Modelowanie i symulacja numeryczna wężykowania szybkobieżnego pojazdu szynowego Shinkansen na torze prostoliniowym

• Autorzy: Klasztorny M. , Niezgoda T. , Dziewulski P.

Warianty tytułu

EN

Modelling and numerical simulation of snaking of a high-speed Shinkansen rail-vehicle moving on a rectilinear track

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W pracy opracowano model dynamiczny 3D (fizyczny, geometryczny i numeryczny) japońskiego szybkobieżnego pojazdu szynowego SHINKANSEN poruszającego się po torze prostoliniowym niepodatnym, o stożkowatości szyn 1:20. Opracowano metodykę modelowania układu pojazd ruchomy-szyny (MV-R) oraz modelowania wężykowania z możliwością uderzeń bocznych obrzeży kół o główki szyn. Zastosowano licencjonowane oprogramowanie CATIA V5R15, HYPERMESH v10, LS-DYNA v971. Przeprowadzono badania symulacyjne wężykowania pojazdu SHINKANSEN w zakresie prędkości 100-300 km/h. Większość podukładów układu pojazd ruchomy-szyny (MV-R) zamodelowano jako bryły idealnie sztywne. Stalowe obręcze kół pojazdu oraz górne części stalowych główek szyn zamodelowano jako odkształcalne i wykonane z materiału izotropowego liniowo-sprężystego. Łożyska osi zestawów kołowych pojazdu SHINKANSEN zamodelowano za pomocą więzów CONSTRAINED_JOINT_REVOLUTE. Uwzględniono kontakt pomiędzy obręczami kół i główkami szyn typu AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE, z zastosowaniem funkcji kary. Uwzględniono tarcie kinetyczne Coulomba na styku powierzchni tocznych i obrzeży obręczy kół i główek szyn. Analizowano przyspieszenia poziome poprzeczne reprezentatywnych punktów nadwozia oraz przemieszczenia poziome poprzeczne środków ciężkości zestawów kołowych.

EN

The study develops the 3D dynamic model (physical, geometrical, and numerical) of a high-speed Shinkansen rail-vehicle moving on a rectilinear track of 1:20 rail-head conicity. A new methodology has been developed for modelling the moving vehicle-rails system (MV-R) as well as for modelling lateral vibrations of the vehicle, induced by snaking and possible impacts of wheel flanges onto rail heads. Advanced licensed CAE software has been applied, i.e., CATIA V5R15, HYPERMESH v10, and LS-DYNA v971. Numerical simulations have been performed for service velocities of a Shinkansen rail-vehicle ranged from 150 to 300 km/h. The partial geometric model of the MV-R system has been created with CATIA V5R15 software, using the Assembly Design, Part Design, Generative Shape Design modules. The geometric model in the universal form (the STEP file) has been carried into HYPERMESH v10 system in order to build the complete equivalent geometric model, to make FEM meshing, and to declare the initial and boundary conditions. Most subsystems have been modelled in LS-DYNA v971 as rigid bodies (MAT_020). Tyres and the rail heads are deformable and made of linear-elastic isotropic steel (MAT_001). Radial bearings of wheel-set axles have been modelled with CONSTRAINED_JOINT_REVOLUTE, as shown in Figure 1. The 1st and 2nd stage 3D linearly-viscoelastic suspensions (MAT_066) have been reflected with the zero-length elements of properties SECTION_BEAM, in Discrete Beam formulation. In order to activate gravity forces, the FE locations have been removed to the predicted final static state, and then the gravity forces reflecting the total weight of the vehicle have been put onto the wheel-set axle-bearing cases. After the dynamic relaxation process, all elements of the body and bogie frames had got the initial velocity in the longitudinal direction (coinciding the track axis), whereas the rotating parts (wheels and axles) had got the angular velocity about respective axle axes. In order to keep the constant service velocity, all wheel sets had got a constant angular velocity. In order to unbalance the rail-vehicle, the body has been loaded by lateral moment impact of rectangular shape and of 22 kNms value. The tyre-rail head contact of AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE type has been used taking into account the penalty function. The kinetic dry friction coefficient is equal to 0.10. The average time step was equal to dt = 1.23 μs. The calculations in the LS-DYNA system have been performed using double precision. The real process lasting 7.2 seconds was simulated numerically for 104 hours, using 8 processors of the cluster. The final results constitute: lateral displacements and accelerations of the representative points of the body and the lateral displacements of the gravity centres of the wheel sets. Exemplary time histories are presented in the study. The main conclusions resulting from numerical simulations are as follows. The CAE software used in the study is a very effective tool for 3D numerical simulations of the MV-R system taking into consideration a curvilinear cross-section of the rail heads, the one-side contact of wheels and rails and the Coulomb friction. The simulations show that anti-symmetric unbalance rapidly tends to stable symmetric lateral vibrations of the bogies of frequency depended on the service velocity. The lateral vibration frequencies belong to the interval 1.7-4.2 Hz.

Słowa kluczowe

PL

dynamika pojazdu; pojazd szynowy Shinkansen; tor prostoliniowy; wężykowanie; modelowanie; symulacja numeryczna

EN

dynamics of vehicles; Shinkansen rail-vehicle; rectilinear track; snaking; modelling; numerical simulation

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 60, nr 1
• Strony: 309--324
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz.

Twórcy

autor

Klasztorny M.

autor

Niezgoda T.

autor

Dziewulski P.

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Katedra Mechaniki i Informatyki Stosowanej, 00-908 Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2

Bibliografia

• [1] A. N. Nikolski, Theory and calulations of rail-vehicles, (in Russian), Maszgiz Press, Moskva, 1947.
• [2] A. D. de Pater, Lateral vibrations of railway vehicles systems, [in:] Dynamics of high-speed vehicles, ed.: W. O. Schiehlen, Springer-Verlag, Wien-New York, 1982.
• [3] V. K. Garg, R. V. Dukkipati, Dynamics of railway vehicle systems, Academic Press, Toronto-Tokyo, 1984.
• [4] J. Kisilowski et al., Dynamics of rail-vehicle-track mechanical system, (in Polish), PWN Press, Warsaw, 1991.
• [5] M. Klasztorny, Dynamics of railway beam bridges under high-speed trains, (in Polish), WNT Press, Warsaw, 2005.
• [6] J. O. Hallquist, LS-Dyna-Theory Manual, LST C, Livermore, CA, USA, 2006.
• [7] D. J. Benson, J. O. Hallquist, A simple rigid body algorithm for structural dynamics program, Int. J. Num. Meth. Eng., 22, 1986.