OPTYMALIZACJA KONSTRUKCJI NADWOZI POJAZDÓW SZYNOWYCH PRZY UśYCIU ALGORYTMÓW MES.

Transkrypt

1 prof. dr hab. Ŝ. Tadeusz Uhl AGH Katedra Robotyk Dyamk Maszy prof. dr hab. Ŝ. Adrzej Chudzkewcz PW Wydzał Trasportu mgr Ŝ. Ireeusz Łuczak EC Egeerg mgr Ŝ. Grzegorz Lasko AGH Katedra Robotyk Dyamk Maszy OPTYMALIZACJA KONSTRUKCJI NADWOZI POJAZDÓW SZYNOWYCH PRZY UśYCIU ALGORYTMÓW MES.. Wstęp W ramach zaprezetowaego artykułu przedstawoo metodę badań symulacyjych kostrukcj stalowej pojazdów szyowych przy uŝycu Metody Elemetów Skończoych. Wykorzystae przedstawoej procedury umoŝlwa usprawee przebegu projektowaa oraz redukcję lośc poprawek w poszczególych etapach projektu. Wzrastająca kokurecyjość ryku kolejowego, stawa przed producetam coraz wększe wymagaa. Koeczość obŝaa kosztów, skrócee czasu realzacj produkcj oraz podoszee estetyk pojazdów, muszą dodatkowo ść w parze ze zwększeem bezpeczeństwa pasaŝerów, komfortu trwałośc kostrukcj. Spełee tych wymagań adąŝae za wymagaam ryku, zatem zaczego zwększea akładów a badaa rozwój. Potrzeba rozwoju badań dyktowaa przez ryek jest zoretowaa w klku zasadczych kerukach 3 :. Redukcja koszów, poprawa moŝlwośc produkcyjych rozszerzee oferty; 2. Zwększee atrakcyjośc poprawa parametrów eksploatacyjych; 3. Poprawa bezpeczeństwa; 4. Poprawa jakośc współpracy ze środowskem - obŝee pozomu emtowaego hałasu spal. W warukach polskch moŝemy obserwować róweŝ wzrastający popyt a owe pojazdy szyowe, tak tramwaje pojazdy komukacj mejskej, jak a pojazdy do obsług l mędzymastowych, czy mędzyarodowych. W celu obŝea kosztów przyspeszea wykoaa zlecea, często: projekt, symulacje produkcja pojazdu są wykoywae jedocześe. Poza dobrą koordyacją tych prac wymaga to wprowadzea szeregu uproszczeń schematyzacj początkowych etapów dzałaa, oraz w marę moŝlwośc przewdywae późejszych problemów zapobegae m, juŝ w faze kocepcyjej. Przy jedoczesej koeczośc budowy pojazdów lekkch, w których własośc wytrzymałoścowe materałów kostrukcyjych są wykorzystae do maksmum, aleŝy wprowadzć w początkowej faze projektowej serę uproszczoych aalz optymalzujących główą kostrukcję pudła pojazdu, w celu zapewea, Ŝe ewetuale zmay projektowe po zakończeu pełych aalz umeryczych e będą zaburzać harmoogramu prac. Dodae tego etapu pozwala a ukęce kosztowych czasochłoych przeróbek w późejszych etapach projektowaa.

