بهینه‌سازی ابعاد ریل راه‌آهن با استفاده از تحلیل مودال به‌منظور بهبود پاسخ ارتعاشی–تنشی

نوع مقاله : مقاله علمی

نویسندگان
1 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران
2 کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی مهندسی، دانشگاه اراک، اراک، ایران
چکیده
عبور قطار از روی ریل موجب ایجاد ارتعاشات گسترده در سازه ریل می‌شود؛ پدیده‌ای که با توسعه قطارهای سریع‌السیر، اهمیت بیشتری یافته است. ارتعاشات شدید می‌توانند منجر به افزایش تنش‌های خستگی، کاهش عمر مفید ریل و بروز ناپایداری‌های سازه‌ای شوند. یکی از راهکارهای مؤثر برای مقابله با این چالش، افزایش فاصله بین فرکانس طبیعی ریل و فرکانس تحریک به‌منظور جلوگیری از وقوع پدیده تشدید است. در این پژوهش، بهینه‌سازی ابعاد هندسی ریل راه‌آهن باهدف ارتقای پاسخ ارتعاشی و کاهش تنش‌های خستگی مورد بررسی قرار گرفته است. برای دستیابی به این هدف، از ترکیب روش تحلیل سطح پاسخ (RSM) و الگوریتم ژنتیک استفاده شده و مدل عددی ریل در محیط نرم‌افزار ANSYS طراحی و شبیه‌سازی شده است. تحلیل‌ها شامل استخراج فرکانس‌های طبیعی و ارزیابی رفتار تنشی در مودهای ارتعاشی پیچشی، خمشی و ترکیبی بوده‌اند. نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که افزایش سرعت تحریک باعث کاهش عرض بهینه مقطع پایینی ریل در مودهای یکسان می‌شود. همچنین، افزایش عرض مقطع بالایی از ۴۰ به ۸۰ میلی‌متر موجب کاهش محسوس تنش‌های موضعی می‌گردد. این نتایج می‌تواند مبنایی برای طراحی هوشمندانه و مقاوم ریل‌های راه‌آهن در مواجهه با بارهای دینامیکی فراهم سازد.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Geometrical Optimization of a Railway Rail Using Modal Analysis to Improve Vibrational and Stress Responses

نویسندگان English

mohammad javad khoshgoftar 1
mohammad sahraei 2
1 Associate Professor, Department of Mechanical Engineering, Arak University, Arak, Iran
2 M.Sc., Department of Mechanical Engineering, Arak University, Arak, Iran
چکیده English

The passage of trains over railway rails induces significant vibrations in the rail structure—a phenomenon that has gained increasing importance with the development of high-speed rail systems. Severe vibrations can lead to increased fatigue stresses, reduced rail lifespan, and potential structural instability. One effective approach to mitigating these issues is to increase the gap between the natural frequency of the rail and the excitation frequency, thereby preventing resonance. In this study, the geometric dimensions of the railway rail are optimized with the aim of enhancing vibrational performance and reducing fatigue-induced stresses. To achieve this, a combined methodology involving Response Surface Methodology (RSM) and Genetic Algorithm (GA) is employed. A numerical model of the rail is developed and simulated using ANSYS software. The analyses focus on extracting natural frequencies and evaluating stress responses under torsional, bending, and combined vibration modes. The results indicate that increasing the excitation speed leads to a reduction in the optimal width of the rail’s bottom flange for similar vibration modes. Additionally, increasing the width of the rail head from 40 to 80mm significantly reduces local stresses. These findings provide a practical basis for intelligent and resilient design of railway rails under dynamic loading conditions

کلیدواژه‌ها English

Railway rail
Geometrical optimization
Genetic algorithm
Response surface methodology
Modal analysis

