Semi-analytical modelling of multilayer continuous systems nonlinear dynamics

• Autorzy: Koziol P. , Pilecki R.

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2020.131803

Warianty tytułu

PL

Semi-analityczne modelowanie nieliniowej dynamiki wielowarstwowych układów ciągłych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Problems concerning structures dynamics are being one of most important subjects in recent investigations associated with railways constructions. The need of modelling of such structures and their behaviour prediction leads to necessity of seeking new approaches, mainly due to highly increasing speeds of vehicles and traffic intensity. Comparative studies carried out on experimental data, measurements and theoretical research show that models based on multi-layered approach supported by semi-analytical approximations of solutions can give new insight into undertaken analyses. More detailed consideration of roads components and their physical properties, along with application of effective estimations allowing to avoid numerical instabilities linked with extremal dynamic variations, can be important tools in obtaining new solutions both, theoretical and engineering. This paper briefly presents a number of multilayer railway track models, with special emphasis on nonlinear track properties. Existing analytical and semi-analytical solution methods are presented with main advantages of new approaches. The theoretical double-beam system with two nonlinear layers is solved and computational examples are presented along with possibility of their transition to other multilayer structures analysis.

PL

Problemy dynamiki konstrukcji stanowią jeden z najbardziej istotnych działów współczesnych badań związanych z konstrukcjami kolejowymi. Potrzeba modelowania takich konstrukcji oraz przewidywania ich dynamicznych oddziaływań prowadzi do konieczności poszukiwania nowych rozwiązań, głównie z powodu rosnących prędkości pojazdów i intensywności ruchu. Studia porównawcze prowadzone zarówno w ramach prac eksperymentalnych, pomiarowych, jak i teoretycznych rozważań pokazują, że modele wielowarstwowe w połączeniu z metodami semianalitycznymi mogą dać nowe spojrzenie na wyniki dotychczasowych analiz. Dokładniejsza analiza elementów drogi oraz ich fizycznych właściwości, razem z zastosowaniem efektywnych estymacji i aproksymacji pozwalających uniknąć numerycznych niestabilności spowodowanych ekstremalnymi dynamicznymi zmianami układów, mogą być ważnymi narzędziami służącymi otrzymaniu nowych rozwiązań, zarówno teoretycznych jak i inżynierskich. Artykuł ten prezentuje w skrócony sposób wybrane modele wielowarstwowe drogi kolejowej, ze szczególnym uwzględnieniem jej nieliniowych właściwości. Zostały omówione istniejące rozwiązania analityczne i semi-analityczne, ze wróceniem uwagi na korzyści płynące z ich zastosowania. Teoretyczny model belki podwójnej został rozwiązany. Pokazano przykłady obliczeniowe wraz z omówieniem możliwości ich adaptacji do analizy innych struktur wielowarstwowych. Dotychczas opublikowane prace zawierają interesujące wyniki semi-analityczne związane z założeniem nieliniowej sztywności elementów konstrukcji typu belka-podłoże. Modele jednowarstwowy i dwuwarstwowy zostały szczegółowo przeanalizowane przy założeniu nieliniowej sztywności podłoża, przy użyciu semi-analitycznej metody opartej na aproksymacjach falkowych połączonych z dekompozycją Adomiana. Modele te zostały również poddane walidacji poprzez porównanie wyników z pomiarami wykonanymi na rzeczywistym torze kolejowym, pokazujące wysoką zgodność rezultatów w zakresie drgań pionowych drogi kolejowej dla różnych zbiorów parametrów i prędkości pojazdów.

Słowa kluczowe

EN

semi-analytical method; multilayer structure; nonlinear properties; dynamic response; double-beam; system; railway; modelling

PL

metoda semi-analityczna; struktura wielowarstwowa; właściwości nieliniowe; odpowiedź dynamiczna; układ belki podwójnej; modelowanie; droga kolejowa

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2020
• Tom: Vol. 66, nr 2
• Strony: 165--178
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., il.

Twórcy

autor

Koziol P.

• Cracow University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Kraków, Poland

autor

Pilecki R.

