Modélisation numérique du couplage de la dynamique d’essieu avec le contact roue-rail

Numerical modeling of the coupling between wheelset dynamics and wheel-rail contact

• Auteur / Autrice : Aquib Qazi
• Direction : Honoré Yin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 28/01/2022
• Etablissement(s) : Université Gustave Eiffel
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Navier (Paris-Est) - Laboratoire Navier (Paris-Est)
• Jury : Président / Présidente : Yves Renard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Honoré Yin, Frédéric Lebon, Yann Bezin, Vanessa Lleras, Cédric Pozzolini, Anne Chambard, Michel Sebes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Lebon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contact de roulement

Chemins de fer -- Matériel roulant

Mécanique du contact

Mots clés libres

Dynamique ferroviaire

Contact roue-Rail

Mécanique du contact

Contact roulant

Appareils de voie

Multicorps

Railway dynamics

Wheel-Rail contact

Contact mechanics

Rolling contact

Switches and crossings

Multibody

Résumé

Le contact roue-rail constitue la liaison entre le matériel roulant et la dynamique de voie. La variété des problématiques ferroviaires nécessite différents niveaux de modélisation. Pour les simulations effectuées sur des voies de plusieurs kilomètres de long, des modèles approximatifs de contact sont généralement suffisants. A l'inverse, certaines applications nécessitent des modèles sophistiqués, comme pour l'estimation de l'usure dans les réseaux ferroviaires urbains, ou lors du franchissement de singularités de la voie telles que les appareils de voie (ADV). Trois critères peuvent être utilisés pour classer les différentes approches de modélisation du contact roue-rail : les hypothèses sur la localisation du contact, le calcul des forces normales (de l'ellipse Hertzienne au contact non-Hertzien), et le calcul des forces tangentes (des expressions analytiques à la théorie complète de Kalker). La modélisation du contact est un domaine de recherche actif, en particulier en dynamique ferroviaire, où certains cas d’études peuvent exiger le calcul de la réponse transitoire d'un matériel roulant sur de longues distances, et simultanément la résolution du contact pour chaque roue jusqu'à 100000 fois par seconde. Un compromis est donc nécessaire entre efficacité en temps de calcul et précision des résultats. De plus, l'implémentation des méthodes de contact dans les logiciels multicorps (MBS) nécessite des méthodes efficaces et fiables de couplage entre la résolution du contact roue-rail et la dynamique transitoire des corps les plus proches de l'interface de contact (essieu et voie). Les transferts de charge entre corps doivent également être traités avec soin. L'objectif de cette thèse est de décrire, tester et d’étendre les capacités du logiciel MBS VOCO, le code de dynamique ferroviaire développé à l'Université Gustave Eiffel, en termes de modélisation du contact roue-rail. Actuellement, VOCO permet des simulations en temps réel, suivant deux approches, une Hertzienne et une non-Hertzienne prenant en compte des empreintes de contact non-elliptiques. Le présent travail propose une nouvelle méthode semi-analytique par éléments de frontière (BE) pour déterminer la zone de contact roue-rail, et la distribution de contraintes normales associée. La pression de contact est supposée à priori elliptique dans la direction du roulement, et est évaluée à l'aide de la méthode BE. Le nombre d'inconnues du système est réduit, et l'utilisation d'une méthodologie semi-analytique permet de réduire le temps de calcul. De plus, les comparaisons avec d'autres méthodes couramment utilisées dans les codes MBS montrent une amélioration significative des résultats en utilisant le logiciel CONTACT de Kalker comme référence. Pour traiter le problème du contact tangentiel, une extension de l'algorithme FASTSIM de Kalker est présentée. Le nouvel algorithme permet de traiter le contact non-Hertzien par une approche locale. Plusieurs critères à satisfaire dans la modélisation du contact tangentiel sont considérés, et l'algorithme proposé est validé par un plan d'expériences. La nouvelle méthode de contact normal est couplée à l’algorithme de contact tangentiel, ce qui constitue un nouveau modèle de contact roulant et offre la perspective d'utiliser une approche plus détaillée dans les codes de dynamique ferroviaire.Parallèlement au développement de nouvelles méthodes de contact, une comparaison des approches utilisées dans différents codes MBS commerciaux et académiques est effectuée dans le cadre d'un benchmark international sur les ADV. À la suite de ce benchmark, une étude collaborative est initiée pour évaluer les résultats de contact roue-rail, en mettant l'accent sur certaines configurations délicates qui peuvent apparaitre dans les ADV, tels que le contact conforme, le contact à bord vif et les impacts. Les travaux futurs devraient comprendre l’implémentation dans VOCO des nouvelles méthodes développées dans cette étude

The wheel-rail contact constitutes the link between the rolling stock and the track dynamics. The variety of different applications within the railway network necessitates different levels of modelling. For simulations carried out over railway tracks that are several kilometres long, approximate wheel-rail contact models are generally sufficient. Conversely, some applications require more sophisticated models, such as in the estimation of wear in urban rail networks, or during the crossing of singularities of the track such as in switches and crossings (S&C). Three criteria may be used to broadly classify the different wheel-rail contact modelling approaches: the assumptions about the location of the contact, the calculation of the normal forces (from the Hertzian ellipse to non-Hertzian contact), and the calculation of tangent forces (from analytical expressions to Kalker's complete theory). Contact modelling is an active field of research, especially in railway dynamics, where certain case studies may require assessing the three-dimensional transient response of rolling stock over long distances, and simultaneously solving the contact problem for each wheel up to 100000 times per second. A compromise is, therefore, often required between the computational efficiency and the precision of the modelling techniques. Moreover, the implementation of wheel-rail contact methods in multibody systems (MBS) software requires efficient and reliable methods of coupling the wheel-rail contact solution and the transient dynamics of the bodies closest to the contact interface (wheelset and track). The load transfers between bodies must also be handled with care.The aim of this thesis is to describe, test, and extend the capabilities in terms of wheel-rail contact modelling of the MBS software VOCO, the railway dynamics code developed at Université Gustave Eiffel. Currently, VOCO allows real-time simulations, following two approaches, one Hertzian, and a non-Hertzian method considering non-elliptical contact patches. The present work proposes a new semi-analytical boundary element (BE) method for determining the wheel-rail contact zone and the associated normal stress distribution. The contact pressure is assumed beforehand to take the form of an elliptical distribution in the rolling direction and evaluated using the BE method. The number of system unknowns is reduced via the discretisation strategy, and using a semi-analytical methodology enables fast computation speeds, an indispensable requirement in railway dynamics. Moreover, comparisons with other methods commonly used in MBS codes show a significant improvement in the normal contact results using Kalker’s CONTACT software as the reference.To address the tangential contact problem, an extension of Kalker's FASTSIM algorithm is presented. The new algorithm permits the handling of non-Hertzian contact through a local approach. Several aspects of the tangential contact modelling are investigated, the proposed algorithm being validated through a design of experiments. The new normal contact method is combined with the tangential contact algorithm, which then represents a new rolling contact model for the whole contact problem and provides the possibility of using a more detailed approach in the context of multibody dynamics.Parallel to the development of new contact methods, a comparison of the contact modelling approaches used in different commercial and academic MBS codes has been made within the scope of an international benchmark on S&C. Following the benchmark, a collaborative study has been initiated to assess the wheel-rail contact results in detail, emphasising some delicate configurations which may occur in S&C, such as the conformal contact, the sharp-edge contact and impact loads. Future works should consist in the implementation of the new methods developed in this study, in VOCO