Développement de modèles d’essieu ferroviaire en interaction dynamique avec la voie

Development of railway wheelset models in dynamic interaction with track

• Auteur / Autrice : Mustapha Afriad
• Direction : Mohamed Rachik
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique Numérique : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 13/12/2018
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Modèles réduits

Mécanique du contact

Contact de roulement

Usure (mécanique)

Assemblages (technologie)

Dynamique

Technique ferroviaire

Roues

Rails

Voies ferrées

Chemins de fer

Essieux

Éléments finis, Méthode des

Systèmes mécaniques articulés

Mots clés libres

Modèles multi-corps du véhicule et de la voie ferroviaire

Réduction de modèle

Essieu flexible

Rail flexible

Usure ondulatoire

Méplat de roue

Joint de rail

Multibody models of vehicle and track

Finite element method

Model reduction

Flexible wheelset

Flexible rail

Rail corrugation

Wheel flat

Rail joint

Railroad engineering

Résumé

Jusqu'à présent les modèles multi-corps d'interaction véhicule-voie ferroviaire utilisent principalement des composants rigides. De tels modèles présentent l’avantage d’un nombre de degrés de liberté limité permettant de réaliser des calculs en temps réel à basses fréquences. En revanche, ils ne permettent pas de prédire avec suffisamment de précision les spectres des efforts de contact roue-rail en raison de l’hypothèse d’éléments rigides qui est assez forte. Aussi ces modèles gagneraient à être améliorés en prenant en considération la flexibilité des éléments. Ceci est possible grâce au couplage éléments finis – dynamique multi-corps. Les travaux réalisés dans le cadre de cette thèse ont pour objectif, l’amélioration des prédictions des efforts d’interaction véhicule-voie par intégration d’essieux et de rails flexibles dans les modèles multi-corps du véhicule et de la voie. Des modèles éléments finis des essieux et de la voie ont été développés et couplés au modèle global de la dynamique multi-corps via des méthodes de réduction de modèles afin de gagner en précisions tout en limitant le nombre de degrés de libertés. Différentes configurations des modèles multi-corps du véhicule et de la voie avec des essieux et des rails flexibles ont été explorées afin d’évaluer les effets de la flexibilité des éléments sur les prédictions des efforts de contact. Les premiers modèles sont réalisés avec des essieux flexibles roulant sur une voie théorique parfaite sans défauts avec des rails rigides en alignement puis en courbe. Ces modèles ont été ensuite modifiés afin d’intégrer la flexibilité des rails ainsi que des excitations générées par les défauts des roues et des rails (usure ondulatoire, méplat de roue et joint de rail).

Multibody models for the study of the vehicle-track interaction used by railway companies consider mainly rigid components. These models are characterized by small number of degrees of freedom allowing real time calculations in low frequency ranges, but these models do not properly estimate real interaction forces because of the strong hypothesis of the components rigidity. These models need to be improved by taking into account the components flexibilities by coupling finite elements analysis with multibody dynamics simulations. The main objective of this study is to develop the multibody models of a railway vehicle and track with flexible wheelsets and flexible rails in order to improve the prediction of vehicle-track interaction forces. Finite element models of wheelset and track are developed and reduced using model reduction methods to reduce their number of degrees of freedom before their integration in the multibody models. Different configurations of vehicle and track models with flexible wheelsets and flexible rails are considered to evaluate the effect of components flexibilities on the contact forces. The first models are made of flexible wheelsets rolling on a perfect track with rigid rails in alignment and curve without irregularities. Then, these models are improved by integration of flexible rails and excitations involved by the rail and the wheel irregularities (rail corrugation, wheel flat and rail joint).