Structural Analysis of Y32 Bogie, Part 1: Fatigue Analysis

Year 2019, Issue: 17, 395 - 411, 31.12.2019

Oğuzhan Konez Muzaffer Metin , Özgür Demir

https://doi.org/10.31590/ejosat.604857

Abstract

The bogies, which are designed and produced within the framework of rigid regulations, are very important elements in terms of ensuring safe driving conditions of the system because of being subjected to intense dynamic effects in railway vehicles. EN 13749 is the most widely used international standard in the world which sets out the structural requirements of bogies. In the first part of this study, static analyzes of the Y32 bogie chassis in overload conditions have been performed and necessary structural measures have been proposed for the regions exceeding the limit values. In this part of this study consisting of two series, the fatigue analysis under normal service load condition has been carried out and its conformity to EN 13749 standard has been investigated. It is believed that 80% of fractures in dynamic system elements are due to fatigue. Fatigue analysis is used to understand the cycle life of dynamic system elements. In the first part of the study, a three-dimensional, realistic solid model and solution network structure without simplification have been discussed. In this section, boundary conditions and forces have been applied to fatigue analysis in accordance with EN 13749 standard. In the analyzes, three different normal service loadings, Load Case 2, Load Case 5 and Load Case 7, have been considered. Fatigue analyzes have been performed for 3 different situations. Two of loading case have been acting together on the system for all situation. In each analysis, it has been checked whether the bogie could reach 1 million cycles under two different loading cases. In fatigue analysis, mean stress and alternating stress results of each node have been deduced and these results have been evaluated on the Haigh Diagram. In addition, fatigue analysis has been also solved using the Goodman Diagram in the Ansys Workbench program. It has been investigated whether Y32 bogie frame design is convenient or not under normal service load cases according to EN 13749 standard for the fatigue analysis and the values obtained in the findings have been interpreted.

Keywords

Y32 Bogie, Static Analysis, Service Load, Fatique Analysis, Haigh Diagram, Goodman Diagram

Y32 Bojisinin Yapısal Analizleri, Bölüm 2: Yorulma Analizleri

Abstract

Demiryolu taşıtlarında kullanılan ve yoğun dinamik etkiler altında kalması nedeniyle katı regülasyonlar çerçevesinde tasarlanıp üretilen bojiler, sistemin güvenli sürüş şartlarını sağlaması açısından oldukça önemli elemanlardır. Bojilerin yapısal gerekliliklerini ortaya koyan ve dünyada en çok kullanılan uluslararası standart EN 13749 standardıdır. Bu çalışmanın birinci bölümünde Y32 boji şasisinin aşırı yük durumlarındaki statik analizleri gerçekleştirilmiş ve sınır değerleri aşan bölgeler için gerekli yapısal önlemler önerilmiştir. İki bölümden oluşan bu çalışmanın ilgili bölümünde ise, normal servis yükleme durumundaki yorulma analizleri yapılarak EN 13749 standardınca uygunluğu araştırılmıştır. Dinamik sistem elemanlarında meydana gelen kırılmaların %80’ninin yorulma nedeniyle olduğu bilinmektedir. Çalışmanın birinci bölümünde üç boyutlu, basitleştirmeye gidilmeden gerçekçi bir katı modelin ve çözüm ağı yapısının nasıl oluşturulduğundan bahsedilmiştir. Kurulan modele bu bölümde yorulma analizleri için EN 13749 standardına uygun şekilde sınır şartları ve kuvvetler uygulanmıştır. Analizlerde, Yük Durumu 2, Yük Durumu 5 ve Yük Durumu 7 olmak üzere üç farklı normal servis yüklemesi ele alınmıştır. Bunlardan ikisinin aynı anda sisteme etki etmesi durumlarını içeren 3 farklı durum için yorulma analizleri gerçekleştirilmiştir. Her analizde bojinin iki farklı durum altında 1 milyon adet çevrim sayısına ulaşıp ulaşamadığına bakılmıştır. Yorulma analizlerinde her düğüm noktasına karşılık gelen ortalama gerilme ve gerilme genliği çıkartılmış ve bu sonuçlar Haigh Diyagramı’nda değerlendirilmiştir. Buna ek olarak, yorulma analizi Ansys Workbench programında Goodman Diyagramı kullanılarak da çözdürülmüştür. Böylece, literatürde kullanılan iki farklı yöntemle Y32 boji şasi tasarımının normal servis yüklemesi durumlarında EN 13749 standardının gereklilikleri yorulma bakımından araştırılmış ve bulgularda elde edilen değerler yorumlanmıştır.

Keywords

Y32 Bojisi, Statik Analiz, Aşırı Yükleme, Yorulma Analizi, Haigh Diyagramı, Goodman Diyagramı

References

• R. Juvinall, K. Marshek, “Fundamentals of Machine Component Design”, John Wiley & Sons, Inc., 4. Baskı, 290-347, 2006.
• S. Sabırlı, “Bir Raylı Taşıt Bogisinin Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Yorulma Analizi” Yüksek lisans tezi, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, 2012.
• A. Cera, “Analysis of methodologies for fatigue calculation for railway bogie frames”, Trenitalia S.P.A., Floransa, İtalya.
• J. Kim, N. Kim, “Structural Assessment for Bogie Frame of 180 km/h Korean Tilting Train”, Key Engineering Materials, 297(300): 345-350, 2005.
• H. Huang, L. Chen, “Strength Simulation of a Railway Bogie Frame based on EN 13749”, Journal of Technology, 33(4): 209-214, 2018.
• European Committee for Standardization, “EN 13749 : 2011 Railway Applications – Wheelsets and Bogies – Method of Specifying the Structural Requirements of Bogie Frames.” Bürüksel, Belçika, 2011.
• S. Schmid, B. Hamrock, B. Jacobson, “Fundamentals of Machine Elements”, CRC Press, 3. Baskı, 180-188, 2014.
• A. Fatemi, “Multiaxial Stresses”, University of Toledo, Chapter 10, https://www.efatigue.com/training/Chapter_10.pdf (30.01.2019 tarihinde alınmıştır.)
• European Committee for Standardization. “EN 15663 : 2017 Railway applications – Definition of Vehicle Referance Masses” Bürüksel, Belçika, 2017.
• “Stress Singularity”, https://enterfea.com/stress-singularity-an-honest-discussion/ (23.01.2019 tarihinde alınmıştır.)