DOI: https://doi.org/10.15802/stp2014/22681

### Structure rationalization of tank cars support devices for fluids

M. V. Pavliuchenkov

#### Abstract

Purpose. Improvement of fluid tank cars structure due to development of new tank bracket support structures and their materials consumption decrease. Methodology. The investigations to search the optimal design of the support structure were conducted in order to solve such problem. At the first stage patent and bibliographic analysis of technical solutions was done, the advantages and disadvantages were revealed and new design options were proposed, the most efficient design was determined. The next step is objective function making for determining its optimal parameters, imposition of restrictions, acquisition of objective function approximation and restrictions in the form of polynomials. At the third stage numerical implementation of function optimization was proposed, optimal design parameters were determined with graphical method. Results methods have coincided. Findings. The most efficient design of support structure was determined; its optimum geometrical dimensions were described. Originality. The author provides the mathematical formulation of optimal design of tank car supports using the minimum materials consumption criteria. The graphic and numerical methods were used during the investigations. Practical value. The author proposed the finite-element models of tank car with different design execution of bracket support structures, which allow estimating the VAT of structure.

#### Keywords

tanks cars; barrel; bracket support structure; vehicle capacity; supporting element; reduced stress; objective function; generic mathematical model

PDF (Українська)

#### References

Bespalko S.V., Bogachev V.I. Otsenka vliyaniya parametrov dnischa na napryazhennoye sostoyaniye kotla tsisterny [Assessment of the influence of the parameters bottom of the stress state of the boiler of the tank]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu − Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2013, no. 1 (43), pp. 133-138.

Vagon – tsisterna dlya benzina drugikh svetlykh nefteproduktov, model 15-1443-06. Kotel. Raschet na prochnost, 443.01.000 – 11 RR6. Otchet GSKTI SKB VS [Car - petrol tank for other light petroleum products, model 15-1443-06. The boiler. Strength calculation, 1443.01.000 – 11 RR6. Report GSKTI SKB VS], 2002, 31 p.

Vinarskiy M.S., Lure M.V. Planirovaniye eksperimenta v tekhnologicheskikh issledovaniyakh [Planning of experiment in technological research]. Kiev, Tekhnika Publ., 1975. 168 p.

Yermakov S.M., Zhiglyavskiy A.A. Matematicheskaya teoriya optimalnogo eksperimenta [Mathematical theory of optimal experiment]. Moscow, Nauka Publ., 1987. 320 p.

Yermuratskiy P.V. Simpleksnyy metod optimizatsii [The simplex method of optimization]. Trudy MEI − MPEI Proceedings, 1967, issue 67, p. 29.

Zhdamarov V.S. Issledovaniye napryazhennogo sostoyaniya obolochki kotla zheleznodorozhnoy tsisterny ot lokalnykh nagruzok. Avtoreferat Diss. [Investigation of stress state of the shell of boiler of a tank wagon here local loads. Author’s abstract]. Moscow, 1980. 23 p.

Issledovaniya po izyskaniyu novykh konstruktivnykh skhem chetyrekhosnykh vagonov–tsistern s tselyu snizheniya ikh metalloemkosti [Research to find new constructive schemes of four-axle tank cars to reduce metal consumption]. Kremenchug, VNIIV Publ., 1985. Part I. 63 p.

Kostritsa S.A., Tovt B.M. Optimizatsiya nesushchey konstruktsii planirovshchika ballastnoy prizmy SPZ-5/UA [Optimization of the bearing structure of the scheduler points-local prism SP3-5/UA]. Nauka ta prohres transportu. Visnyk Dnipropetrovskoho natsionalnoho universytetu zaliznychnoho transportu − Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport, 2013, no. 2 (44), pp. 106-117.

Laguta V.S., Donchenko A.V., Vodyannikov Yu.Ya. Analiz konstruktivnykh variantov vagonov–tsistern. Razvitiye konstruktsiy vagonov. Analiz rezultatov ispytaniy i ekspluatatsii [Analysis of structural variants of tank-wagons. The development of the designs of the cars. Analysis of the results of tests and operation]. Sbornik nauchnykh trudov nauchno-issledovatelskogo instituta vagonostroeniya [Proc. of Scientific and Research Institute of Cars Construction]. Kremenchug, 1988, pp. 58-64.

