Multibody modeling of railway vehicles and experimental validation

Abstract

La tesis titulada “Multibody modeling of railway vehicles and experimental validation”, y realizada por Javier Fernández Aceituno, se centra en la comparación de simulaciones eficientes de vehículos ferroviarios en vías de geometría arbitraria e irregular frente a resultados experimentales. La simulación de vehículos ferroviarios es una herramienta necesaria para mejorar tanto su diseño como el mantenimiento de las vías. Además, las simulaciones computacionalmente eficientes suponen una herramienta útil para poder ajustar rápidamente los parámetros numéricos y así poder reproducir fielmente el comportamiento dinámico de los vehículos. Por tanto, ésta tesis puede dividirse en dos apartados fundamentales y a continuación detallados: Modelos Computacionales y Experimentación. Por un lado, en el apartado de Modelos Computacionales se presenta una formulación matemática que está diseñada para el análisis cinemático y dinámico de vehículos y que está basada en los sistemas de referencia móviles de la trayectoria, es decir, sistemas de referencia que acompañan al movimiento del sólido objeto de estudio. En dicha formulación, se recoge principalmente el cálculo simbólico de las ecuaciones del movimiento de Newton-Euler que gobiernan el estudio de vehículos ferroviarios, la posible linealización de éstas mismas, tanto a nivel cinemático como a nivel dinámico, y el especial tratamiento dedicado al contacto rueda-carril, en donde a partir de un método con restricciones cinemáticas y no elástico, se desarrolla el empleo de tablas precalculadas que permiten dar, en términos de costo computacional, una eficiente solución al contacto rueda-carril. Igualmente, términos que son necesarios para la solución del contacto rueda-carril durante la integración de las ecuaciones del movimiento, como pueden ser, componentes del jacobiano de las restricciones y vectores geométricos relativos a las superficies que forman la rueda y el carril, se encuentran dentro de dichas tablas. De forma adicional, el desarrollo de estas tablas precalculadas permite considerar las irregularidades del trazado ferroviario, aumentando en sólo un grado de libertad el problema inicial, y mejorando de forma considerable la generalidad de la formulación. En relación a la parte experimental, la tesis doctoral incluye el diseño de un vehículo ferroviario a escala de 5 pulgadas de ancho de vía, junto con su instrumentación, hipótesis de partida, factores de escala con respecto a vehículos de tamaño real, y planos de fabricación. Adicionalmente, el vehículo a escala ha sido ensayado en un tramo ferroviario de 70 metros de longitud, cuya calidad geométrica ha sido detalladamente medida. El novedoso procedimiento de medición del trazado ferroviario así como el tratamiento experimental de los datos obtenidos para su inclusión de forma coherente según la formulación propuesta, conforman la parte experimental de la tesis doctoral.Tras la presentación de la parte teórica y experimental de la tesis, se realiza una comparación de los resultados obtenidos mediante el modelo teórico y los ensayos experimentales, realizándose una amplia discusión sobre los datos en desplazamientos, velocidades y fuerzas. Además, se realiza un análisis en frecuencia de los resultados experimentales y teóricos para valorar la precisión del modelo computacional propuesto en el rango de frecuencias en donde el modelo computacional es aplicable. Finalmente, la tesis concluye con un capítulo de conclusiones, líneas de trabajo futuro para mejorar la precisión computacional, y aportación científica del doctorando.