2 2. Lekke kostrukcje stalowe stosowae w budowe pojazdów szyowych a przykładze techolog Iterlockgu W projektowau pojazdów budyków coraz częścej czerpe sę wzory z atury; szkelety zwerząt, struktura kośc, czy póra ptaków staową edoścgoy wzór lekkch kostrukcj. Wyka to z tedecj tworzea struktur coraz lŝejszych, tak kostrukcyje jak estetycze. Dla zastosowań przemysłowych ozacza to, Ŝe lość lekkch materałów stosowaych w kostrukcjach mus być zwększaa, albo cęŝke materały muszą być formowae w lekke kostrukcje. Struktury przestrzee oraz owe techologe spajaa, grają rówe waŝą rolę, co lekke materały. Od swoch korze w przemyśle lotczym sprują cały przemysł tworzący środk trasportu. Nezmere waŝym aspektem stosowaa lekkch kostrukcj materałów jest róweŝ obŝee kosztów zwązaych z wydatkam eergetyczym w zwązku z obŝeem masy pojazdu. Jako Ŝe w tym samym momece wymagaa, co do bezpeczeństwa pasaŝerów róweŝ wzrastają, ska waga mus być połączoa z wysoką wytrzymałoścą. Dodatkowo, coraz częścej wymagaem jest, aby elemety pojazdu mogły zostać powtóre przetworzoe. Jedak lekke kostrukcje oferują zacze węcej Ŝ tylko obŝee eergochłoośc lepsze wykorzystae materałów. Mejsze lŝejsze elemety ruchome pozwalają a redukcje pozomu drgań, hałasu zuŝyca prowadc. W przypadku trasportu azemego dąŝee do stosowaa lekkch kostrukcj jest ajlepej wdocze w przemyśle samochodowym 2. Jedą z występujących w kolejctwe techolog budowy lekkch kostrukcj stalowych jest metoda Iterlockgu. Iterlockg jest techologą wykoywaa lekkch kostrukcj stalowych przy uŝycu odpowedo wycętych wyproflowaych elemetów, które astępe łączy sę techką spawaa. Główym załoŝeem techolog jest umoŝlwee prostego motaŝu elemetów dzęk uprzedemu wycęcu odpowedch kształtów w łączoych elemetach. Te sposób kostrukcj moŝa porówać do budowy przy pomocy klocków, które wzajeme sę przekają łączą sę ze sobą jedye dzęk sle tarca w połączeach. Tak sposób składaa połączeń poza tym, Ŝe umoŝlwa prostszy motaŝ poprawa róweŝ parametry kostrukcj, zwększa sztywość powoduje, Ŝe apręŝea powstałe przy spawau zacze spadają. Poza tym oczywstym jest, Ŝe połączee take w stosuku do stadardowego moŝe przeosć wększe obcąŝea ze względu a to, Ŝe oprócz łączącej spoy obcąŝee jest teŝ przeoszoe przez zachodzące a sebe wycęca w proflach. Techologa wykoywaa lekkch kostrukcj stalowych, zaa pod azwą terlockg została wprowadzoa w Polsce a baze dośwadczeń frmy LHB (obece ALSTOM Saltzgtter. Frma ta w techolog tej wykoywała w cągu klkuastu lat pudła stalowe pojazdów szyowych (główe tramwajów. Podobe zasady, jak przyjęte dla terlockgu w LHB wykorzystuje w swoch kostrukcjach lekkch pojazdów szyowych Bombarder. W chwl obecej w kraju zajduje sę w eksploatacj klka typów pojazdów, gdze techologa ta jest stosowaa. Są to pojazdy zarówo zagracze, jak polske: 805 NMo w Bydgoszczy, 6Nd (tramwaj Alstom-Kostal w Katowcach, 05N2k/2000 (tramwaj Alstom-Kostal w Warszawe Szczece.

3 Główą cechą techolog ( jedocześe jej ajwększą zaletą jest prostota motaŝu kostrukcj. Dodatkowym atutem jest brak moŝlwośc błędego zmotowaa elemetów: detale podzespołu pasują do sebe w jedej, prawdłowej pozycj, y sposób zmotowaa kostrukcj e jest moŝlwy. Koleją, e mej stotą cechą techolog jest moŝlwość stotej redukcj stosowaego dotychczas oprzyrządowaa. Przy techologach tradycyjych budowa p. ścay boczej pojazdu wymagał budowy przyrządu o welkośc budowaego elemetu odpowedej sztywośc, wyposaŝoego w precyzyje ustalae bazy. Rys. Modele przykładowych połączeń terlockowych W techolog terlockgu elemety bazowae są awzajem a sobe, co pozwala a prowadzee motaŝu a stole motaŝowym, przy czym osąga sę mejsze odchyłk wymarów połoŝea w zespole, Ŝ ma to mejsce przy stosowau ych techolog. Spawae elemetów łączoych w tej techolog powoduje mejsze odkształcea, są oe róweŝ mej zaleŝe od jakośc spo. Istota jest koeczość przygotowywaa detal za pomocą urządzeń NC zarówo do wycaa (wypalarka laserowa, jak do gęca elemetów (gętarka NC. Taka droga przygotowywaa detal pozwala a osągęce duŝej dokładośc zasadczo obŝa moŝlwośc popełea błędów przy motaŝu. Ograczoe są róweŝ koszty materałowe (zmejszoe odpady. Techologa terlockgu wymusza stosowae profl otwartych. Fakt te zakomce ułatwa koserwację atykorozyją kostrukcj, jak róweŝ kotrolę stau struktury. Stosowae tej techolog pozwala róweŝ a obŝee masy kostrukcj, co z kole skutkuje oszczędoścą palwa czy eerg. Zgode z daym (Advaced Techology Vehcles Program - Caada, a kaŝde 0% zmejszea wag pojazdu, astępuje 5% do 7% zmejszee zuŝyca palwa.

