Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article présente les principales activités d’évaluation des performances de la dynamique ferroviaire en termes de simulations et d’essais. Les principales tâches, méthodes et outils utilisés pour les simulations de dynamique ferroviaire sont décrits et enrichis de quelques exemples pour illustrer comment les modèles et les simulations sont utilisés pour l’optimisation de la conception. Les simulations classiques ainsi que d’autres simulations interdisciplinaires (co-simulations) sont décrites, des exemples d’applications de ces outils permettent de les illustrer. Les normes régissant les méthodes d’essai pour l’évaluation du comportement dynamique du véhicule et de l’homologation des trains ainsi que les exemples pratiques d’analyse et de retour d’expérience sur les simulations et les essais sont également brièvement décrits. Enfin, le processus de validation du modèle et les possibilités d’homologation virtuelle sont également brièvement décrits.
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This paper presents the main activities, simulations and testing of railway dynamics performance assessment. The main tasks and related methods and tools used on railway engineering simulations are described and discussed, enriched with some examples of how models and simulations are used for the design optimization. The standard simulations and other interdisciplinary co-simulations are described and applied models and examples are discussed. The standards governing the methods for testing the vehicle dynamic behaviour assessment and train acceptance and the practical examples on analysis and return on experience on simulations and testing are briefly described as well. Finally, the model validation process and the possibilities for virtual homologation are briefly described.
Auteur(s)
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Naim KUKA : Master expert en dynamique ferroviaire - Ancien responsable du Réseau de compétence dynamique ferroviaire et mécatronique, Alstom, retraité depuis juillet 2020
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Fabienne BONDON : Master expert en dynamique ferroviaire - Responsable du Core Competence Network (CCN) on Railway Dynamics chez Alstom Transport
INTRODUCTION
L'objectif des simulations de la dynamique des véhicules ferroviaires est d'optimiser la conception du véhicule et des sous-systèmes (en particulier la conception des bogies) afin de répondre aux performances requises par les normes mentionnées (critères de sécurité de la dynamique ferroviaire) et par d'autres exigences spécifiques du client liées à la réception du train (confort vibratoire ressenti par les voyageurs, dommages à la voie, etc.).
Les simulations soutiennent le processus d'ingénierie, en commençant par l'étude de concept, en passant par la phase d'appel d'offres, la conception technique préliminaire et détaillée et en terminant par le processus de qualification, de réception et d'homologation.
Lorsque la norme le permet, les simulations sont également utilisées pour l’homologation virtuelle, sous réserve de la validation du modèle par des essais.
Les simulations sont fréquemment utilisées également pour aider à la résolution des problèmes rencontrés en service et parfois utilisées comme outils à la modernisation de la conception.
Avec l'avènement de l'utilisation intensive des systèmes de surveillance (CBM – Condition Base Monitoring), de surveillance de l'état de santé et de surveillance des bogies (détecteur de déraillement, etc.), les simulations constituent la première étape de l'analyse à effectuer pour définir la spécification de haut niveau de ces systèmes, c'est-à-dire la spécification du type de capteurs et de leur emplacement sur le train, le traitement du signal à utiliser, etc.
En conclusion, le soutien du département de dynamique ferroviaire est nécessaire durant toutes les phases du projet, de l'appel d'offres au suivi en service commercial, en tant que contributeur important à la prise de décision durant toutes les phases du projet et en tant que soutien aux essais et à l'homologation virtuelle.
Les méthodes, outils et processus utilisés pour les simulations de la dynamique du véhicule, les données d'entrée nécessaires pour obtenir des simulations fiables, les tâches et simulations à effectuer, les résultats, les grandeurs d'évaluation et le retour d'expérience constituent le contenu de la première section.
La seconde section donne un aperçu des normes et des méthodes utilisées pour les essais et l'évaluation des performances de la dynamique du véhicule, c'est-à-dire pour le comportement dynamique (sécurité en marche, qualité de marche et fatigue de la voie) et pour le confort de marche, c’est-à-dire le confort vibratoire ressenti par les voyageurs.
