Концепція оптимізації геометрії надресорної балки залізничного візка за критерієм мінімізації маси

Simple item page
dc.contributor.authorФомін О. В.
dc.contributor.authorМартиненко В. І.
dc.contributor.authorМартиненко Д. І.
dc.contributor.authorГунько Є. В.
dc.contributor.authorFomin Oleksii V.
dc.contributor.authorMartynenko Vladyslav I.
dc.contributor.authorMartynenko Dmytro I.
dc.contributor.authorGunko Ievgenii V.
dc.date.accessioned2026-11-06T17:59:57Z
dc.date.issued2026
dc.description.abstractМета. 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.
dc.description.abstractengPurpose. To develop a concept for optimizing the geometry of a bogie bolster (transom) that minimizes structural mass while guaranteeing compliance with the normative safety factor, overcoming the limitations of traditional design methods based on static schemes, which cause uneven metal distribution and excessive mass. Methodology. A comprehensive theoretical-numerical approach was applied. The spectrum of operational loads was formed using methods of mathematical statistics and the theory of random processes. The stress-strain state was calculated using the finite element method. Topological optimization was implemented using the SIMP method in an inverse formulation: mass minimization subject to a direct stress constraint and a differentiated safety factor for the operating modes, with stress aggregation via the P-norm and density updating by algorithm. Three concepts were compared: stiffnessconstrained (A), rib-based redistribution (B), and a hybrid fatigue-aware approach (C). Results. The baseline analysis showed that over 62 % of the bolster’s volume operates at stresses below 30 MPa, indicating a reserve for mass reduction. Approach A reduced mass by 12–15 % but had the lowest fatigue safety margin; Approach B provided the highest safety factor (ns = 1.74) with only a 5.7 % mass reduction; the hybrid Approach C proved the most balanced – an 18 % mass reduction, ns = 1.62 (≥1.5), and the greatest service life (62.1 · 106 cycles). Scientific novelty. For the first time, the mass-minimization problem was formulated as an inverse SIMP topological optimization problem with an explicit, differentiated constraint on the normative safety factor across three operating modes, integrating the probabilistic load spectrum directly into the objective function and combining mass, stiffness, and fatigue criteria within a single hybrid formulation. Practical significance. Preliminary calculations demonstrated that implementing the proposed concept allows the bolster’s mass to be reduced by 18 % without violating strength requirements, reducing the bogie’s material consumption while preserving casting manufacturability and interchangeability with parts of the current fleet. Key words: optimization; bogie; transport; strength; topology; deformable solid body.
dc.identifier.citationКонцепція оптимізації геометрії надресорної балки залізничного візка за критерієм мінімізації маси = Concept for optimizing the geometry of a railway bogie bolster based on the criterion of mass minimization / О. В. Фомін, В. І. Мартиненко, Д. І. Мартиненко, Є. В. Гунько // Зб. наук. пр. НУК. – Миколаїв : Гельветика, 2026. – № 3 (506). – С. 114–121.
dc.identifier.govdochttps://doi.org/10.15589/znp2026.3(506).13
dc.identifier.issn3154-8245 (Print)
dc.identifier.issn3154-8253 (Online)
dc.identifier.urihttps://eir.nuos.edu.ua/handle/123456789/13902
dc.language.isouk
dc.relation.ispartofseries629.4.027.2: 539.4: 621.01
dc.subjectоптимізація
dc.subjectвізок
dc.subjectтранспорт
dc.subjectміцність
dc.subjectтопологія
dc.subjectдеформівне тверде тіло
dc.subjectoptimization
dc.subjectbogie
dc.subjecttransport
dc.subjectstrength
dc.subjecttopology
dc.subjectdeformable solid body
dc.titleКонцепція оптимізації геометрії надресорної балки залізничного візка за критерієм мінімізації маси
dc.title.alternativeConcept for optimizing the geometry of a railway bogie bolster based on the criterion of mass minimization
dc.typeСтаття

Files

Original bundle

Now showing 1 - 1 of 1
Thumbnail Image
Name:
Fomin_ Martynenko_Martynenko_Gunko.pdf
Size:
969.77 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
Download

Collections

№ 3 (506) 2026