Modeling complex contact mechanics in railway vehicles for dynamic reliability analysis and design

Abstract

O uso de metodologias computacionais para estudar o comportamento dinâmico de veículos ferroviários é cada vez mais comum, pois permite analisar o desempenho do veículo numa dada via, ajudar a projetar sistemas de suspensão, travagem ou tração, estudar o dano dos componentes, entre outros. Neste tipo de ferramentas, a modelação da interação do veículo com a via, traduzindo-se no contacto entre as rodas e os carris, tem particular importância. Posto isto, o presente trabalho visa desenvolver métodos computacionais que permitam uma análise mais detalhada do contacto propondo avanços relativos aos métodos existentes na literatura. Para a deteção de contacto entre a roda e o carril, foi desenvolvida uma abordagem tridimensional para identificação dos pontos de maior interferência, na qual as geometrias da roda e do carril são definidas como superfícies paramétricas. Este método tira partido do facto de a roda ser um corpo de revolução e o carril uma superfície de arrastamento, permitindo identificar o contacto entre perfis gerais, sem a necessidade recorrer a simplificações que evitem a existência de uma zona côncava na roda, isto é, permite a abordagem de contacto entre superfícies conformes. Nas abordagens atuais ao problema do contacto roda-carril, assume-se que a área de contacto é plana, contudo, essa hipótese deixa de ser válida para contactos onde exista alguma conformidade. Nesse sentido, foi desenvolvida uma metodologia para a determinação de uma zona de contacto curva em que a direção normal à superfície de contacto varia ao longo da mesma. Este método permite evitar descontinuidades no cálculo das forças de contacto normais como é aqui demonstrado em diversos casos de teste para o contacto estático entre rodas e carris. A avaliação das forças de contacto tangencial é determinante na interação roda-carril, sendo aqui proposta a utilização de tabelas de pesquisa para o cálculo dessas forças para permitir a diminuição do tempo de cálculo. Neste caso, uma tabela de procura com cinco varáveis de entrada, que considera uma região de contacto definida por uma dupla elipse, é utilizada para estudar o erro de interpolação devido à sua discretização. Com a metodologia proposta é possível estudar a exatidão da tabela de pesquisa sendo, neste processo, apresentadas duas versões melhoradas desta tabela, com minimização de erro ou com minimização da sua dimensão. O modelo multicorpo de uma carruagem do Metro de Lisboa é utilizado para demonstrar as metodologias desenvolvidas neste trabalho através da realização de análises dinâmicas em condições de operação. A cinemática do veículo, a localização dos pontos de contacto, as forças de contacto e as variáveis de entrada da tabela de procura são analisados em detalhe. Os resultados mostram que a utilização de perfis de rodas realistas em detrimento de perfis simplificados tem um impacto significativo na dinâmica do veículo e no tipo e número de contactos desenvolvidos. Da mesma forma, o uso de modelos não-Hertzianos para o cálculo das forças de contacto também tem uma influência considerável no comportamento dos veículos ferroviários relativamente às abordagens correntes.

The use of computational tools to study the dynamic behavior of railway vehicles has been increasing due to its wide range of applications, namely to assess the performance of a vehicle in given track, design suspension, traction or braking systems, analyze the damage of components, among others. In this context, the vehicle-track interaction, which consists of the contact between wheels and rails, plays an important role. Thus, the present work aims to develop computational methodologies which allow a more detailed contact modeling presenting advances over the models available on the literature. In what concerns the contact detection between wheel and rail, a three-dimensional approach to identify the main contact points between wheel and rail was established. This methodology treats both geometries as parametric surfaces and takes advantage of the fact that the wheel is a revolution body and the rail is a sweep surface. Moreover, this allows to determine the contact between general surfaces, without using a simplified wheel profile which avoids the concave region, i.e., it treats the contact between conformal surfaces. In the current approaches to deal with wheel-rail contact, a planar contact region is assumed, however, this hypothesis is violated in the presence of conformality. Hence, it was developed a methodology to evaluate a curved contact patch in which the normal direction to the contact surface varies over the contact area. This method avoids discontinuities on the normal contact force evaluation, as demonstrated here through some wheel-rail static cases. The evaluation of tangential contact forces is fundamental in the context of wheel-rail interaction and, in this work, the utilization of lookup tables for the calculation of these forces is proposed for sake of the reduction of calculation time. Thus, a lookup table with five input variables, in which the contact patch is regularized to a simple double-elliptical contact region, is utilized to study the interpolation error due to its discretization. According to the presented methodology, it is possible to study the accuracy of a given lookup table and, in this process, two enhanced versions of this table are presented, one with minimization of the interpolation error and other with minimization of its size. The dynamic analyses of a multibody model of a trailer vehicle from Lisbon subway system in operation conditions are utilized to validate the methodologies developed in this work. The kinematics of the vehicle, the location of the contact points, the contact forces and input variables of the lookup table are analyzed in detail. The results demonstrate that the use of realistic wheel profiles has a significant influence in the dynamic response of the vehicle and in the type of identified contacts. Similarly, it is shown that the utilization of non-Hertzian contact models for the evaluation of both normal and creep forces also influences the dynamics of railway vehicles when compared with current approaches.