La compréhension des méthodes d'essai, de l'instrumentation utilisée et des méthodes de traitement des signaux est également essentielle pour la validation des modèles de simulation. Dans certains cas, comme l'évaluation de la stabilité par vent traversier ou lorsque l'extension de l'homologation est permise, des simulations seules sans essais sont autorisées. Enfin, les conditions et les perspectives de l'homologation virtuelle en dynamique ferroviaire seront évoquées.
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KEYWORDS
multibody simulation | testing | simulation tools | acceptance | virtual homologation
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Essais pour l'évaluation des performances de la dynamique des véhicules1. Simulations de la dynamique ferroviaire
1.1 Champ d'application et périmètre des tâches
Le mouvement horizontal et vertical continu de la roue sur le rail génère des déplacements, des vitesses, des accélérations ainsi que des forces au niveau du contact roue-rail et dans les liaisons entre les différents solides du véhicule. Le périmètre de la dynamique ferroviaire est de définir et valider les solutions de conception des véhicules, avec une attention particulière sur les composants des suspensions, la géométrie de contact roue-rail, l’interaction voie-véhicule et l’optimisation des différents sous-systèmes qui ont un impact ou sont impactés par le comportement dynamique. L’objectif est de maintenir les déplacements, accélérations et forces dans les limites demandées par les normes ou par le client, afin d’assurer les performances dynamiques demandées et de réduire les dommages et les coûts du cycle de vie (en anglais Life Cycle Costs – LCC).
Les performances dynamiques du véhicule ferroviaire appartiennent à différentes catégories :
-
sécurité (stabilité latérale, risque de déraillement dû à la montée des boudins, forces de guidage et risque de renversement dû au vent traversier) ;
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fatigue de la voie ou sollicitation de la voie (charges entre la roue et le rail, y compris l'analyse de l'usure roue/rail et la propension à la fatigue du contact de roulement qui sont de plus en plus demandées par tous les clients) ;
-
qualité de marche et confort de marche (niveau d'accélération dans la caisse du véhicule et indices de confort des passagers).
Pour les tâches spécifiques telles que les charges de fatigue dans les composants, le gabarit dynamique, la circulation en push-pull, c’est-à-dire avec locomotive en queue poussant le convoi ou insérée en unité multiple, étudiant ainsi le comportement de cette locomotive « en pousse » et le fonctionnement sécuritaire avec des modes dégradés/des défaillances, une approche interdisciplinaire est utilisée pour soutenir les autres disciplines/spécialités (Structure, Aero-X, Gabarit, Traction & Freinage, Éléments actifs, Systèmes de surveillance du bogie, et de l'état de santé des composants principaux (Health Monitoring Systems), etc.).
La gamme de fréquences intéressantes dans les tâches classiques de la dynamique...
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Simulations de la dynamique ferroviaire
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - (*) - Dynamics of Railway vehicle Systems. - V. YK. Garg and R.V. Dukkipati (1984).
-
(2) - (*) - Rolling Stock in the Railway System. - V1, V2 & V3, PMC Media House GmbH. Edited by E. Fontanel and R. Christeller (2016).
-
(3) - (*) - Wheel-Rail Best Practice Handbook. - (Edited by F. Schmid, M. Burstow, S. Clark, B. Eickhoff, M. Hiensch, S. S. Hsu, S. Kent) (2010).
-
(4) - (*) - Introduction to railway vehicle dynamics. - AEA Technology Rail, Corse notes.
-
(5) - POLACH (O.), BERG (M.), IWNICKI (S.) - Chapter 12 : Simulation. In : Iwnicki, S. (Editor) : Handbook of railway vehicle dynamics. - CRC Taylor&Francis, Boca Raton London New York, p. 359-421 (2006).
-
(6) - BRUNI (S.), VINOLAS (J.), BERG (M.), POLACH (O.), STICHEL...
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