Bibliografia

• 1. L. Fryba, “Vibration of solids and structures under moving loads”, Thomas Telford Ltd., London, 1999.
• 2. Z. Hryniewicz, P. Koziol, “Wavelet-based solution for vibrations of a beam on a nonlinear viscoelastic foundation due to moving load. Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 51, 1, 215-224, 2013.
• 3. W. Czyczula, P. Koziol, D. Blaszkiewicz, “On the equivalence between static and dynamic railway track response and on the Euler-Bernoulli and Timoshenko beams analogy”, Shock and Vibration, Volume 2017, Article ID 2701715, https://doi.org/10.1155/2017/2701715, 2017.
• 4. M.H. Kargarnovin, D. Younesian, D.J. Thompson, C.J.C. Jones, “Response of beams on nonlinear viscoelastic foundations to harmonic moving loads”, Computers and Structures, 83, 1865-1877, 2005.
• 5. R. Bogacz, W. Czyczula, “Response of beam on viscoelastic foundation to moving distributed load”, Journal of Theoretical and Applied Mechanics 46(4): 763-775, 2008.
• 6. W. Czyczula, P. Koziol, D. Kudla, S. Lisowski, (2017). “Analytical evaluation of track response in the vertical direction due to a moving load”, Journal of Vibration and Control, Volume: 23 issue: 18, pages: 2989-3006, 2017.
• 7. P. Koziol, “Vibrations of Railway Tracks Modelled as a Two Layer Structure”, In J. Kruis, Y. Tsompanakis, B.H.V. Topping, (Editors), Proceedings of the Fifteenth International Conference on Civil, Structural and Environmental Engineering Computing, Civil-Comp Press, Stirlingshire, UK, Paper 199, doi:10.4203/ccp.108.199, 2015.
• 8. P. Koziol, “Experimental validation of wavelet based solution for dynamic response of railway track subjected to a moving train”, Mechanical Systems and Signal Processing, 79, 174-181, 2016.
• 9. P. Koziol, R. Pilecki, “Dynamic response of double-beam system with nonlinear viscoelastic layer to moving load”, MATEC Web of Conferences, 211, 11008 (2018) VETOMAC XIV: 14th International Conference on Vibration Engineering and Technology of Machinery, https://doi.org/10.1051/matecconf/201821111008.
• 10. P. Koziol P., “Wavelet approximation of the Adomian’s decomposition applied to a nonlinear problem of a double-beam response subject to a series of moving loads”, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 52, 3, 687-697, 2014.
• 11. R. Bogacz, K. Frischmuth, “Analysis of contact forces between corrugated wheels and rails”, Machine Dynamics Problems, 33, 2, 19-28, 2009.
• 12. L. Auersch, “Excitation of ground vibration due to the passage of trains over a track with trackbed irregularities and a varying support stiffness”, Vehicle System Dynamics 53(1): 1-29, 2015.
• 13. S. Kaewunruen, A. Remennikov, “Dynamic Properties of Railway Track and its Components: A State of the Art Review”, Wollongong: University of Wollongong Press, 2008.
• 14. G. Lombaert, P. Galvin, S. Francois, et al., “Quantification of uncertainty in the prediction of railway induced ground vibration due to the use of statistical track unevenness data”, Journal of Sound and Vibration 333: 4232-4253, 2014.
• 15. P. Koziol, D. Kudla, “Vertical vibrations of rail track generated by random irregularities of rail head rolling surface”, Journal of Physics: Conference Series 1106 (2018) 012007, Modern Practice in Stress and Vibration Analysis (MPSVA) 2018, IOP Publishing, doi:10.1088/1742-6596/1106/1/012007, 2018.
• 16. J.M. Steenbergen, “Quantification of dynamic wheel-rail contact force at short rail irregularities and application to measured rail welds”, Journal of Sound and Vibration 312: 606-629, 2008.
• 17. X. Shenga, C.J.C. Jones, D.J. Thompson, “A theoretical model for ground vibration from trains generated by vertical track irregularities. Journal of Sound and Vibration 272: 937-965, 2004.
• 18. S. Francois, M. Schevenels, P. Galvin, et al., “A 2.5D coupled FE-BE methodology for the dynamic interaction between longitudinally invariant structures and a layered halfspace. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 199: 1536-1548, 2010.
• 19. P. Koziol, M.M. Neves, “Multilayered infinite medium subject to a moving load: dynamic response and optimization using coiflet expansion”, Shock and Vibration, 19, 1009-1018, 2012.
• 20. J. Górszczyk, K. Malicki, “Three-dimensional finite element analysis of geocell-reinforced granular soil”, In Proceedings of the 18th International Multidisciplinary Scientific GeoConference SGEM 2018, Albena, Bulgaria, 2-8 July 2018; STEF92 Technology Ltd.: Sofia, Bulgaria, 2018; Issue 1.2, pp. 735-742, doi: 10.5593/sgem2018/1.2/S02.093.
• 21. J. Górszczyk, K. Malicki, “Digital Image Correlation Method in Monitoring Deformation During Geogrid Testing”, FIBRES & TEXTILES in Eastern Europe 2019; 27, 2(134): 84-90. DOI: 10.5604/01.3001.0012.9992.
• 22. G. Adomian, “Nonlinear Stochastic Systems Theory and Application to Physics”, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1989.
• 23. A.M. Wazwaz, S.M. El-Sayed, “A new modification of the Adomian decomposition method for linear and nonlinear operators”, Applied Mathematics and Computation, 122, 393-405, 2001.
• 24. L. Monzon, G. Beylkin, W. Hereman, “Compactly supported wavelets based on almost interpolating and nearly linear phase filters (coiflets)”, Applied and Computational Harmonic Analysis, 7, 184-210, 1999.
• 25. P. Koziol, “Wavelet approach for the vibratory analysis of beam-soil structures: Vibrations of dynamically loaded systems“, VDM Verlag Dr. Müller, Saarbrucken, 2010.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).