Оптимизация конструкции кузова вагона электропоезда по значению частоты собственных колебаний

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.

1. 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. P. 673 – 681.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. Прагер В. Основы теории оптимального проектирования конструкций. М.: Мир, 1977. 109 с. (Механика. Новое в зарубежной науке; вып. 11).

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. 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.

19. 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.