اصل مقاله

[1] M. A. Sayeed and M. A. Shahin, "Design of ballasted railway track foundations using numerical modelling. Part I: Development," Canadian Geotechnical Journal, Vol. 55, No. 3, pp. 353–368, Mar. 2018, doi: 10.1139/cgj-2016-0683 (in Persian)
[2] Z. Zeng, Z. Wang, N. Zhang, Y. Wang, and J. Zhang, "Experimental investigation on the vibration reduction characteristics of an optimized heavy-haul railway low-vibration track," Shock and Vibration, Vol. 2019, Art. No. 1539564, Jun. 2019, doi: 10.1155/2019/1539564
[3] Z. Wei, I. Nuñez, A. Nuñez, R. Dollevoet, and Z. Li, "Wheel–rail impact at crossings: Relating dynamic frictional contact to degradation," Journal of Computational and Nonlinear Dynamics, Vol. 12, No. 4, Art. No. 041017, Jul. 2017, doi: 10.1115/1.4035649
[4] M. Germonpré, L. Van Hoorebeeck, and G. Degrande, "Contributions of longitudinal track unevenness and track stiffness variation to railway induced vibration," Journal of Sound and Vibration, Vol. 437, pp. 292–307, Dec. 2018, doi: 10.1016/j.jsv.2018.09.027
[5] J. Jin, L. Jiang, M. Sun, X. Li, and Y. Wen, "Development of tuned particle impact damper for reduction of transient railway vibrations," Applied Acoustics, Vol. 169, Art. No. 107487, Dec. 2020, doi: 10.1016/j.apacoust.2020.107487
[6] R. Masoudi Nejad, K. Farhangdoost, and M. Shariati, "Three-dimensional simulation of rolling contact fatigue crack growth in UIC60 rails," Tribology Transactions, Vol. 59, No. 6, pp. 1059–1069, 2016, doi: 10.1080/10402004.2015.1130768
[7] Q. Feng, B. Yan, X. Yang, and J. Li, "Long-term prediction of fatigue crack growth in ballastless track of high-speed railway due to cyclic train load," Construction and Building Materials, Vol. 292, Art. No. 123375, Jul. 2021, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2021.123375
[8] V. Markine and C. Wan, "Performance optimised geometry of railway crossings: Design and implementation," International Journal of Railway Technology, Vol. 5, No. 2, pp. 1–25, 2016, doi: 10.4203/ijrt.5.2.1
[9] C. Wan, V. Markine, and R. Dollevoet, "Robust optimisation of railway crossing geometry," Vehicle System Dynamics, Vol. 54, No. 5, pp. 617–637, 2016, doi: 10.1080/00423114.2016.1150536
[10] N. Zong and M. Dhanasekar, "Minimization of railhead edge stresses through shape optimization," Engineering Optimization, Vol. 45, No. 9, pp. 1043–1060, Sep. 2013, doi: 10.1080/0305215X.2012.722684
[11] B. An, L. Gao, T. Xin, G. Xiu, and Z. Cai, "A novel approach of identifying railway track rail’s modal frequency from wheel-rail excitation and its application in high-speed railway monitoring," IEEE Access, Vol. 7, pp. 180986–180997, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2959666
[12] H. Fu, Y. Yang, and S. Kaewunruen, "Multi-hazard effects of crosswinds on cascading failures of conventional and interspersed railway tracks exposed to ballast washaway and moving train loads," Sensors, Vol. 23, No. 4, Art. No. 1786, Feb. 2023, doi: 10.3390/s23041786
[13] T. Axinte, "Finite elements analysis of the rail-wheel rolling contact," Advanced Materials Research, Vol. 1036, pp. 559–563, 2014, doi: 10.4028/www.scientific.net/AMR.1036.559

  • تاریخ دریافت 26 تیر 1404
  • تاریخ بازنگری 19 مرداد 1404
  • تاریخ پذیرش 16 شهریور 1404
  • تاریخ اولین انتشار 16 شهریور 1404
  • تاریخ انتشار 01 بهمن 1404