4 3. Proces projektowaa pojazdu szyowego badaa aalzy umerycze W celu sprawdzea czy owo projektowae kostrukcje pojazdów szyowych spełą stawae m wymagaa, kaŝdy z prototypów tak całych pojazdów jak wózków wagoowych mus być podday ser testów dyamczych statyczych, ekstremalych eksploatacyjych. Dodatkowo elemety poruszające sę rozłącze muszą zostać przetestowae dywduale. Karta ERRI B2 Rp7 opsuje charakter takch testów oraz wskazuje sposób ch zaadaptowaa do róŝych typów pojazdów tak, aby zostały spełoe waruk podobeństwa modelowego schemat testów był zgody z podstawowym załoŝeam karty. Posługując sę aalzam umeryczym moŝemy badać tak własośc wytrzymałoścowe pojazdu, jak róweŝ jego dyamkę, czyl współczyk komfortu, stablość ruchu, pozom drgań td. Modele welobryłowy do aalz dyamk oraz model elemetów skończoych do aalz wytrzymałośc, są budowae symultacze wraz z modelem geometryczym 3D. W poszczególych etapach projektowaa dokoywae są oblczea pośrede mające a celu take modelowae kostrukcj, które zapewłoby optymaly kształt ramy ośej tak dobór układu jezdego, który zapewałby optymale parametry dyamcze. Aalzy pośrede wykouje sę dla ajbardzej ewralgczych przypadków obcąŝea, czyl w przypadku aalz MES są to ekstremale obcąŝea w przestrze pasaŝerskej, czy przypadk ścskaa, atomast dla aalz dyamczych, przejazdy po małych łukach z duŝym prędkoścam. Przygotowae modelu MES polega a stworzeu obrazu geometryczego odpowedm doborze satk podzałowej. Rozkład satk jest uzaleŝoy od stopa skomplkowaa geometr oraz od wymagaej dokładośc. Zatem w mejscach połączeń spawaych oraz w puktach określoych jako ewralgcze gęstość satk zostaje odpowedo zwększoa. Model do oblczeń dyamk pojazdu welobryłowy, jest zbudoway z ser brył sztywych połączoych mędzy sobą węzam kematyczym oraz elemetam spręŝystym. W kolejym kroku zostają zastosowae waruk brzegowe odpowede ch pogrupowae w celu zachowaa moŝlwośc bezbłędego aalzowaa odpowedch wyków zgode z zastosowaym ozaczeam. Bardzo waŝym jest zachowae ujedolcoego porządku ozaczeń ze względu a to, Ŝe przy duŝej lośc aalz rośe ryzyko pomyłek. Falą fazą jest aalza wyków symulacj. Dokouje sę jej a podstawe porówaa otrzymaych wartośc apręŝeń przemeszczeń z dopuszczalym wartoścam dla materału kostrukcyjego. Dodatkowo koecza jest aalza jakoścowa zróŝcowaa wartośc apręŝeń w róŝych puktach kostrukcj. Ocea taka pozwala a określee czy kostrukcja jest przewymarowaa czy e występują przesztywea. Po określeu wosków pogrupowau wyków aleŝy akreślć dalsze cele badań oraz moŝlwe modyfkacje kostrukcj prowadzące do poprawy sytuacj, ewetuale (w przypadku, gdy kostrukcja jest poprawa ujęce wyków wosków w sprawozdaach.

