Концепція оптимізації геометрії надресорної балки залізничного візка за критерієм мінімізації маси

Abstract

Мета. Розроблення концепції оптимізації геометрії надресорної балки візка, яка мінімізує масу конструкції за гарантованого дотримання нормативного запасу міцності, долаючи обмеження традиційних методів проєктування на основі статичних схем, що спричиняють нерівномірний розподіл металу та надмірну масу. Методика. Застосовано комплексний теоретико-чисельний підхід. Спектр експлуатаційних навантажень сформовано методами математичної статистики та теорії випадкових процесів. Напружено-деформований стан розраховано методом скінченних елементів. Топологічну оптимізацію реалізовано методом SIMP в інверсній постановці: мінімізація маси за прямого обмеження на напруження та диференційований запас міцності для режимів, з агрегацією напружень за P-нормою та оновленням густини алгоритмом. Порівняно три концепції: обмеження жорсткості (А), перерозподіл через ребра (Б) і гібридний підхід з урахуванням втоми (В). Результа ти. Базовий аналіз показав, що понад 62 % об’єму балки працює при напруженнях нижче 30 МПа, що свідчить про резерв зниження маси. Підхід А знизив масу на 12–15 %, але мав найменший запас за втомою; підхід Б забезпечив найвищий запас міцності (ns = 1,74) при зниженні маси лише на 5,7 %; гібридний підхід В виявився найбільш збалансованим – зниження маси на 18 %, ns = 1,62 (≥1,5), найбільший ресурс (62,1 · 106 циклів). Наукова новизна. Уперше задачу мінімізації маси сформульовано як інверсну задачу топологічної оптимізації SIMP з явним диференційованим обмеженням на нормативний запас міцності за трьома режимами, з інтеграцією ймовірнісного спектра навантажень безпосередньо в цільову функцію та поєднанням критеріїв маси, жорсткості й втоми в єдиній гібридній постановці. Практична значимість. Попередні розрахунки засвідчили, що реалізація запропонованої концепції дозволяє знизити масу балки на 18 % без порушення вимог міцності, зменшуючи матеріаломісткість візка за збереження технологічності лиття та взаємозамінності з деталями діючого парку.