Estudio del comportamiento vibratorio de vías ferroviarias mediante simulación numérica

162 Pages·2017·11.11 MB·Spanish

by  Ayoub Zougari

TESIS
c o l e c c i ó n
DOCTORALES
INGENIERÍA / ARQUITECTURA
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO VIBRATORIO
DE VÍAS FERROVIARIAS MEDIANTE
SIMULACIÓN NUMÉRICA
Ayoub Zougari
Dirigida por Jordi Martínez Miralles
Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica
UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA
Barcelona, 2014
INGENIERÍA / ARQUITECTURA

COLECCIÓN
TESIS DOCTORALES

INGENIERÍA / ARQUITECTURA

ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO VIBRATORIO
DE VÍAS FERROVIARIAS MEDIANTE
SIMULACIÓN NUMÉRICA

Ayoub Zougari

Dirigida por Jordi Martínez Miralles

Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica

UNIVERSITAT POLITÈCNICA DE CATALUNYA

Barcelona, 2014
COLECCIÓN TESIS DOCTORALES
INGENIERÍA / ARQUITECTURA
La Fundación de los Ferrocarriles Españoles pone a disposición del público la
Colección de Tesis Doctorales sobre el ferrocarril, con el objetivo fundamental de
contribuir a la difusión de la investigación universitaria sobre esta materia y facilitar el
acceso libre y gratuito a las investigaciones de los autores, aportando así una
información muy valiosa y especializada y contribuyendo, al mismo tiempo, a la
preservación de estos trabajos. Con ello, además, se da visibilidad a esta producción
intelectual. La Fundación aspira a que su repositorio sea lo más amplio posible y que
estén representados en él todos los ámbitos de investigación del ferrocarril.
La Colección de Tesis Doctorales se clasifica en tres ramas, en función de su
temática:
- Ingeniería y Arquitectura
- Humanidades
- Economía y Regulación
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO VIBRATORIO DE VÍAS FERROVIARIAS
MEDIANTE SIMULACIÓN NUMÉRICA
El objetivo de esta tesis es aportar conocimiento sobre el problema del contacto rueda-
carril y la generación de vibraciones que comporta, desarrollando modelos numéricos
basados en el Método de Elementos Finitos (FEM). Para ello se ha utilizado el programa
comercial ANSYS 13 (ANSYS WB y el ANSYS APDL) para la creación de un modelo
numérico global, con el fin de analizar el comportamiento vibratorio de diferentes tipos
de vía. Finalmente, gracias a los resultados se llega a la conclusión de que la
metodología desarrollada es capaz de predecir la historia temporal de la fuerza normal
de contacto en diferentes localizaciones de los diversos tipos de vía estudiados.
Ayoub Zougari recibió su doctorado en Ingeniería Mecánica en la Universitat
Politècnica de Catalunya (Barcelona) en 2014. Sus intereses actuales de investigación
incluyen el análisis y la simulación de la generación y propagación de vibraciones
producidas por el tráfico ferroviario. Actualmente trabaja en posdoctorado con el Pr.
Jordi Martínez en la investigación del comportamiento vibratorio de las vías ferroviarias
utilizando la simulación numérica; recientemente el estudio se ha centrado en integrar
modelos numéricos que traten sobre el problema del contacto rueda-carril en tramos
curvos de diferentes tipos de vía.
ISBN: 978-84-947477-6-2
Depósito legal: M-11652-2018
Fundación de los Ferrocarriles Españoles – 2018
Coordinación editorial y maquetación: Lourdes Orozco
Torres Diseño de cubiertas: Belén Romeo
A la memoria de mi padre
A la memoria de nuestra hermana Safae Belghazi
A mi familia

Estudio del comportamiento vibratorio de vías ferroviarias mediante simulación numérica

