона электропоезда по значению частоты собственных колебанийOptimization of an EMU train carbody by the value of the natural bending frequencyГучинскийР. В.GuchinskyR. V.

Гучинский Руслан Валерьевич, канд. техн. наук, эксперт бюро кузовов; старший научный сотрудник, лаборатория прикладных исследований

Санкт-Петербург, 199178, Россия

Санкт-Петербург, 197046, Россия

Ruslan V. Guchinsky, Cand. Sci. (Eng.), Expert of the Carbody Bureau; Senior Researcher, Applied Research Laboratory

St. Petersburg, 199178, Russia

St. Petersburg, 197046, Russia

r.guchinski@tmh-eng.ruОбщество с ограниченной ответственностью «ТМХ Инжиниринг» (ООО «ТМХ Инжиниринг»); Институт проблем машиноведения Российской академии наук (ИПМаш РАН)РоссияLimited liability company “TMH Engineering” (TMH Engineering Ltd); Institute of Problems of Mechanical Engineering of the Russian Academy of Sciences (IPME RAS)Russian Federation202129062021803152159Copyright © Гучинский Р.В., 20212021Гучинский Р.В.Guchinsky R.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.journal-vniizht.ru/jour/article/view/516

Поиск путей оптимизации конструкции кузова является важным этапом проектирования новых вагонов электропоездов. Снижение массы кузова приводит к облегчению сопряженных с ним частей подвижного состава, сокращению энергозатрат на эксплуатацию и уменьшению износа в системе «колесо — рельс». Снижение массы кузова возможно за счет назначения оптимальной жесткости его основным несущим элементам. Повышение жесткости кузова при неизменной массе также является важной задачей для получения нормативных динамических качеств кузова вагона.

Приведен способ оптимизации конструкции кузова, основанный на расчете значения его первой частоты собственных изгибных колебаний. Расчет выполнен методом конечных элементов с использованием упрощенной балочно-оболочечной параметрической модели. В рамках оптимизационных расчетов рассмотрены 3125 рабочих вариантов сечений основных несущих элементов конструкции с разной жесткостью — обвязки и поперечных балок рамы, межоконных стоек и поперечных балок крыши. Проанализирована чувствительность значения частоты собственных колебаний к изменению жесткости основных несущих элементов без учета изменения массы. Получено, что наибольшее влияние на значение частоты оказывает жесткость обвязки и поперечных балок рамы. Показано, что соотношение жесткостей основных несущих элементов не остается постоянным для оптимальных вариантов конструкции и зависит от конструктивного исполнения кузова, целевых значений его массы и жесткости. При ограничении массы возможно выбрать конструкции, которые характеризуются наибольшей общей жесткостью кузова и являются наиболее оптимальными с точки зрения технологичности. При ограничении значений частоты собственных колебаний возможен выбор конструкции кузова с наименьшей массой металла. Представленный подход позволяет принять решения по модификации кузова исходя из требуемых параметров массы и (или) частоты собственных изгибных колебаний. Данный подход может использоваться при предпроектных исследованиях кузовов нового пассажирского подвижного состава.

Finding ways to optimize the body structure is an important point in the design of new electric train cars. Reducing the mass of the body leads to a lightening of the parts of the rolling stock associated with it, a reduction in energy consumption for operation and a decrease in wear in the “wheel — rail”system. Reducing the weight of the body is possible by assigning optimal rigidity to its main load-bearing elements. Increasing the rigidity of the body with a constant mass is also an important task to obtain the standard dynamic properties of the car body.

The article presents method for optimizing the body structure based on calculating the value of its first frequency of natural bending vibrations. The calculation was carried out by the finite element method using a simplified beam-shell parametric model. Within the optimization calculations, 3125 working versions of sections of the main load-bearing structural elements with different rigidity were considered — bracing and cross-beams of the frame, inter-window racks and cross-beams of the roof. The sensitivity of the value of the natural vibration frequency to the change in the rigidity of the main bearing elements without taking into account the change in mass is analyzed. It was found that the rigidity of the frame bracing and cross beams has the greatest influence on the frequency value. It is shown that the ratio of the rigidity of the main bearing elements does not remain constant for optimal design options and depends on the design of the body, the target values of its mass and rigidity. When mass is limited, it is possible to choose designs that are characterized by the greatest overall body rigidity and are the most optimal in terms of manufacturability. By limiting the values of natural vibration frequency, it is possible to choose a body structure with the lowest metal mass. The presented approach allows making decisions on body modification based on the required parameters of mass and (or) the frequency of natural bending vibrations. This approach can be used in pre-design studies of the bodies of new passenger rolling stock.

