Experimental and numerical analysis of nonlinear properties of rail fastening systems

par Yan Liu

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Honoré Yin.

Soutenue le 20-03-2015

à Paris Est en cotutelle avec Tongji university (Shanghai, Chine) , dans le cadre de École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015) , en partenariat avec Laboratoire Navier (Paris-Est) (laboratoire) et de Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205 (laboratoire) .

Le président du jury était Denis Duhamel.

Le jury était composé de Honoré Yin, Yanyun Luo, Songliang Lian, Rongying Shen, Xun Peng.

Les rapporteurs étaient Tianxing Wu, Qiang Guo.

  • Titre traduit

    Étude numérique et expérimentale des propriétés non linéaires des systèmes d’attache de rail


  • Résumé

    Le besoin en isolation vibratoire des voies ferrées conduit de plus en plus souvent au recours à des systèmes d'attache de rail souples avec des designs sophistiqués. Par contre, les produits deviennent diversifiés mais leur conception se fait de manière empirique dans la pratique. Dans ce travail de thèse, deux systèmes d'attache de rail sont étudiés expérimentalement et numériquement: un système qui travaille principalement en cisaillement et l'autre en compression. Des essais quasi-statiques et dynamiques sont menés puis les résultats sont analysés à l'aide de différents modèles mécaniques. En plus, une série de tests sur les élastomères utilisés dans les deux systèmes sont réalisés. Ces tests permettent de choisir des modèles hyperélastiques et viscoélastique appropriés, et de déterminer les paramètres de propriétés mécaniques des élastomères dans ces modèles par des simulations Abaqus. En utilisant également Abaqus, des analyses par élément fini des deux systèmes d'attache sont effectués et les résultats sont comparés aux ceux des essais. Des non-linéarités d'origine matérielle et géométrique sont ainsi analysées et expliquées. Enfin, des études de sensibilité des paramètres sont effectuées, suivies d'études d'optimisation structurale. Cet étude devrait être utile pour une meilleure compréhension du comportement mécanique des systèmes d'attache de rail sous chargement statique et dynamique, et au final pour une meilleure pratique dans la conception et l'optimisation des produits


  • Résumé

    Higher demand on vibration isolation of track structure in modern railway track leads to a trend of lower stiffness of rail fastening systems, places an increasing need for better design approach as well. However the current development status of rail fastening industry is dramatically diversified but mainly empirical. In this work, a shear type and a bonded compressed type of rail fastening systems are investigated experimentally and numerically. Quasi-static and dynamic experiments are carried out and the results are analysed with different mechanical models. Besides, a series of fundamental rubber material tests is performed to accurately describe the rubber material used in the two fastening systems. The most appropriate hyperelastic and hysteresis models are chosen with the help of simulations by Abaqus. Also by using Abaqus, finite element analyses are conducted for the two fastening systems and the numerical results are compared with those of experiments. Material and geometrical nonlinear features observed in the measured displacement-force curves are analysed and explained. Finally, parameter sensitivity of the two fastening specimens are studied, followed by an optimization process to meet practical optimization objectives. The present work is believed to be helpful for understanding the mechanical behavior of rail fastening systems, while enlightening the engineering practice, and eventually improving product designing and optimizing measures


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