Structural Analysis of Y32 Bogie Under Exceptional Conditions Part 1: Static Analysis

Abstract

Bogies are mechanical systems which carry vehicles in railway systems. Wheelsets, axle boxes, brake equipment, bolster, horizontal damper, primary and secondary suspensions are assembled to the bogie frame. Balancing the vehicle on straight rails and curves, absorbing the vibrations caused by irregularities on the track, causing minimum wear and irregularity on the rails are also among the tasks of the bogie. It is an important requirement that the bogie frame, which is one of the most critical elements used in rail vehicles, is designed and manufactured safely. For this purpose, safety standards which have strict rules are used in rail systems. EN 13749 is a standard which is accepted and implemented by Turkey. This standard determines the structural conditions of the bogie frame. The aim of the first part of this two-series study is to investigate the conformity with the EN 13749 standard by performing the finite element method under exceptional loads and to offer solutions for unfavorable conditions. 3D solid modeling has been performed using Solidworks software. Ansys Workbench has been used for structural analyses. The 3D solid model was transferred to Ansys Workbench software for the preparation of finite elements and the necessary geometric arrangements have been performed. No simplification method has made in the modeling process and a realistic model has been established. In the model, a suitable finite element mesh has been established and boundary conditions and forces have been applied in accordance with TS EN 13749 standard. The mechanical properties of the materials used in the structural analysis have been defined and the connections have been done in Ansys Workbench environment. The results obtained from the structural analyses have been evaluated considering the material limit values allowed in TS EN 13749 standard and suggestions have been proposed for non-suitable conditions. In the second part of this study, fatigue analysis of Y32 bogie has been performed under normal service loading condition. In fatigue analysis, mean stress and alternating stress results of each node have been deduced and these results have been evaluated on the High Diagram and also Goodman Diagram too.

Keywords

• Y32 Bogie
• Static Analysis
• Finite Element Method
• Exceptional Load

Y32 Bojisinin Yapısal Analizleri, Bölüm 1: Statik Analizler

Öz

Bojiler, demiryollarında kullanılan araçları taşımaya yarayan mekanik sistemlerdir. Tekerlek setleri, aks kutusu, fren donanımı, bolster, yatay damper, birincil ve ikincil süspansiyonlar boji şasisi üzerinde yer alır. Düz hatve kurplarda aracın dengeli şekilde ilerlemesini sağlamak, araç hızla ilerlerken raydaki düzensizliklerden kaynaklanan titreşimleri absorbe etmek ve raylardaki aşınmayı minimize etmek bojinin görevleri arasındadır. Raylı taşıtlarda kullanılan en kritik elemanlardan birisi olan boji şasisinin son derece güvenli tasarlanması ve imal edilmesi önemli bir gerekliliktir. Bunun için raylı sistemlerde güvenlik açısından katı kuralları içeren standartlar kullanılmaktadır. TS EN 13749 standardı Türkiye tarafından kabul edilen ve uygulanan bir standarttır. Bu standart boji şasilerinin yapısal gerekliliklerini belirler. İki bölümden oluşan bu çalışmanın birinci bölümünde; Y32 boji şasisinin aşırı yük durumlarındaki statik analizleri sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak (SEY) gerçekleştirilmiş ve TS EN 13749 standardınca uygunluğu değerlendirilmiştir. Analizleri gerçekleştirmek için öncelikle Y32 Bojisinin üç boyutlu (3B) katı modeli oluşturulmuştur. 3B katı modelleme işlemi Solidworks yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Yapısal analizler için ise sonlu elemanlar yöntemi tabanlı Ansys Workbench yazılımı kullanılmıştır. Oluşturulan 3B katı model sonlu elemanlara hazırlık aşaması ve çözüm ağı oluşturulması amacıyla Ansys Workbench yazılımına aktarılarak, gerekli görülen geometrik düzenlemeler ve çözüm ağına ayırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Modelleme işleminde herhangi bir basitleştirmeye gidilmemiş olup, gerçekçi bir model kurulmuştur. Modelde uygun şekilde çözüm ağı oluşturulmuş, TS EN 13749 standardı dikkate alınarak sınır şartları ve kuvvetler uygulanmıştır. Yapısal analizlerde kullanılan malzemelerin mekanik özellikleri tanımlanmış ve parçalar arası bağlantılar Ansys Workbench yazılımı içerisinde kurulmuştur. Yapısal analizler neticesinde elde edilen sonuçlar TS EN 13749 standardında izin verilen malzeme limit değerleri dikkate alınarak değerlendirilmiş uygun olmayan koşullar için çözüm önerileri sunulmuştur. Çalışmanın ikinci bölümünde ise, normal servis yüklemesi koşulu altında Y32 bojisinin yorulma analizleri gerçekleştirilmiş olup, her düğüm noktasına karşılık gelen ortalama gerilme ve gerilme genliği değerleri hesaplanmış ve yorulma sonuçları Haigh ve Goodman Diyagramları’nda ayrı ayrı değerlendirilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Y32 Bojisi
• Statik Analiz
• Aşırı Yükleme
• Yorulma Analizi
• Haigh Diyagramı
• Goodman Dyagramı
• Sonlu Elemanlar Yöntemi