5 Przeprowadzee tych aalz w celu uzyskaa warygodych zbeŝych z sytuacją rzeczywstą wyków wymaga stosukowo duŝych akładów pracy czasu. W sytuacj, kedy w faze kocepcyjej potrzebe jest załoŝee główych wymarów kostrukcj oraz dobrae przyajmej częśc elemetów pudła pojazdu, muszą zostać wykoae uproszczoe aalzy umerycze. Muszą oe bazować a prostych modelach w celu zapewea prostoty modelowaa oraz moŝlwe ajŝszego czasu oblczeń, ze względu a duŝą lość waratów koeczych do wyzaczea rozwązaa optymalego. ZałoŜea Projekt kocepcyjy Prace kostrukcyje Przygotowae Dokumet Optymalzacja Projekt roboczy Okres homologacj Dobór elemetów Aalzy umerycze Aalzy: - określee pozomu apręŝeń; - symulacje trwałośc; - dobór elemetów zaweszea; - aalzy dyamk; - poprawk Lokalzacja wykończea puktów projektu. Pukty kotrole Rys. 2 Realzacja celów projektu pojazdu szyowego Rys. 3 Wyk aalzy MES pojazdu szyowego

6 4. Optymalzacja, czyl uproszczoy model MES, waraty krytera ocey W celu optymalego doboru kostrukcj stalowej pojazdu szyowego w faze kocepcyjej aleŝy zbudować moŝlwe ajprostszy model, który będze mógł być aalzoway w bardzo krótkm czase. Zastosowao, zatem model belkowy, który pozwala a osągęce przyblŝoych wyków, atomast e wymaga duŝych akładów pracy. Jakkolwek zasadczo e stosuje sę tego typu podejśca do modelowaa kostrukcj zbudowaych z profl, jako Ŝe pomjamy w te sposób bardzo wele stotych zjawsk, takch jak a przykład zmaę rozkładu apręŝeń a połączeach, w zaleŝośc od ch rodzaju, czy sposób przeoszea obcąŝeń. Przykładowo dla elemetu węzła terlockowego przedstawoego a rysuku 4, w przypadku modelu powłokowego otrzymujemy peły rozkład apręŝeń, atomast dla modelu belkowego jedye apręŝea w pojedyczych węzłach. PoewaŜ lość aalz koeczych do określea optymalego doboru profl kostrukcyjych, jest a tyle duŝa, Ŝ epraktyczym byłoby aalzowae kaŝdego z rozwązań przez uŝytkowka, przy pomocy środowska Matlab zbudowao program, który pozwala a automatyczą zmaę parametrów modelu oraz aalzę pozomu apręŝeń, wartośc ugęca pudła oraz wykowej masy kostrukcj. Dzałae programu moŝa przedstawć w astępujących krokach: wczytae plku z modelem aalza lośc parametrów do optymalzacj; określee zakresu zmeośc profl; stworzee plków do aalz przeprowadzee symulacj; wczytae wyków badań stworzee macerzy wyków; dodae współczyków korekcyjych; oblczee macerzy współczyków Φ. prezetacja wyków. W zaleŝośc od złoŝoośc kostrukcj lośc róŝych grup profl wzrasta lość potrzebych aalz w przypadku oblczea pełego rozwązaa, dla grup własośc w zakrese [a,b] z dokładoścą l puktów aleŝy przeprowadzć l oblczeń. Czyl dla przykładu, borąc pod uwagę grubośc profl: osto, pasa adokeego, pasa podokeego, wręg, podłuŝc dachowych, słupków boczych, czyl sześcu własośc w zakrese pęcu puktów, musmy przeprowadzć aalz. MoŜa zmejszyć lość rozwązań stosując metodę gradetową, która startując od puktu środkowego poszukuje optymalego keruku poprawy do końca badaego zakresu w optymalym przypadku moŝe zamkąć sę w ( ( 3 / 2 czyl dla załoŝoych wartośc 456 aalz. Rys. 4 Aalza szczegółowa węzła terlockowego l przypadków,

