Bidaiari-trenen esekidura pneumatikoaren karakterizazio eta modelizazio dinamikoa.

Abstract

An essential benefit of using virtual homologation in railway vehicles is the reduction of the high costs associated with on-track tests, which can be reached by analysing the performance of a railway vehicle under various operating conditions and, thus, by enhancing the vehicle’s design so as to optimise its performance under particular circumstances. In fact, as railway vehicle speed increases, the vehicle’s dynamic performance is affected. This demands the development of validated and accepted models that incorporate the influence of all vehicle components, including the wheel-rail contact, bogie frame, suspension elements, carbody, etc. In order to ensure comfortable trips the secondary suspension system aims to reduce and mitigate the vibration transmission. This suspension element is a complex component composed by a pressurized reinforced elastomeric bellows, which lies into a rubberlike emergency spring, connected though a pipeline or an orifice to a reservoir. In this thesis, the viability of the current secondary suspension models into higher frequencies and different working directions is investigated. Where necessary, new models are proposed to extend the frequency range up to 200 Hz (structural-borne vibration transmission frequency range) or incorporate existing non-linearities. Firstly, the available modelling techniques of air spring type pneumatic suspensions are evaluated according to the frequency range they cover, the component number included (bellows, pneumatic system, full secondary system) and the nonlinearities they can account for. FEM models arise as the most suitable modelling technique for the non-linear multidirectional and multiphysic and high frequency range replica of the secondary suspension system. After all, the suspension system is composed by several elements, including mainly a rubber-cord composite bellows, a rubberlike emergency spring and a moving air mass inside the pneumatic system, which results in a highly non-linear suspension element. One aspect that has been covered is the implementation into FEM models of non-linear behaviour of rubberlike elements (the nearly incompressible behaviour, non-linear elasticity, frequency and excitation-amplitude dependencies), the need of experimental characterization and model calibration. Secondly, the singularities of the bellows, the pneumatic system and the full secondary suspension are investigated separately. As far as the air spring is concerned, a bellows’s FEM model developed in ABAQUS is proposed, which is validated with experimental data. It incorporates the uniaxial reinforcements, the coupling between internal pressure and structural deformation, and the polytropic heat exchange definition between the inner air and the environment. Moreover, based on four surface response functions of the axial and transversal static stiffness and first axial and transversal vibration modes, which are function of seven construction parameters, a design tool is suggested. As an interesting outcome, the suspension system shows vibration modes bellow 200 Hz, in the frequency range which structure-borne vibration transmission takes place. Afterwards, the axial dynamic stiffness of the pneumatic suspension, more precisely of a single-lobe air spring connected to a reservoir via a pipeline is investigated, up to 400Hz. After carrying out an exhaustive experimental campaign, an enhanced FEM model is developed which incorporates the resonances due to the air flow between the bellows and the reservoir, the resonances due to the formation of standing waves in the pipeline and the resonances due to structural dynamics of the bellows. Up to date, available modelling techniques disregard the effect of the auxiliar volume (reservoir and pipeline) above 20 Hz. Nevertheless, this research shows, although that in a lesser extent, it modifies the dynamic performance of the suspension system. In addition, structural modes of the air spring can compromise the isolation above 20 Hz. Finally, a non-linear multiphysic FEM model of the full secondary suspension element, which incorporates the emergency spring to the pneumatic system is developed. Static and dynamic results up to 20 Hz of the FEM model are compared with available experimental data and afterwards, the model is extended up to 300 Hz. The dynamic performance of the suspension system in a pure axial, pure transversal or pure roll movements is predicted. In the three directions the model also predicts resonance frequencies below 200 Hz, which might compromise the isolation. As an application, based on the developed FEM model and with the advantage of avoiding any experimental test, the input parameters of the secondary suspension system model of multibody simulations are derived.

