مکانیک ساختارهای هوشمند

مکانیک ساختارهای هوشمند

طراحی کاهش وزن و تحلیل اجزای محدود سازه‌ای یک اکسل ریلی کامپوزیتی: مطالعه موردی اکسل ریل‌باس ایرانی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران
2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران
10.30511/jmms.2026.2081552.1030
چکیده
امروزه با گسترش جمعیت و بروز نگرانی‌هایی دربارۀ مخاطرات پیش روی محیط زیست و اتلاف منابع، نگاه‌ها به سمت صنعت حمل ‌و نقل ریلی، به عنوان یک صنعت مولد معطوف است. این صنعت به عنوان یکی از ساده‌ترین راه‌های حمل‌ونقل، نقش مهمی در جابه‌جایی مسافر و بار دارد. در این تحقیق، اکسل توپر فولادی یک ماشین ریلی در حال بهره‌برداری در کشور ایران و با بررسی خواص مکانیکی و شرایط عملکردی، به بازطراحی آن بر پایۀ تحلیل ساختاری، پرداخته شده است. هدف اصلی بازطراحی اکسل، سبک‌سازی و توخالی کردن آن است. از مواد کامپوزیت پایه پلیمری در فرآیند طراحی استفاده گردید. طرح کلی شامل یک جفت طوقۀ فولادی و دو عدد محور کامپوزیتی با هندسۀ متفاوت است. تحلیل استاتیکی در فضای اجزای محدود بر روی مجموعۀ اکسل تقویت‌شده به وسیلۀ مواد کامپوزیت صورت پذیرفت که معیار تخریب تسای-وو 36/0 در نتایج مشاهده گردید. بیشینۀ تنش فون‌میسز در طوقه فولادی 216 مگاپاسکال، ضریب اطمینان استاتیکی 94/1 و بیشینۀ تنش برشی در اتصال چسبی 28 مگاپاسکال به دست آمد. همچنین نتایج تحلیل مودال نشان داد که فرکانس طبیعی اکسل کامپوزیتی 89 هرتز بوده که در مقایسه با فرکانس طبیعی 68 هرتزی اکسل فولادی، بهبود قابل توجهی را نشان می‌دهد. جرم اکسل سبک‌شده، 173 کیلوگرم می‌باشد که کاهش وزن 62 درصدی را تجربه کرده است. از رهیافت مورد استفاده در تحقیق حاضر، می‌توان در طراحی مدل‌های دیگر اکسل‌ها و شفت‌های تحت خمش و پیچش استفاده کرد.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Lightweight Design and Structural Finite Element Analysis of a Composite Railway Axle: A Case Study of Iranian Rail-Bus axle

نویسندگان English

Abbas Moradi 1
Mahmood. M Shokrieh 2
1 School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology
2 School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده English

With population growth and concerns about environmental hazards and resource depletion, attention has turned to the rail transportation industry as a productive sector. As one of the simplest modes of transport, rail plays a crucial role in passenger and freight mobility. In this research, a solid steel axle from an operational rail vehicle in Iran was selected. Based on structural analysis of its mechanical properties and operational conditions, a redesign was undertaken to reduce weight by adopting a hollow configuration. Polymer-based composite materials were employed. The design consists of a pair of steel collars and two composite shafts with different geometries. Static finite-element analysis on the composite axle assembly yielded a Tsai-Wu failure index of 0.36. Maximum von Mises stress in the steel collar was 216 MPa, the static safety factor was 1.94, and maximum shear stress in the adhesive joint was 28 MPa. Modal analysis showed the composite axle natural frequency as 89 Hz, a significant improvement over 68 Hz for the solid steel axle. The lightweight axle mass is 173 kg, a 62% weight reduction. This approach can be applied to design other axles and shafts subjected to bending and torsion.

کلیدواژه‌ها English

Railway axle
lightweighting
Composite materials
Structural analysis
Finite element