электропоездкузовоптимизация конструкциижесткость кузоваметод конечных элементовмодальный анализчастота собственных колебанийдинамика вагонаelectric trainbodydesign optimizationbody rigidityfinite element methodmodal analysisnatural frequencycar dynamicsReferencesCho J. G., Koo J. S., Jung H. S. A lightweight design approach for an EMU carbody using a material selection method and size optimization // Journal of Mechanical Science and Technology. 2016. Vol. 30. No. 2. P. 673 – 681.Cho J. G., Koo J. S., Jung H. S. A lightweight design approach for an EMU carbody using a material selection method and size optimization. Journal of Mechanical Science and Technology, 2016, Vol. 30, no. 2, pp. 673 – 681.Singh D. Comparison of carbon steel and composite side wall of light rail vehicle by finite element analysis: Thesis of Master of Science in Mechanical Engineering. Texas, Arlington, 2017. 59 p.Singh D. Comparison of carbon steel and composite side wall of light rail vehicle by finite element analysis. Thesis of Master of Science in Mechanical Engineering. Texas, Arlington, 2017, 59 p.Seo S. I., Kim J. S., Cho S. H. Development of a hybrid composite bodyshell for tilting trains // Proceedings Institution of Mechanical Engineers. Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2008. Vol. 222. No. 1. P. 1 – 13.Seo S. I., Kim J. S., Cho S. H. Development of a hybrid composite bodyshell for tilting trains. Proceedings Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2008, Vol. 222, no. 1, pp. 1 – 13.Wennb er g D., Sti chel S. Multi-functional design of a composite high-speed train body structure // Struct Multidisc Optim. 2013. Vol. 50. No. 3. P. 475 – 488.Wennberg D., Stichel S. Multi-functional design of a composite high-speed train body structure. Struct Multidisc Optim, 2013, Vol. 50, no. 3, pp. 475 – 488.Koeni g J., Fr i edr i ch H. E. Integral consideration of the lightweight design for railway vehicles: Rep. German Aerospace Center — Institute of Vehicle Concepts. [S. l.], 2012. 13 p.Koenig J., Friedrich H. E. Integral consideration of the lightweight design for railway vehicles. Rep. German Aerospace Center — Institute of Vehicle Concepts. [S. l.], 2012, 13 p.Structural-optimization-based design process for the body of a railway vehicle made from extruded aluminum panels / H. A. Lee [et al.] // Proceedings Institution of Mechanical Engineers. Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2015. Vol. 230. No. 4. P. 1283 – 1296.Lee H. A., Jung S. B., Jang H. H., Shin D. H. Structural-optimization- based design process for the body of a railway vehicle made from extruded aluminum panels. Proceedings Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit, 2015, Vol. 230, no. 4, pp. 1283 – 1296.De La Guer r a E. Lightweight primary structures for High-speed railway carbodies // 360.revista de alta velocidad. 2018. No. 5. P. 9 – 21.De La Guerra E. Lightweight primary structures for Highspeed railway carbodies. 360.revista de alta velocidad, 2018, no. 5, pp. 9 – 21.Определение параметров изгибных колебаний кузовов вагонов и оценка ходовых динамических и эксплуатационных показателей электропоезда нового поколения / А. Н. Скачков [и др.] // Вестник РГУПС. 2018. № 4 (72). С. 78 – 87.Skachkov A. N., Samoshkin S. L., Korshunov S. D., Lomakov P. S., Zhukov A. S. Opredelenie parametrov izgibnykh kolebaniy kuzovov vagonov i otsenka khodovykh dinamicheskikh i ekspluatatsionnykh pokazateley elektropoezda novogo pokoleniya [Determination of the parameters of bending vibrations of car bodies and assessment of the running dynamic and operational indicators of a new generation electric train]. Vestnik RGUPS, 2018, no. 4, pp. 78 – 87.ГОСТ 34093–2017. Вагоны пассажирские локомотивной тяги. Требования к прочности и динамическим качествам: межгос. стандарт: введен в действие в качестве нац. стандарта Российской Федерации приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 13 июня 2017 г. № 537-ст: дата введения 2018-01-01. М.: Стандартинформ, 2017. 41 с.GOST 34093–2017. Passenger cars on locomotive traction. Requirements for structural strength and dynamic qualities. Interstate standard, put into effect as nat. standard of the Russian Federation by order of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology dated June 13, 2017 No. 537-st. Moscow, Standartinform Publ., 2017, 41 p. (in Russ.).ГОСТ 33796–2016. Моторвагонный подвижной состав. Требования к прочности и динамическим качествам: межгос. стандарт: введен в действие в качестве нац. стандарта Российской Федерации приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 4 июля 2016 г. № 800-ст: дата введения 2017-04-01. М.: Стандартинформ, 2016. 