Tren-ibilgailuetan homologazio birtuala erabiltzearen onura nagusienetarikoa errailetan bertan burututako saiakuntzekin loturiko kostuak murriztean datza, lan baldintza ezberdinetan ibilgailuaren portaera aztertuz, eta honela, errendimendua hobetze aldera trenaren diseinua optimizatuz. Azken finean, trenaren abiadura handitu ahala, ibilgailuaren errendimendu dinamikoa kaltetu eginen da. Honela, ibilgailuaren elementu guztien eragina barne hartzen dituzten baliozkotutako eta onartutako ereduak garatzea beharezkoa da, besteak beste, errail-gurpil kontaktua, bogiearen bastidorea, esekidura-elementuak, kaxa eta abar. Bidaietan erosotasuna bermatzeko, esekidura-sistema sekundarioaren helburua bibrazioen transmisioa murriztea eta arintzea da. Esekidura-elementu hori elementu konplexua da, zuntzez irmoturiko hauspo elastomeriko presurizatu batez osatua, kautxu-motako larrialdimalguki batean ezartzen dena, hodi edo zulo baten bidez andala batera konektatzen dena. Doktorego tesi honek, maiztasun altuagoetan eta lan-norabide desberdinetan esekidura sekundarioaren egungo ereduen bideragarritasuna ikertzen du. Maiztasun-tartea 200 Hz-raino handitu behar denerako (egiturak transmititutako bibrazioen transmisio-maiztasuna) edo ez-linealtasunak gehitu behar direnerako eredu berriak proposatzen dira. Lehenik, hauspo motako esekidura pneumatikoak modelizatzeko dauden teknikak aplikagarri diren maiztasun-tartearen, elementu-kopuruaren (hauspoa, sistema pneumatikoa, esekidura sistema osoa) eta azal ditzaketen ez-linealtasunen arabera ebaluatu dira. FEM ereduak norabide zein fisika ezberdinetarako, ez-linealtasunak barneratzeko eta maiztasun altuko maiztasun tartea definitzeko modelizazio - teknikarik egokiena dirudite. Azken finean, esekidura-sistema hainbat elementuk osatzen dute; zuntzez irmoturiko kautxu motako hauspo konposatu batek, kautxuzko larrialdi-malguki batek eta sistema pneumatikoaren barruan mugitzen ari den airemasa batek, bereziki. Ondorioa, esekidura-elementu ez-lineal konplexu bat izatea da. Lan honetan, kautxu-erako elementuen portaera ez-lineala (konprimaezintasuna, elastikotasun ez-lineala, eta kitzikatze maiztasunaren eta anplitudearen mendekotasunak) FEM ereduetan nola inplementatu jorratu da, beharrezko saiakuntzak eginez eta ereduaen kalibrazio burutuz. Bigarrenik, hauspoaren, sistema pneumatikoaren eta esekidura sekundario osoaren berezitasunak zatika ikertu dira. Hauspoari dagokionez, ABAQUSen garatutako eta saiakuntzen datuekin baliozkotutako hauspoaren FEM eredu bat proposatu da. Ereduak errefortzu uniaxialak, barne-presioaren eta deformazio-estrukturalaren arteko akoplamendua, eta barneko airearen eta ingurunearen arteko bero-truke politropikoaren definizioa biltzen ditu. Hortaz gain, diseinu-erraminta gixa zazpi eraikuntza-parametroren funtzio diren zurruntasun estatiko axial eta zeharkakoa eta lehen maiztasun axial eta zeharkakoen lau erantzun-azalera funtzio ondorioztatu dira. Esekidura-sistemak 200 Hz-tik beherako bibrazio-moduak erakusten ditu, bibrazioen transmisio estrukturala gertatzen den maiztasun-tartean zehazki. Ondoren, lobulu bakarreko hauspo bat hodi bidez andalari konektatuz, 400 Hz bitarte esekidura pneumatikoaren zurruntasun axiala ikertu da. Saiakuntza kanpaina sakon baten ostean, FEM eredu aurreratu bat garatu da, hauspoaren eta andalaren arteko aire-fluxuaren ondoriozko erresonantziak, hodian emanan diren uhin geldikorren ondoriozko erresonantziak eta hauspoen egiturazko dinamikaren ondoriozko erresonantziak biltzen dituena, zehazki. Orain arte eskuragarri dauden modelizazio-teknikek ez dute bolumen gehigarriak (andalak eta hodiak) 20 Hz-tik gora duen eragina barne hartzen. Hala ere, ikerketa honek neurri txikiagoan bada ere, esekidura-sistemaren portaera dinamikoa aldatzen dutela agerian utzi du. Gainera, hauspoaren egitura-erresonantziek 20 Hz-tik gorako isolamendua arriskuan jar dezakete. Azkenik, sistema pnaumatikoari larrialdi malgukia gehituz, esekidura sekundario osoaren FEM eredu multifisiko ez-lineal bat garatu da. FEM ereduaren emaitza estatikoak eta 20 Hz bitarteko dinamikoak eskuragarri dauden saiakuntza datuen bidez balioztatu dira, eta ondoren, eredua 300 Hz-raino zabaldu da. Mugimendu axial puru, zeharkako nahiz biraketa mugimenduen aurream esekidura-sistemaren portaera dinamikoa ebaluatu da. Hiru norabideetan, ereduak 200 Hz-tik beherako erresonantzia-maiztasunak aurreikusten ditu, isolamendua arriskuan jar lezaketenak. Aplikazio gisa, FEM eredua oinarri hartuta eta saiakuntzak ekidinez, gorputzanitzeko simulazioetan erabili ohi diren esekidura sekundarioaren ereduen sarrera balioak ondorioztatu dira.