7 Dodatkowo aleŝy przeprowadzć oblczea dla róŝych przypadków obcąŝeń, tak aby zostały spełoe waruk określoe w przepsach kolejowych dotyczących prób wytrzymałoścowych. W ajprostszym przypadku moŝa wząć pod uwagę a przykład obcąŝea ekstremale w przestrze pasaŝerskej oraz ścskae rozcągae w os sprzęgu. Przygotoway model elemetów skończoych ze zdefowaym warukam brzegowym określoym zakresam zmeośc parametrów profl zostaje przelczoy odpowedą lość razy w celu uzyskaa welowymarowych macerzy apręŝeń, mas odkształceń. Następe zgode z poŝszym rówaem, oblczoe wartośc zostają przekształcoe do pojedyczego współczyka Φ, którego mmum określa optymaly warat kostrukcj. W zaleŝośc od potrzeb uŝytkowka moŝa dodatkowo załoŝyć współczyk wagowe α, β, γ, które defują stopeń wpływu poszczególych zmeych a współczyk wykowy. Pozomy apręŝeń, przemeszczeń oraz masa badaego pojazdu e są uwzględae wprost, ale sprowadzae są do bezwymarowych współczyków poprzez podzelee ch przez wartość średą kokretej welkośc z pełego zakresu wyków. Uzyskujemy w te sposób współczyk, które mogą być połączoe w jedolty współczyk umoŝlwający łatwe porówae poszczególych waratów kostrukcj. Wzór przedstawoy poŝej pozwala a określee zastępczego współczyka Φ, w tym przypadku tylko dla dwóch waratów obcąŝea. W zaleŝośc od przyjętego sposobu rozumowaa moŝa rozszerzać lość aalz poprzez wprowadzae dodatkowych człoów przemaŝae ch przez sebe. Dodatkowo moŝa wprowadzć współczyk wagowe, które określają stopeń wpływu daego przypadku a całość aalzy. 2 * Φ m m m m γ δ δ β α γ δ δ β α gdze: α współczyk korekcyjy apręŝeń; β współczyk korekcyjy przemeszczeń; γ współczyk korekcyjy masy; apręŝea maksymale dla -tej aalzy; δ przemeszczea maksymale dla -tej aalzy; m masa pojazdu dla -tej aalzy. Φ wykowy współczyk;

8 5. Wyk optymalzacj Jako wyk aalz przy uŝycu programu do optymalzacj otrzymujemy macerze welowymarowe apręŝeń, ugęć, mas oraz fale macerz określającą zmeość współczyka Φ w zaleŝośc od poszczególych własośc. Przedstawee grafcze wyków aalzy e jest moŝlwe w prosty sposób dla przypadku, gdy optymalzowae są węcej Ŝ dwe własośc, ze względu a to, Ŝe powstała macerz jest macerzą - wymarową, gdze jest lczbą optymalzowaych własośc. Przedstawoe poŝej przykłady zawerają wyk aalzy dla uproszczoego belkowego modelu pudła pojazdu szyowego, dla dwóch optymalzowaych własośc w tym przypadku: pasa adokeego pasa podokeego, bez zma kształtu proflu, tylko w zakrese grubośc. Grubośc kształty pozostałych elemetów pozostają bez zma. Wzęto pod uwagę dwa przypadk obcąŝea: maksymale obcąŝee od pasaŝerów oraz ścskae a pozome sprzęgu z sła 200 kn. Posługując sę współczykam wagowym moŝa dowole modyfkować uzyskaą płaszczyzę Φ, w zaleŝośc od potrzeb załoŝoych współczyków bezpeczeństwa. Baza daych dotyczących stopa zróŝcowaa apręŝeń dla modelu uproszczoego (belkowego dokładego (płytowego, pozwala a określee, czy pozom apręŝeń w ewralgczych węzłach kostrukcj będze Ŝszy lub wyŝszy dla modelu dokładego. [kpa] [kpa] X [mm] Y [mm] X [mm] Y [mm] δ [mm] δ [mm] X [mm] Y [mm] X [mm] Y [mm] Rys. 5 Wyk optymalzacj dla pozomu apręŝeń odkształceń (X grubość proflu ; Y grubość proflu 2; - pozom apręŝeń; δ - pozom przemeszczeń