35 с.GOST 33796–2016. Railway multiple units. Durability and dynamics requirements. Interstate standard, put into effect as nat. standard of the Russian Federation by order of the Federal Agency for Technical Regulation and Metrology dated July 4, 2016 No. 800-st. Moscow, Standartinform Publ., 2016, 35 p. (in Russ.).Прагер В. Основы теории оптимального проектирования конструкций. М.: Мир, 1977. 109 с. (Механика. Новое в зарубежной науке; вып. 11).Prager V. Osnovy teorii optimal'nogo proektirovaniya konstruktsiy [Fundamentals of the theory of optimal design of structures]. Mekhanika. Novoe v zarubezhnoy nauke; vyp. 11 [Mechanics. New in foreign science; no. 11]. Moscow, Mir Publ., 1977, 109 p.Haryanto I., Raha r jo F. Optimization of Bus Body Frame Structure for Weight Minimizing with Constraint of Natural Frequency using Adaptive Single-Objective Method // International Journal of Sustainable Transportation Technology. 2018. Vol. 1. No. 1. P. 9 – 14.Haryanto I., Raharjo F. Optimization of Bus Body Frame Structure for Weight Minimizing with Constraint of Natural Frequency using Adaptive Single-Objective Method. International Journal of Sustainable Transportation Technology, 2018, Vol. 1, no. 1, pp. 9 – 14.Car Body Optimization Considering Crashworthiness, NVH and Static Responses / P. Adduri [et al.] // Proceedings 13th Int. LS-DYNA Users Conf. Dearborn, USA, 2014. P. 1 – 8.Adduri P., Leiva J., Quinn G., Watson B. Car Body Optimization Considering Crashworthiness, NVH and Static Responses. Proceedings of 13th Int. LS-DYNA Users Conf. Dearborn, USA, 2014, pp. 1 – 8.Булычев М. А., Лозбинев В. П. Совершенствование способов расчета и оптимизации несущих элементов кузовов вагонов // Механика вагонов: сб. науч. тр. / Брянский гос. техн. ун-т. Брянск: БГТУ, 1998. C. 36 – 47.Bulychev M. A., Lozbinev V. P. Sovershenstvovanie sposobov rascheta i optimizatsii nesushchikh elementov kuzovov vagonov [Improvement of methods of calculation and optimization of loadbearing elements of car bodies]. Mekhanika vagonov. Sb. nauch. tr. [Mechanics of cars. Coll. of scientific papers]. Bryanskiy gos. tekhn. un-t [Bryansk State Technical University], Bryansk, BGTU Publ., 1998, pp. 36 – 47.Тютюнников А. И. Структурно-параметрическая оптимизация несущих конструкций кузовов грузовых вагонов путем эволюционного моделирования: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.22.07. Брянск: БГТУ, 2011. 20 с.Tyutyunnikov A. I. Strukturno-parametricheskaya optimizatsiya nesushchikh konstruktsiy kuzovov gruzovykh vagonov putem evolyutsionnogo modelirovaniya. Avtoref. dis. … kand. tekhn. nauk [Structural-parametric optimization of load-bearing structures of freight car bodies by evolutionary modeling. Cand. tech. sci. diss. synopsis]. Bryansk, BGTU Publ., 2011, 20 p.Гучинский Р. В., Петинов С. В. Разработка узла конструкции судна по условию усталостной долговечности // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. 2012. № 4 (159). С. 177 – 186.Guchinsky R. V., Petinov S. V. Development of the vessel structure assembly according to the fatigue life condition. Scientific and technical bulletins of the St. Petersburg State Polytechnic University, 2012, no. 4 (159), pp. 177 – 186.Гучинский Р. В. Расчет частоты собственных изгибных колебаний кузова вагона электропоезда с учетом податливости опор // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. 2019. № 2 (42). С. 4 – 11.Guchinsky R. V. Calculation of the frequency of natural bending vibrations of the body of an electric train car taking into account the flexibility of the supports. Herald of the Ural State University of Railway Transport, 2019, no. 2 (42), pp. 4 – 11.Analysis of modal frequency optimization of railway vehicle car body / W. Sun [et al.] // Advances in Mechanical Engineering. 2016. Vol. 8. No. 4. P. 1 – 12.Sun W., Zhou J., Gong D., You T. Analysis of modal frequency optimization of railway vehicle car body. Advances in Mechanical Engineering, 2016, Vol. 8, no. 4, pp. 1 – 12.Гучинский Р. В., Петинов С. В. Предварительный рас- чет частоты собственных изгибных колебаний кузовов вагонов электропоездов // Вестник института проблем естественных монополий: Техника железных дорог. 2019. № 2 (46). С. 50 – 57.Guchinsky R. V., Petinov S. V. Preliminary calculation of the frequency of natural bending vibrations of bodies of electric train cars. Bulletin of the Institute of Natural Monopolies Problems: Railway Engineering, 2019, no. 2 (46), pp. 50 – 57.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.