Un gran beneficio del uso de la homologación virtual en vehículos ferroviarios es la reducción de los altos costos asociados con las pruebas en la vía, lo que se puede lograr analizando el comportamiento de un vehículo ferroviario en varias condiciones de operación y, por lo tanto, mejorar así su diseño para optimizar su rendimiento en circunstancias particulares. De hecho, a medida que aumenta la velocidad del tren, el rendimiento dinámico del vehículo se ve afectado. Esto exige el desarrollo de modelos validados y aceptados que incorporen la influencia de todos los componentes del vehículo, incluyendo el contacto rueda-carril, el bastidor del bogie, los elementos de suspensión, la carrocería, etc. Para garantizar la comodidad en los viajes, el sistema de suspensión secundaria tiene como objetivo reducir y mitigar la transmisión de vibraciones. Este elemento de suspensión es un elemento complejo compuesto por un fuelle elastomérico reforzado y presurizado, que descansa en un resorte de emergencia similar al caucho, conectado a través de una tubería o un orificio a un depósito. En esta tesis se investiga la viabilidad de los modelos actuales de suspensión secundaria en frecuencias más altas y diferentes direcciones de trabajo. Se proponen nuevos modelos para cuando sea necesario ampliar el rango de frecuencia hasta 200 Hz (rango de frecuencia de transmisión de vibraciones transmitidas por la estructura) o incorporar las no linealidades existentes. En primer lugar, se evalúan las diferents técnicas de modelización de suspensiones neumáticas de tipo fuelle disponibles de acuerdo con el rango de frecuencia que cubren, el número de componentes incluidos (fuelle, sistema neumático, sistema secundario completo) y las no-linealidades que pueden explicar. Los modelos FEM surgen como la técnica de modelización más adecuada para la réplica no-lineal multidireccional, multifísica y capaz de cubrir el rango de alta frecuencia del sistema de suspensión secundaria. Al fin y al cabo, el sistema de suspensión está compuesto por varios elementos, que incluyen principalmente un fuelle de material compuesto de tipo caucho reforzado, un resorte de emergencia también de caucho y una masa de aire en movimiento dentro del sistema neumático, lo que da como resultado un elemento de suspensión altamente no lineal. Un aspecto que se ha cubierto es la implementación en modelos FEM del comportamiento no lineal de elementos similares al caucho (el comportamiento casi incompresible, la elasticidad no-lineal, y las dependencias de la frecuencia y la amplitud de excitación), la necesidad de caracterización experimental y la calibración del modelo. En segundo lugar, se han investigado las singularidades del fuelle, el sistema neumático y la suspensión secundaria completa por separado. En cuanto a la cámara de aire, se propone un modelo FEM de fuelle desarrollado en ABAQUS y validado con datos experimentales. El modelo incorpora los refuerzos uniaxiales, el acoplamiento entre la presión interna y la deformación estructural, y la definición de intercambio de calor politrópico entre el aire interior y el ambiente. Además, basándose en cuatro funciones de superficie respuesta de la rigidez estática axial y transversal y los primeros modos de vibración axial y transversal, que son función de siete parámetros de construcción, se sugiere una herramienta de diseño. Como resultado interesante, el sistema de suspensión muestra modos de vibración por debajo de los 200 Hz, en el rango de frecuencia en el que se produce la transmisión estructutal de vibraciones. Posteriormente, se investiga la rigidez dinámica axial hasta 400 Hz de la suspensión neumática, más precisamente de un resorte neumático de un solo lóbulo conectado a un depósito a través de una tubería. Tras realizar una exhaustiva campaña experimental, se desarrolla un modelo FEM avanzado que incorpora las resonancias debidas al flujo de aire entre el fuelle y el depósito, las resonancias debidas a la formación de ondas estacionarias en la tubería y las resonancias debidas a la dinámica estructural de los fuelles. Hasta la fecha, las técnicas de modelización disponibles ignoran el efecto del volumen auxiliar (depósito y tubería) por encima de 20 Hz. Sin embargo, esta investigación muestra, que aunque en menor medida, modifican el comportamiento dinámico del sistema de suspensión. Además, los modos estructurales del fuelle pueden comprometer el aislamiento por encima de 20 Hz. Finalmente, se desarrolla un modelo FEM multifísico no lineal del conjunto completo de la suspensión secundaria, que incorpora el resorte de emergencia al sistema neumático. Los resultados del modelo FEM estáticos y dinámicos hasta 20 Hz se comparan con los datos experimentales disponibles y, posteriormente, el modelo se amplía hasta 300 Hz. Se predice el comportamiento dinámico del sistema de suspensión en movimientos axiales puros, transversales puros o de balanceo puro. En las tres direcciones el modelo también predice frecuencias de resonancia por debajo de 200 Hz, lo que podría comprometer el aislamiento. Como aplicación, basándose el modelo FEM desarrollado y con la ventaja de evitar cualquier prueba experimental, se derivan los parámetros de entrada del modelo del sistema de suspensión secundaria en las simulaciones multicuerpo.