ÍNDICE DE CONTENIDOS

AGRADECIMIENTOS ......................................................................................................... 9
RESUMEN ........................................................................................................................ 11
RESUM .............................................................................................................................. 13
ABSTRACT ....................................................................................................................... 15
RÉSUMÉ ........................................................................................................................... 17
1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 19
1.1. Motivación y antecedentes ............................................................................... 19
1.2. Objetivos ........................................................................................................... 20
1.3. Organización de la tesis .................................................................................... 22
2. ESTADO DEL ARTE ................................................................................................. 25
2.1. Introducción ....................................................................................................... 25
2.2. Dinámica del contacto rueda-carril ................................................................... 25
2.2.1. La teoría de Hertz .................................................................................. 26
2.2.2. Concepto del pseudodeslizamiento ....................................................... 28
2.2.3. La Teoría de Johnson y Vermeulen ....................................................... 30
2.2.4. La teoría lineal de Kalker ....................................................................... 30
2.2.5. La teoría simplificada de Kalker ............................................................. 31
2.2.6. La teoría exacta de Kalker ..................................................................... 32
2.3. Modelización de la fuerza de contacto ............................................................. 32
2.4. Modelización de la vía ...................................................................................... 36
2.5. Receptancia de la vía ....................................................................................... 37
2.6. Modelado por elementos finitos ........................................................................ 38
2.7. Análisis en elementos finitos de problemas en el ámbito ferroviario ............... 39
2.8. Conclusiones ..................................................................................................... 45
3. RESPUESTA VIBRATORIA VERTICAL DE VÍAS MEDIANTE MODELOS
NUMÉRICOS ............................................................................................................. 47
3.1. Introducción ....................................................................................................... 47
3.2. Modelización de la vía ...................................................................................... 47
3.2.1. La vía férrea ........................................................................................... 47
3.2.2. Componentes de una vía convencional ................................................. 48
3.2.3. Tipos de vía en placa analizados en el estudio. Diferencias ................. 50
3.3. Modelos numéricos de vía ................................................................................ 53
3.3.1. Fase de preprocesado ........................................................................... 56
3.3.2. Fase de resolución ................................................................................. 60
Ayoub Zougari

3.3.3. Fase del postprocesado ......................................................................... 61
3.4. Comparación entre los modelos numéricos y el modelo analítico .................. 62
3.4.1. Comparación entre las receptancias obtenidas con los modelos
numéricos y el modelo analítico ............................................................................ 64
3.4.2. Análisis de la interacción entre ambos carriles de la vía ....................... 67
3.5. Conclusiones .................................................................................................... 69
4. MODELO NUMÉRICO DEL SISTEMA EJE FERROVIARIO .................................. 71
4.1. Introducción ...................................................................................................... 71
4.2. Elementos constitutivos de un bogie ferroviario ............................................... 71
4.3. Modelización y análisis modal del sistema eje-ruedas .................................... 74
4.4. Análisis harmónico del sistema eje-ruedas ...................................................... 84
4.5. Conclusiones .................................................................................................... 87
5. DETERMINACIÓN EXPERIMENTAL DE LA RECEPTANCIA ............................... 89
5.1. Introducción ...................................................................................................... 89
5.2. Metodología para obtener experimentalmente la respuesta frecuencial de la
vía .......................................................................................................................... 89
5.3. Validación de los modelos numéricos .............................................................. 94
5.4. Conclusiones .................................................................................................... 99
6. MODELIZACIÓN DEL SISTEMA VÍA-EJE FERROVIARIO .................................. 101
6.1. Introducción .................................................................................................... 101
6.2. Modelos numéricos ........................................................................................ 102
6.2.1. Fase de preprocesado ......................................................................... 104
6.2.2. Fase de resolución ............................................................................... 109
6.2.3. Fase del postprocesado ....................................................................... 110
6.3. Presentación del perfil de irregularidad y el perfil plano de una rueda .......... 110
6.3.1. Perfil de irregularidad y sistema de medida del perfil de una rueda .... 110
6.3.2. Rueda con un plano en su periferia ..................................................... 114
6.4. Resultados del análisis transitorio de dos tipos de contacto rueda-carril ...... 118
6.5. Resultados del análisis transitorio de modelos numéricos de diferentes
sistemas de vía-eje ferroviario ....................................................................... 126
6.6. Conclusiones .................................................................................................. 130
7. CONCLUSIONES Y FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN ........................... 131
7.1. Introducción .................................................................................................... 131
7.2. Conclusiones .................................................................................................. 131
7.3. Aportaciones de la tesis ................................................................................. 133
7.4. Futuras líneas de investigación ...................................................................... 134
Estudio del comportamiento vibratorio de vías ferroviarias mediante simulación numérica

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ............................................................................... 135
ANEXOS .......................................................................................................................... 141
ANEXO A: PERFIL DE CARRIL UIC 54 ......................................................................... 143
ANEXO B. PLANO DEL SISTEMA EJE RUEDAS ......................................................... 145
ANEXO C. CURVA DE ELASTICIDAD DEL MUELLE DE LA SUSPENSIÓN DEL
TREN ............................................................................................................................... 147
ANEXO D. EL ANÁLISIS TRANSITORIO DINÁMICO EN ANSYS ............................... 149
D.1 Introducción ........................................................................................................ 149
D.2 Formulación básica ............................................................................................ 149
D.3 Herramientas para abordar el análisis en ANSYS ............................................. 150
NOMENCLATURA .......................................................................................................... 151
ÍNDICE DE FIGURAS ..................................................................................................... 155
ÍNDICE DE TABLAS ....................................................................................................... 159