
Локомотив SD70ACe
Компания Electro-Motive Diesel (EMD) является крупнейшим в мире производителем электродизельных локомотивов для коммерческого железнодорожного транспорта, включая грузовые перевозки, междугороднее и пригородное пассажирское сообщение. С начала 30-х годов компания выпустила более 58 тыс. локомотивов для потребителей из более чем 70 стран. Кроме того, EMD поставляет по всему миру судовые дизельные двигатели, приводы для морских и наземных нефтедобывающих буровых установок, а также стационарные газотурбинные двигатели. Штаб-квартира, конструкторское бюро и основные производственные мощности EDM расположены в г.Лагранж (шт.Иллинойс, США). Но окончательная сборка локомотивов проводится в Лондоне (провинция Онтарио, Канада). Отсюда изделия отгружаются заказчикам.
Одна из главных новинок компании — электровоз переменного тока SD70ACe с силой тяги порядка 698 кН (тс), что позволяет эксплуатировать его для вождения грузовых поездов, а также высокоскоростных поездов при перевозке контейнеров. Возможен вариант исполнения для работы на железнодорожных путях, электрифицированных на постоянном токе.
Компания EMD был вынуждена приступить к разработке локомотива SD70ACe, чтобы сохранить позиции лидера отрасли. В новом электропоезде должны были сочетаться требования эффективности, надежности, экономичности топлива, безопасности и эргономичности.
Локомотивы должны оставаться безопасными и экономичными на протяжении многих десятилетий, перевозя тяжелые грузы в суровых условиях при минимальных простоях. Большинство машин накручивает миллионы километров уже за первые шесть лет эксплуатации. Срок их службы составляет приблизительно 30 лет, причем некоторые узлы и агрегаты работают и свыше 50 лет. Главной проблемой является долговечность деталей, подверженных многоцикловой усталости от неустранимых динамических нагрузок.

С помощью ANSYS была подтверждена несущая способность всех подкрепляющих конструкций на растягивающие и сжимающие ударные нагрузки в 1 млн фунтов
Достижение этих целей при сокращении цикла разработки и максимально ускоренном выходе на рынок чрезвычайно важны для производителя локомотивов. Однако эти большие и сложные машины требуют длительных и дорогостоящих натурных испытаний. Отдельные компоненты и сборочные узлы отличаются массивностью, для их перемещения требуется тяжелое подъемно-транспортное оборудование. Например, стальная конструкция несущей рамы размером 21,3x3x0,61 м, соединяющая колесные пары с корпусом локомотива, весит около 33,5 т.
На заключительном этапе транспортные средства проходят испытания на железнодорожном полигоне Министерства транспорта США.
Подобные тесты весьма дорогостоящие, и заказывать их нужно заблаговременно. Проблемы, выявленные во время испытаний, могут потребовать существенных доработок конструкции и дополнительных испытаний, что, в свою очередь, повлечет за собой экспоненциальный рост затрат и существенное увеличение срока выпуска готового изделия.
Компания EMD нашла выход из этой ситуации: она применила средства CAE на всех этапах проектирования, начиная со стадии эскизного проекта. Расчеты проводились для полноразмерной 3D-модели локомотива, включающей основные узлы и агрегаты. Благодаря этому EDM удалось свести к минимуму объем натурных испытаний, сократить цикл разработки и оптимизировать конструктивные характеристики электровоза SD70ACe.

Полная трехмерная КЭ-модель локомотива SD70ACe
Программный комплекс ANSYS Mechanical стал ключевым инструментом реализации этой стратегии моделирования. Например, перед изготовлением несущей рамы в металле компания EMD с помощью ANSYS провела проверку, выдержит ли эта крупногабаритная конструкция при минимизации ее массы растягивающие и сжимающие ударные нагрузки, отвечающие техническим условиям.
ANSYS использовался также для детального анализа динамики подвески, изолирующего крепления кабины и других подсистем в условиях вибрации. Кроме того, он применялся при разработке таких узлов двигателя локомотива, как картер, головки цилиндров, шатуны и другие детали, задействованные в возвратно-поступательном движении.
На протяжении всего цикла разработки SD70ACe конструкторы и расчетчики тесно сотрудничали между собой, поэтому инженеры могли в первом приближении анализировать отдельные детали на ранних стадиях проектирования и оперативно вносить в них изменения.
В повседневной работе группа расчетчиков использовала компьютеры HP X-класса. Полная модель локомотива прогонялась на рабочих станциях HP J6000 под управлением ОС UNIX.
Повсеместное применение ANSYS на протяжении всего цикла проектно-конструкторс- ких работ позволило компании EMD выпустить SD70ACe точно в срок и в пределах выделенных средств. Исследуя альтернативные варианты, расчетная группа могла принимать обоснованные решения, к примеру добиваясь компромиссов между требованиями к жесткости, массе и собственным частотам.
Проведенные расчеты сыграли ключевую роль в повышении топливной экономичности изделия при сохранении долговечности и обеспечении комфортных условий для машиниста за счет повсеместного снижения вибрации. Новое изделие построено на базе надежных локомотивов EMD, которые приводят в движение тяжеловесные составы на железных дорогах всего мира.
Сейчас компания EMD поставила 20 локомотивов SD70ACes корпорации CSX и заканчивает выпуск партии из 115 локомотивов для железной дороги Union Pacific Railroad. Кроме того, корпорация BHP Billiton Iron Ore Pty. Ltd заказала 14 локомотивов для горных работ на северо-востоке Австралии.
В США 16 машин приобрела транспортная компания Montana Rail Link (MRL). Ею были проведены испытания электровоза SD70ACe для вождения тяжеловесных составов и подтверждена топливная экономичность. Выигрыш составил более 20%.
«Нам не удалось бы создать конкурентоспособную конструкцию локомотива без широкого применения CAE-технологии, начиная с формулировки концепции и заканчивая выпуском в производство, — заявил руководитель расчетного отдела компании EMD R. Thomas Scott. — Натурные испытания этих больших и сложных конструкций должны быть сведены к минимуму, и нам удалось это благодаря технологии численного моделирования, что позволило сориентировать проектные работы в нужном направлении, проверить, выполняются ли технические условия, и оценить окончательный вариант».