Bidaiari-trenen esekidura pneumatikoaren karakterizazio eta modelizazio dinamikoa

Resumen

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.