Nerubaylo B.V. Lokalnyye zadachi prochnosti tsilindricheskikh obolochek [Local tasks strength of cylindrical shells]. Moscow, Mashinostroeniye Publ., 1983. 248 p.

Pavliuchenkov M.V. Doslidzhennia konstruktyvnykh variantiv opor zaliznychnykh tsystern dlia perevezennia ridkykh vantazhiv [Research of structural variants supports rail tank cars for transportation of liquid cargoes]. Tezy dopovidei 70 mizhnarodnoi naukovo praktychnoi konferentsii « Problemy ta perspektyvy rozvytku zaliznychnoho transportu» [Proc. of the 70th Int. Sci. and Practical Conf. «Problems and prospects of railway transport development»]. Dnepropetrovsk. 2010, pp. 81-82.

Pavliuchenkov M.V Informatsionnyye tekhnologii rascheta i proyektirovaniya vagona-tsisterny na staticheskiye i udarnyye nagruzki [Information technology calculation and design of tank wagons for static and shock loads]. Informatsiino-keruiuchi systemy na zaliznomu transporti − Information and control systems at railway transport, 2010, issue 3, pp. 30 – 36.

Pavliuchenkov M.V. Kompiuterna model vahona-tsysterny [Computer model of a tank wagon]. Zbirnyk naukovykh prats «Rukhomyi sklad zaliznyts ta hospodarstvo» [Proc. «Rolling stock of Railways and economy» ]. Kharkiv, 2008, issue 86, pp. 111-117.

Pavliuchenkov M. V. Prystrii dlia kriplennia kotla zaliznychnoi tsysterny na rami khodovoi chastyny [Device for fastening of the railway tanks boiler on the frame chassis]. Patent UA, no. 2012 00495, 2012. 4 p.

Statisticheskaya informatsiya o povrezhdeniyakh zheleznodorozhnykh neftebenzinovykh tsistern - obrabotka s pomoshchyu SUBD MS ACCESS [Statistical information on damage of rail tanks - processing using MS ACCESS]. Moscow, MIIT Publ., 1998. 24 p.

Ekspluatatsionnyye povrezhdeniya neftebenzinovykh zheleznodorozhnykh tsistern − fotosnimki, skhemy [Operational damages of rail tanks - photo-pictures, schemes]. Moscow, MIIT Publ., 1998. 55 p.

Floudas C.A., Pardalos P.M. Encyclopedia of Optimization. New York: Springer Science, 2009. 4246 p.

Glasers Annalen, 2000, no. 7, pp. 415-417.

Mohd Rapik Saat, Christopher P.L. Barkan. Generalized railway tank car safety design optimization for hazardous materials transport: Addressing the trade-off between transportation efficiency and safety. Journal of Hazardous Materials, 2011, vol. 189, issues 1-2, 15, pp. 62-68.

Rozvany G.I.N. Aims, scope, methods, history and unified terminology of computer-aided topology optimization in structural mechanics. Structural and Multidisciplinary Optimization, 2001, no. 21, pp. 90-108.

#### GOST Style Citations

1. Беспалько, С. В. Оценка влияния параметров днища на напряженное состояние котла цистерны / С. В. Беспалько, В. И. Богачев // Наука та прогрес трансп. Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. – 2013. – № 1 (43). – С. 133−138.

2. Вагон – цистерна для бензина других светлых нефтепродуктов, модель 15-1443-06. Котел. Расчет на прочность, 1443.01.000 – 11 РР6. Отчет ГСКТИ СКБ ВС, 2002 г. – 31 с.

3. Винарский, М. С. Планирование эксперимента в технологических исследованиях / М. С. Винарский, М. В. Лурье. – К. : Техника, 1975. – 168 с.

4. Ермаков, С. М. Математическая теория оптимального эксперимента / С. М. Ермаков, А. А. Жиглявский. – М. : Наука, 1987. – 320 с.

5. Ермуратский, П. В. Симплексный метод оптимизации / П. В. Ермуратский // Труды МЭИ. – М., 1967. – Вып. 67. – С. 29.

