Producătorul european de vagoane Stadler Rail trebuia să asigure atât rezistența la impact a unui nou vagon de pasageri pe două niveluri (KISS), cât și performanța modulului său de accidentare. 3DEXPERIENCE s-a dovedit realmente util.
La începutul secolului XX, în America a înflorit un sport ciudat, urmărit de spectatori cu sufletul la gură: prăbușirea trenurilor. A fost atât de populari încât, între 1896 și 1932, un bărbat, cunoscut drept Joe „Head-on” Connolly, a organizat, la târguri de stat sau în alte locații mari, 73 de accidente, care s-au soldat cu distrugerea a 146 de trenuri.
Zilele acelea au trecut de mult. Inginerii proiectanți, care-și doresc astăzi să observe un asemenea accident, pot efectua coliziuni virtuale sigure, de înaltă precizie, direct pe ecranul computerului.
În timp ce proiectează un vagon nou, inginerii au mare nevoie de simulare, pentru a aborda problemele legate de siguranță și a răspunde la diverse întrebări. Oare, în caz de accident, sudurile se vor menține, mai ales dacă trenul se află în ultimii ani de funcționare? Își va păstra forma spațiul destinat pasagerilor? Sau, o altă incertitudine care necesită răspuns: Componentele și ansamblurile interne ale zonei pasagerilor vor rămâne la locul lor, relativ nedeformate?
Producătorul european Stadler Rail, cu sediul central în Bussnang, Elveția, răspunde la aceste întrebări de peste 70 de ani, cu și fără simulare. În tot acest timp, compania a proiectat și construit trenuri personalizate, regionale, tramvaie, ecartamente și chiar trenuri cu două etaje. În ultimii ani, și-au pus întreaga experiență la lucru pentru a proiecta un tren de navetiști cu două nivele – KISS. KISS este un acronim german, care înseamnă „tren suburban rapid, inovator și confortabil”. Trenul circulă cu o viteză de până la 200 km/h. (124+ mph) și este vital pentru liniile de tren din Elveția și Austria.
Ca și în cazul tuturor modelelor de transport, menținerea unei greutăți cât mai mici reprezintă un obiectiv important. Firește, termenul de „greutate mică” este relativ. Fiecare tren cu șase vagoane cântărește 297 de tone. Pentru a asigura simultan rezistența mijlocului de transport, caroseria mașinăriei este realizată din 35 de panouri de aluminiu goale, la scară mare, îmbinate cu un număr incredibil de suduri MIG. Pentru podeaua intermediară se aplică suduri. „Într-un vagon sunt aproximativ 12.000 de metri de suduri”, afirmă dr. Alois Starlinger, șeful care se ocupă de analiza structurală, testarea și autorizarea vehiculelor la Stadler Rail. „În astfel de circumstanțe, performanța sudurii este la fel de importantă pentru siguranță precum sunt panourile extrudate.”
CEM, Crash Energy Management, este o parte extinsă a dezvoltării de produse pentru un nou design de tren, ghidată de o serie de standarde europene de siguranță feroviară, în special de „Cerințele de rezistență la impact pentru caroseriile vehiculelor feroviare (EN 1527).” O parte semnificativă a acestor standarde definește ce părți ale unui design ar trebui dovedite prin simulare și cum ar trebui realizate.
În centrul întregului proces la Stadler se află Abaqus, aplicația de analiză cu elemente finite (FEA) de la SIMULIA, tehnologia Dassault Systèmes 3DEXPERIENCE. „Stadler folosește Abaqus de peste 10 ani pentru astfel de simulări”, a declarat dr. Starlinger.
Realizarea modelului
„Abaqus ne-a permis să reducem timpul de dezvoltare a produselor pentru mașinile KISS, păstrând în același timp calitatea și siguranța la cel mai înalt nivel.”
Dr. Alois Starlinger
Șef analiză structurală, testare și autorizare a vehiculelor, Stadler Rail
Modelul a fost utilizat în Abaqus/Standard pentru analizele statice a 45 de cazuri globale de încărcare distincte, care examinau zona pasagerilor, dispozitivul de cuplare al mașinii și modurile de flambaj și vibrație. Un obiectiv important a fost cel de a verifica dacă designul mașinii va rezista la condițiile de încărcare prestabilite sau se va deforma în mod inacceptabil. „Cel mai mare efort pentru dezvoltarea și certificarea trenului KISS a fost etapa de calcul și evaluare a acestor cazuri de încărcare”, susține dr. Starlinger.
Cel mai important caz a fost o sarcină de impact de 1500 kN asupra cuplajului care unește vagoanele. Sarcina e stabilită de standardul de siguranță EN 12663-1, care prevede că vagonul trebuie să suporte un astfel de impact cu o deformare minimă. În urma analizelor efectuate, inginerii de la Stadler au depistat fie deformări mici, fie lipsa lor în cuplaj. Celelalte analize statice au fost, la rândul lor, pozitive (Figura 1).
Figura 1: Rezultatele tensiunii în caz de sarcină; compresia cuplajului – 1500 kN
Lupta împotriva oboselii
După finalizarea analizei statice, inginerii au evaluat rezultatele Abaqus FEA, folosind postprocesorul de rezistență la oboseală FEMFAT de la Magna. Sarcinile de oboseală pentru examinarea sudurii au inclus forțele amortizoare dintre caroseria mașinii și boghiu (ansamblul roată, axă și cadru, supranumit „truck” în S.U.A.), sarcinile de tracțiune și frânare și sarcinile de accelerație în toate direcțiile majore. „Efectul de oboseală asupra sudurilor este destul de important”, declară dr. Starlinger, „deoarece sudurile din aluminiu au o rezistență la oboseală mai mică decât materialele de bază ale extrudărilor care alcătuiesc caroseria mașinii”. Datele privind rezistența la oboseală au fost preluate din recomandările Institutului Internațional de Sudare (IIW) și din ghidul german FKM.
