Skip to main content
SUPERVISOR
مسعود شریعت پناهی (استاد راهنما) حسن نحوی (استاد راهنما) محسن اصفهانیان (استاد مشاور)
 
STUDENT
Aliakbar Karkhaneh Yousefi
علی اکبر کارخانه یوسفی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389

TITLE

Modeling, Dynamic Analysis and Optimization of Fuel Tank of Locomotive ER 24
Fluid storage tank structures have been of interest for a long time, because these have unique characteristics due to the interaction between fluid and structure. This interaction which causes the sloshing, can be a severe problem in vehicle stability and control. In this thesis, the conventional methods for analysis of the partially filled fuel tanks have been enumerated and then the fuel tank of the locomotive ER 24 has been considered as a real analyses model. Stress analysis has been done based on both the Computational Fluid Dynamics ( CFD ) and structural models. In the structural modeling, the fuel tank was assumed to be fully filled with fuel and therefore, the greatest forces will be generated. Then, the fuel tank has been modeled and analyzed using finite element method under suggested loading conditions by the DIN EN 12663 standard, in railway applications and real boundary conditions. In six different loading conditions, high stressed areas have been identified. Also, in the CFD modeling it is considered that the locomotive had been moving in a certain speed and suddenly stopped at a constant acceleration. Next, the behavior of the fuel and air during the braking time were investigated by using a two-phase model. The distribution of the pressure on the surface of baffles caused by sloshing was extracted. Finally, by comparing the distribution of pressure caused by sloshing phenomena and suggested standard loading conditions, optimal design of the fuel tank was taken into consideration. After identifying the critical areas of the stress distribution, optimization of the primary design of the fuel tank has been studied. The objective function was assumed as the mass and manufacturing cost of the fuel tank. The manufacturing cost consists of the cost of welding, cutting and bending in the process of manufacturing of the baffles. The geometric properties of the baffles including the thickness, angle of bent, radius of the circular holes and the number of transversal baffles were considered as the design parameters. This multi-objective optimization problem was solved by employing Non-dominated Sorting Genetic Algorithm ( NSGA-II ) and Artificial Neural Networks ( A ). Two Multi-Layer Perceptron ( MLP ) networks were used to approximate mass and maximum Von-Mises equivalent stress that later have been used in the optimization process. Each network has one hidden layer with 6 neurons and a single neuron in its output layer. The networks were trained using 44 data sets generated using a normally distributed set of input vectors across the design space. It has been shown that the optimized fuel tank not only provides the safety conditions, but also, compare with the primary design, the mass and manufacturing cost are reduced by %39 and %73, respectively. Keywords : Optimal design, Multi-Objective Optimization, Sloshing, Artificial Neural Networks, Fuel Tanks, Baffles.
در این پژوهش انواع مختلف روش?های تحلیل مخازن سوخت بررسی شده?است و پس از مقایسه مزایا و معایب هر یک از آنها، مخزن سوخت لکوموتیو ER 24 به عنوان یک مدل واقعی مورد بررسی قرار گرفته?است. مدل هندسی این مخزن بر اساس نقشه?های موجود در شرکت لکوموتیو?سازی مپنا به کمک نرم?افزار SolidWorks ایجاد شده?است تا در ادامه به کمک نرم?افزار ANSYS تحلیل?های اجزاء?محدود مورد نظر روی آن صورت گیرد. این مخزن به دو روش مورد تحلیل اجزاء?محدود قرار گرفته?است. در روش اول برای بارگذاری مخزن از منحنی سرعت-زمان استاندارد لکوموتیو در زمان توقف استفاده شده?است. همچنین در این حالت مخزن سوخت شامل 80% سوخت و 20% هوا در نظر گرفته شده?است. در ادامه پس از حل معادلات سیالاتی حاکم بر جریان?های دوفاز، فشار بیشینه بر روی دیواره?های مخزن سوخت حاصل شده?است. در روش دوم نیز برای بارگذاری مخرن، از بارگذاری توصیه شده در استانداردهای ایمنی مثل DIN EN 12663 استفاده شده?است. با مقایسه نتایج حاصل از هر دو روش، مشاهده شده?است که بارگذاری?های توصیه شده در استانداردهای ایمنی، تنش?های بزرگتری را در بدنه مخزن ایجاد می?کنند. در ادامه پس از شناسایی نواحی بحرانی مخزن از نظر میزان تنش، بهینه?سازی آن مورد نظر قرار گرفته?است. برای این منظور با توجه به پیچیدگی هندسه و همچنین بزرگی ابعاد مخزن، متغیرهای بهینه?سازی به ویژگی?های هندسی صفحات جاذب داخلی آن محدود شده?اند. یعنی با تغییر چیدمان داخلی مخزن، به کمک تغییر ضخامت، زاویه خم، شعاع سوراخ و همچنین تعداد صفحات جاذب؛ آرایش بهینه صفحات جاذب به منظور کاهش وزن و همچنین کاهش هزینه ساخت صفحات جاذب مورد جستجو قرار گرفته?است. به دلیل گستردگی فضای حل و همچنین عدم دسترسی به یک رابطه تحلیلی برای محاسبه تنش در مخزن، استفاده از الگوریتم?های تکاملی در فرآیند بهینه?سازی مورد توجه قرار گرفته?است. برای این منظور از الگوریتم ژنتیک چند هدفه غیر مغلوب (NSGA-II) در کنار شبکه?های عصبی مصنوعی (A) به عنوان ابزاری قدرتمند در تقریب توابع هدف و قیود استفاده شده?است. در نهایت پس از انتخاب یکی از اعضای مجموعه جواب نهایی و مقایسه آن با طرح اولیه مخزن سوخت، مشاهده شده?است که مخزن بهینه علاوه بر اینکه تمامی شرایط مورد نظر در استانداردهای ایمنی را برآورده می?سازد، حدود 39% وزن کمتر و همچنین 73% هزینه ساخت کمتری نیز دارد. واژگان کلیدی : مخزن سوخت، صفحات جاذب، تلاطم، تحلیل اجزاء?محدود، شبکه?های عصبی، بهینه?سازی و ... .

ارتقاء امنیت وب با وف بومی