A numerical model to predict train induced vibrations and dynamic overloads - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2013

A numerical model to predict train induced vibrations and dynamic overloads

Résumé

A numerical model to predict train induced vibrations is presented. The dynamic computation considers mutual interactions in vehicle/track coupled system by means of a finite and discrete elements method. The vehicle is modeled by 7 bi-dimensional rigid elements representing: the body, the two boogies and the four wheels. The railway is discretized as finite Timoshenko beam elements. Axial deformation is assumed insignificant. The substructure is made-up of: rail-pads, sleepers, ballast, and background. Rail-pads are modeled as spring/damper couples without mass and sleepers are modeled as rigid elements. The rail-sleeper contact is assumed extended to a connection-area, rather than a single point assumption. To model this area many spring/damper couples are disposed along the length of sleepers. The ballast is modeled as blocks of mass made-up of rigid elements, connected to sleeper by spring/damper couples. To allow the transmission of vibrations in longitudinal direction too, spring/damper couples connect ballast elements horizontally. The dynamic interaction between the wheel-sets and the rail is accomplished by using the non-linear Hertzian model with hysteresis damping. The rail defects and the case of out-of-round wheels are considered too. A modal analysis of supporting structure is done to validate the substructure model comparing it to experimental data. Comparisons between numerical results of our model, experimental data and numerical results of others literature models are done on contact-force, rail accelerations and sleepers accelerations to validate the coupled vehicle/track system. Moreover a modal analysis of the coupled vehicle/track system is done to analyse the relationship between resonance frequencies, train velocities and ballast displacements. A sensitivity analysis is done to evaluate the variables more affecting the maintenance costs. The parameters more conditioning the ballast maintenance costs are the ballast modulus and the train mass. The effects of train velocity on the ballast displacements are analysed in relationship with substructure properties. A new formulation to evaluate the railway toll connected to ballast wear is introduced. A new interpretation of the critical velocity in the range 100 -- 300 kmh-1 is proposed.
Ces dernières années les états membres de la communauté européenne ont entrepris une campagne dont l'objectif est le développement du réseau ferroviaire européen. Les plus grands changements induis par cette campagne sont la libéralisation du marché du trafic ferroviaire, l'interopérabilité des infrastructures et la création d'un réseau de transport transeuropéen (RTE-T). Selon la classification européenne tous les trains qui dépassent la vitesse de 250 kmh1 sont considérés "à grande vitesse". Durant les cinquante dernières années le développement technologique du train et des infrastructures ferroviaires ainsi que la rapide augmentation des vitesses en ligne ont provoqué une forte augmentation du besoin d'outils numériques pour la conception des infrastructures et des véhicules. Les objectifs principaux de nos travaux sont de deux ordres. Le premier est de contribuer à faire progresser les méthodes numériques, en développant un outil rapide et simple, capable de simuler les principaux comportements physiques. Le second est d'étudier, de comprendre et de décrire deux phénomènes particuliers : la vitesse critique et le tassement du ballast. La thèse est composée de deux parties. Dans la première partie on montre le modèle numérique adopté pour simuler le système véhicule/infrastructure. Les premiers chapitres sont dédiés, chacun, à la modélisation d'un composant du système véhicule/infrastructure : le véhicule, le rail, les attaches, les traverses et le ballast. Chaque chapitre se présente selon le schéma suivant. Au début on présente l'état de l'art des modèles utilisés pour décrire le composant introduit. Ensuite on présente les équations du mouvement pour chaque corps assemblés sous forme matricielle. Enfin on discute le choix des paramètres physiques adoptés. Un chapitre est dédié à la modélisation des défauts des roues et du rail. Enfin, le dernier chapitre de la première partie propose deux algorithmes finalisés pour résoudre les équations du mouvement.
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Dates et versions

tel-00842993 , version 1 (10-07-2013)
tel-00842993 , version 2 (10-07-2014)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00842993 , version 1

Citer

Riccardo Ferrara. A numerical model to predict train induced vibrations and dynamic overloads. Structural mechanics [physics.class-ph]. Université Montpellier II - Sciences et Techniques du Languedoc; University of Reggio Calabria, 2013. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00842993v1⟩
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