Kaynakça

1. S. Sabırlı, “Bir Raylı Taşıt Bogisinin Sonlu Elemanlar Yöntemiyle Yorulma Analizi” Yüksek lisans tezi, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul, 2012.
2. Y. Zhang, P. Wu, Y. Song, “Strength Test and Modal Analysis for a Standardized High-Speed EMU Motor Bogie Frame”, ICSMIM2015 Conference, 1128-1132.
3. C. Bhadraiah, “Stress Analysis of Bogie Frame Structure”, Yükek lisans tezi, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı, Blekinge Institute of Technology, Karlskrona, İsveç, 2017.
4. S. Haldar, R. Verma, “Analysis of Bogie Frame Manufactured with Different Processes”, International Journal of Mechanical Engineering, 4 (5):22-26, 2017.
5. W. Tang, “Fatigue Strength and Modal Analysis of Bogie Frame for DMUs Exported to Tunisia”, Journal of Applied Mathematics and Physics, 342-348, 2014.
6. J. Dizo, J. Harusinec, M. Blatnicky, “Structural Analysis of a Modified Freight Wagon Bogie Frame”, MATEC Web of Conferences 134, 00010, 2017.
7. A. Cera, “Analysis of methodologies for fatigue calculation for railway bogie frames”, Trenitalia S.P.A., Floransa, İtalya.
8. J. Dai, “The Design of Bullet Train Process Bogie and the Finite Element Analysis of Frame Strength”, International Conference on Material Science and Application, 926-931, 2015.

9. J. Kim, N. Kim, “Structural Assessment for Bogie Frame of 180 km/h Korean Tilting Train”, Key Engineering Materials, 297(300): 345-350, 2005.
10. H. Huang, L. Chen, “Strength Simulation of a Railway Bogie Frame based on EN 13749”, Journal of Technology, 33(4): 209-214, 2018.
11. European Committee for Standardization, “EN 13749 : 2011 Railway Applications – Wheelsets and Bogies – Method of Specifying the Structural Requirements of Bogie Frames.” Bürüksel, Belçika, 2011.
12. Trains of Turkey, “TVS 2000 Cars”, http://www.trainsofturkey.com/index.php/Cars/TVS2000 (15.01.2019 tarihinde alınmıştır.)
13. Material Properties Database, “S355J2G3”, https://www.makeitfrom.com/material-properties/EN-1.0570-S355J2G3-Non-Alloy-Steel (10.02.2019 tarhinde alınmıştır.)
14. Material Properties Database, “GE240”, https://www.makeitfrom.com/material-properties/EN-1.0446-GE240-Cast-Non-Alloy-Steel (10.02.2019 tarhinde alınmıştır.)
15. European Committee for Standardization, “Railway applications - Wheelsets and bogies - Axles - Product requirements.” Bürüksel, Belçika, 2010.
16. “Element Quality”, https://www.sharcnet.ca/Software/Ansys/17.0/en-us/help/wb_msh/msh_Element_Quality_Metric.html (17.02.2019 tarihinde alınmıştır.)
17. European Committee for Standardization. “EN 15663 : 2017 Railway applications – Definition of Vehicle Referance Masses” Bürüksel, Belçika, 2017.