„Am folosit abordarea notch-stress pentru evaluarea oboselii”, a adăugat dr. Starlinger. „Ea ne-a oferit o perspectivă asupra vieții celei mai critice părți a sudurii, luând în calcul toate cazurile de încărcare.” Software-ul de oboseală a ciclizat sudurile, raportându-le la condițiile de funcționare de 40 de ani și la durata de viață a vagonului, furnizând load collective (sarcina totală a vagonului), împreună cu specificații despre tensiunile de sudură specifice. „Analizele statice și de oboseală pe care le-am făcut ne-au oferit un grad ridicat de încredere despre modul în care va funcționa KISS”, a adăugat dr. Starlinger.
Ajunși în acest punct, cei de la Stadler Rail mai aveau de răspuns la o întrebare importantă: Cum ar funcționa caracteristicile individuale ale mașinii, în special modulul de impact, în cazul unei ciocniri?
Combaterea coliziunilor
Patru scenarii standard de coliziune necesită examinarea impactului:
- front-end cu o unitate de tren identică,
- front-end într-un vehicul feroviar tamponat,
- front-end într-un obstacol greu (cum ar fi un camion la o trecere a drumului)
- impactul cauzat de un obstacol mic, pe pistă.
Dintre toate cele patru scenarii, cel mai critic este impactul frontal între vagoane identice, deoarece ar putea cauza un număr mare de răniți, accidentați grav. „Am efectuat analize dinamice de accident, folosind Abaqus/Explicit pe o linie temporală, care se extinde de la primul contact de coliziune până la 0,2 secunde după impact”, a amintit dr. Starlinger.
Analiza s-a focalizat pe impactul din partea din față a mașinii (Figura 2). Acest modul, un tub conic cu mai multe camere, este proiectat să absoarbă energia, prin flambajul plasticului în mod secvenţial (și previzibil) la impact, contribuind la păstrarea formei restului mașinii și protejând călătorii. Simularea a implicat caracteristicile materialelor și comportamentul sub sarcina de impact, precum și deformarea modulului. „Analizăm vagoane cu Abaqus de mai bine de un deceniu”, subliniază Starlinger, „și avem date de testare fizice extinse, utilizabile împreună cu rezultatele simulărilor efectuate recent.”
Structura interiorului și a echipamentelor
Componentele și echipamentele interioare au fost, de asemenea, evaluate în conformitate cu standardele de siguranță. Procesul a constat într-o examinare detaliată a unor articole precum scările, scaunele, toaletele, suporturile pentru bagaje, ușile interioare, scaunul și biroul șoferului. În zona scărilor, de exemplu, inginerii au inclus în analizele lor masa pasagerilor și forțele specifice aplicate balustradelor. Printre fenomenele neliniare cercetate s-a numărat și comportamentul grinzii în consolă, responsabilă de fixarea scaunului pasagerului de peretele vagonului. Inginerii au modelat diversele piese sudate, frezate și forjate ale ansamblului pentru a capta o înțelegere cât mai completă a fasciculului scaunului. Rezultatele analizei au determinat deplasarea potențială a structurii scaunului sub sarcini de impact, informații care au furnizat date de bază pentru definirea calității șuruburilor, precum și a parametrilor de asamblare.
Pe lângă examinarea impactului unei coliziuni, inginerii au mai analizat vibrațiile componentelor cheie ale trenului în timpul funcționării normale (ex: simularea vibrației constante create de masa rotativă a motorului compresorului). În cadrul procesului, a fost aplicată o forță dinamică, într-un spectru de frecvență specific, explorându-se astfel efectele pe care le poate avea oboseala asupra caracteristicilor vagonului.
Validarea datelor
Prototiparea fizică și testarea rămân o parte esențială a proiectării vagoanelor. În timp ce simularea oferă informații valoroase despre proiectare și îi ajută pe ingineri să îndeplinească standardele de siguranță, există cerințe suplimentare pentru validarea analizelor statice și dinamice prin teste fizice. Testele includ aplicarea sarcinilor verticale și longitudinale la structurile vagoanelor și utilizarea actuatoarelor hidraulice.
În timpul testării în lumea reală a mașinii KISS, au fost măsurate principalele deformații ale caroseriei și ale componentelor vagonului de dimensiune completă, obținându-se, prin intermediul extensometrelor, niveluri de solicitare la peste 140 de poziții. Testarea fizică a scos la iveală o corelație strânsă cu analizele FE. De asemenea, prin încărcarea dinamică a modulului de accidentare s-a ajuns la rezultate similare cu cele obținute prin simulare (Figura 3).
Rezultate favorabile pe șine
Simulările celor de la Stadler au confirmat că designul vagonului KISS îndeplinește cu succes toate cerințele standardelor europene. Au fost comandate peste 170 de trenuri auto cu mai multe etaje, majoritatea dintre ele fiind deja în funcțiune în Elveția, Austria, Germania și Luxemburg.
„Abaqus ne-a permis să reducem timpul de dezvoltare a produselor pentru mașinile KISS, păstrând în același timp calitatea și siguranța la cel mai înalt nivel”, a declarat Starlinger. „Am reușit să realizăm rapid un număr semnificativ de iterații de analiză, ceea ce ne-a ajutat să optimizăm structura vagonului în ceea ce privește greutatea, respectând totodată standardele de siguranță. Astfel, Stadler și-a putut îndeplini programul strict, legat de lansările de proiectare structurală. Până în prezent, Stadler a respectat toate termenele contractuale pentru livrarea produselor către client.”