6. Ждамаров, В. С. Исследование напряженного состояния оболочки котла железнодорожной цистерны от локальных нагрузок : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.05.01 / Владимир Степанович Ждамаров ; МИИТ. – М., 1980. – 23 с.

7. Исследования по изысканию новых конструктивных схем четырехосных вагонов–цистерн с целью снижения их металлоемкости : отчет о НИР (заключ.) / Всесоюз. науч.–исслед. ин-т вагоностроения (НИИВ) ; рук. Лагута В. С. – Кременчуг, 1985. − Ч. I. – 63 с. − № ГР 01840013267. − Инв. № 02850060917.

8. Костриця, С. А. Оптимизация несущей конструкции планировщика балластной призмы СПЗ-5/UA / С. А. Костриця, Б. М. Товт // Наука та прогрес трансп. Вісн. Дніпропетр. нац. ун-ту залізн. трансп. – 2013. – № 2 (44). – С. 106−117.

9. Лагута, В. С. Анализ конструктивных вариантов вагонов–цистерн. Развитие конструкций вагонов. Анализ результатов испытаний и эксплуатации / В. С. Лагута, А. В. Донченко, Ю. Я. Водянников // Сб. науч. тр. НИИвагоностроения. – 1988. – С. 58–64.

10. Нерубайло, Б. В. Локальные задачи прочности цилиндрических оболочек / Б. В. Нерубайло. – М. : Машиностроение, 1983. – 248 с.

11. Павлюченков, М. В. Дослідження конструктивних варіантів опор залізничних цистерн для перевезення рідких вантажів / М. В. Павлюченков // Пробл. та перспективи розв. залізн. трансп. : тез. доп. 70 Міжнар. наук.-практ. конф. / ДНУЗТ. − Д., 2010. – С. 81−82.

12. Павлюченков, М. В. Информационные технологии расчета и проектирования вагона-цистерны на статические и ударные нагрузки / М. В. Павлюченков // Інформ.-керуючі системи на залізн. трансп. : наук.-техн. журн. – 2010. – № 3. – С. 30–36.

13. Павлюченков, М. В. Комп'ютерна модель вагона-цистерни / М. В. Павлюченков // Рухомий склад з-ць та госп-во : зб. наук. пр. / УкрДАЗТ. − Х., 2008. − Вип. 86. – С. 111−117.

14. Пат. 72134 Україна, МПК B 61 D 5/06. Пристрій для кріплення котла залізничної цистерни на рамі ходової частини / Павлюченков М. В. ; заявник та патентовласник Українська державна академія залізничного транспорту. – № u2012 00495 ; заявл. 16.01.2012 ; опубл. 10.08.12, Бюл. № 15. – 4 с.

15. Статистическая информация о повреждениях железнодорожных нефтебензиновых цистерн - обработка с помощью СУБД MS ACCESS / МИИТ. − М., 1998. − 24 с.: ил. − Деп. в ЦНИИТЭИ МПС, 03.03.98, № 6153 жд-98.

16. Эксплуатационные повреждения нефтебензиновых железнодорожных цистерн − фотоснимки, схемы / МИИТ. − М., 1998. − 55 с.: ил. − Деп. в ЦНИИТЭИ МПС, 03.03.98, № 6154 жд-98.

17. Floudas, C. A. Encyclopedia of Optimization / C. A. Floudas, P. M. Pardalos. – New York : Springer Science, 2009. – 4246 p.

18. Glasers Annalen. − 2000. − № 7. − P. 415–417.

19. Mohd, R. S. Generalized railway tank car safety design optimization for hazardous materials transport: Addressing the trade-off between transportation efficiency and safety / R. S. Mohd, Barkan P. L. Christopher // J. of Hazardous Materials. − 2011. − Vol. 189. − Iss. 1–2, 15. − P. 62–68.

20. Rozvany, G. I. N. Aims, scope, methods, history and unified terminology of computer-aided topology optimization in structural mechanics / G. I. N. Rozvany // Structural and Multidisciplinary Optimization. – 2001. – № 21. – P. 90–108.