9 Współczyk Φ [/] Grubość proflu 2 [mm] Grubość proflu [mm] 6. Wosk Rys. 6 Wyk optymalzacj współczyk zborczy własośc Φ O le celowość stosowaa metod umeryczych do aalz projektowaa pojazdów szyowych jest sprawą bezdyskusyją, to ch zakres koeczość potwerdzaa częśc z ch badaam a obekce fzyczym często budz wele kotrowersj. Przedstawoy sposób usprawea procesu projektowaa poprzez zastosowae wstępych aalz optymalzacyjych a prostych modelach pozwala a: Ukęce zma gerujących w zaczącym stopu w kostrukcję ośą w bardzej zaawasowaych etapach projektu; Przyspeszee prac projektowych poprzez elmację okresu oczekwaa a szczegółowe aalzy umerycze weryfkujące poprawość rozwązań; Uzyskae kostrukcj zoptymalzowaej pod względem sztywośc, wytrzymałośc masy juŝ w początkowej faze prac; Ograczee kosztów czasu aalz umeryczych poprzez elmację częśc kroków w projektowau rekurecyjym (Projekt <-> Oblczea.

10 Lteratura [] Gausemeer J, Moehrger S., New Gudele for desg of mechatroc systems, VDI-2206, IFAC, [2] Uhl T., Współczese tredy rozwojowe w aalze modalej kostrukcj, w Wybrae zagadea Aalzy Modalej Kostrukcj, Wyd. Katedry Robotyk Dyamk Maszy AGH, Kraków, 2003, pp [3] T. Uhl,A Chudzkewcz - Aalytcal ad expermetal vestgato of low floor tram dyamcs, Iteratoal Joural o Vehcle System Dyamcs, vol. 25, 2002, 2 pp [4] Uhl T., Idetfcato of loads mechacal structures, Computer asssted Mechacs ad Egeerg Sceces, vol.9, o., 2002, pp [5] 7 Raport ERRI Komtetu B2 (ERRI B2/Rp7, wydae 8, Utrecht, kweceń 996 [6] red. J. Kslowsk, Dyamka układu mechaczego pojazd szyowy, Państwowe Wydawctwo Naukowe, Warszawa 982 [7] Chudzkewcz A., Elemety dagostyk pojazdów szyowych, Warszawa: Poltechka Warszawska ; Radom : Istytut Techolog Eksploatacj, 2002 [8] Adrzej Chudzkewcz, Tadeusz Uhl, Rozwój metod modelowaa badaa dyamk pojazdów szyowych w środowsku Matlab/Smlk, V Szkoła Aalzy Modalej, Kraków [9] Tadeusz Uhl, Adrzej Chudzkewcz, Komputerowo wspomagaa aalza dyamk pojazdów szyowych, II Krajoweaj Koferecja - Metody systemy komputerowe w badaach aukowych projektowau Ŝyerskm, Kraków 999 [0] R. Marczewsk, S. Płończak, J. Podemsk - Wagoy towarowe. Poradk techczy, WKŁ, Warszawa 978 [] Adams V. Askeaz A., Buldg Better Products wth Fte Elemet Aalyss, OWord Press 999 [2] Fraz Mller - Lghtweght costructo, Frauhofer magaze / [3] Imrch Korpaec - Major Projects of Jot Europea Ralway Research, Japa Ralway & Trasport Revew, March 996 Streszczee W treśc referatu zawarto ops procedury badań optymalzacyjych kostrukcj stalowej pudła pojazdu szyowego przy uŝycu oprogramowaa MSC Nastra oraz odrębego programu stworzoego w środowsku Matlab. Schemat oblczeń zobrazowao przykładam dla uproszczoego modelu belkowego pojazdu. Poadto zawarto ops Iterlockgu - techolog kostrukcj lekkch adwoz pojazdów azywaej. RAIL VEHICLES BODY CONSTRUCTION OPTIMIZATION USING FINITE ELEMENT METHOD ALGORITHMS. The objectve of ths paper s a descrpto of the procedure of vrtual prototypg test o tra bodes wth pressure o optmzato tests performed wth MSC Nastra ad separated program created Matlab. Calculato schematc was llustrated by example test performed o smplfed beam vehcle model. Moreover descrpto of the Iterlockg techology of lght vehcles body costructo was cluded.