Development of innovative methodologies to reduce railway rolling noise through Genetic Algorithm-based shape optimization techniques

Abstract

[ES] El ruido de rodadura es un fenómeno producido debido a la interacción entre la rueda y el carril e inducido por las pequeñas irregularidades existentes en la superficie de ambos. Dichas irregularidades, conocidas como "rugosidad", provocan que se genere una vibración tanto en la rueda como el carril cuando el tren circula a una cierta velocidad, lo que consecuentemente lleva a la aparición de radiación acústica. Esto conforma una de las fuentes de molestias más relevantes y principal origen de la contaminación acústica producida por los trenes al circular por regiones urbanas densamente pobladas. Así, el objetivo de esta Tesis es el desarrollo de una metodología integral para la obtención de diseños de rueda viables mediante el uso de Algoritmos Genéticos (AG) con la finalidad de minimizar el ruido de rodadura asociado. Al desarrollar los mencionados algoritmos de optimización, el Método de Elementos Finitos (MEF) se combina con la parametrización geométrica de las diferentes tipologías de diseño de rueda analizadas, descritas en función de aquellos parámetros más relevantes para la presente investigación. Se hace uso de modelos linealizados en el dominio de la frecuencia, capaces de resolver la dinámica completa del sistema a partir de las correspondientes mallas de la sección transversal. La obtención de la potencia acústica radiada se lleva a cabo mediante el empleo de una formulación semi-analítica para el cálculo de la eficiencia acústica de la rueda y al uso de un Modelo de Fuentes Equivalentes (MFE) en el carril. El desarrollo teórico, además, es validado con el software comercial de referencia en el campo de investigación, TWINS, en el cual se basa. A lo largo de los procedimientos de optimización, se realiza un análisis de fatiga en cada diseño de rueda considerado con el fin de asegurar su viabilidad estructural, lo que actúa como una restricción de "pena de muerte" en el algoritmo. Además, se desarrolla un procedimiento de identificación modal que permite caracterizar los modos de vibración y clasificarlos según su número de diámetros y circunferencias nodales. Seguidamente, se exploran dos formulaciones diferentes de la función objetivo: una centrada en reducir directamente el ruido radiado, llamada LA;W -min; i otra centrada en disminuir el ruido de rodadura maximizando la media de las frecuencias naturales de los modos de vibración, conocida como NF-max. En la metodología LA;W -min, se minimiza la suma en energía del nivel de potencia acústica expresado en dB(A). Para el caso de NF-max, se desplazan las frecuencias naturales a regiones de frecuencia donde la amplitud de rugosidad es menor. Se consideran diversas aproximaciones: la inclusión de esquemas de perforación y la modificación de la forma de su sección transversal. Además, también se ha estudiado la influencia en el ruido de la variación de las propiedades geométricas del carril y viscoelásticas de la vía. Como resultado de esta Tesis se han conseguido diversos modelos más silenciosos de rueda ferroviaria, con reducciones en el ruido de rodadura de hasta 5 dB(A). Cuando se considera el sistema ferroviario completo,se siguen consiguiendo mejoras en la potencia acústica radiada con los diseños de rueda resultantes. Además, se analizan las correlaciones entre la maximización de las frecuencias naturales y la atenuación del nivel de potencia acústica, estableciendo NF-max como una metodología adecuada para los casos en que se priorice la eficiencia computacional. La sensibilidad del problema a los espacios de diseño seleccionados y la adecuación del uso de AG se estudian también con la obtención de Superficies de Respuesta. Adicionalmente, se han establecido relaciones entre la variación de los parámetros geométricos y la disminución en la radiación acústica asociada, así como se ha propuesto la reubicación de los modos de vibración a lo largo del espectro en frecuencia com

[CA] El soroll de rodament és un fenomen causat per la interacció entre la roda i el carril i induït per les xicotetes irregularitats presents a les seues superfícies. Aquestes irregularitats, conegudes amb el nom de "rugositat", provoquen que es genere una vibració tant a la roda com al carril en circular el tren a una certa velocitat, el que conseqüentment du a l'aparició de radiació acústica. Açò conforma una de les fonts de molèsties més rellevants i el principal origen de la contaminació acústica generada pels trens al seu pas per regions urbanes densament poblades. Així, l'objectiu d'aquesta Tesi és el desenvolupament d'una metodologia integral per a l'obtenció de dissenys de roda viables mitjançant l'ús d'Algoritmes Genètics (AG) amb la inalitat de minimitzar el soroll de rodament associat. Al desenvolupar els esmentats algoritmes d'optimització, el Mètode d'Elements Finits (MEF) es combina amb la parametrització geomètrica de les diferents tipologies de disseny de roda analitzades, descrites en funció d'aquells paràmetres més rellevants per a aquesta investigació. Es fa ús de models linealitzats en el domini de la freqüència, capaços de resoldre la dinàmica completa del sistema a partir les corresponents malles de secció transversal. La obtenció de la potència acústica radiada es du a terme mitjançant la utilització d'una formulació semi-analítica per al càlcul de l'eficiència acústica de la roda i l'ús d'un Model de Fonts Equivalents (MFE) amb el carril. El desenvolupament teòric s'ha validat amb el software comercial de referència al camp d'investigació, TWINS, en el qual es basa. Al llarg dels procediments d'optimització, es realitza una anàlisi de fatiga a cada disseny de roda considerat amb la finalitat d'assegurar la seua viabilitat estructural. S'ha desenvolupat un procediment d'identificació modal que permet caracteritzar els modes de vibració i classificar-los d'acord al seu número de diàmetres i circumferències nodals. També, s'exploren dos formulacions diferents de la funció objectiu: una centrada en reduir directament el soroll radiat, anomenada LA;W -min; i altra centrada en disminuir el soroll de rodament maximitzant la mitja de les freqüències naturals dels modes de vibració, coneguda com NF-max. D'aquesta manera, en la metodologia LA;W -min, es minimitza la suma en energia del nivell de potència acústica expressat en dB(A). Per al cas de NF-max, es desplacen les freqüències naturals a regions de freqüència on l'amplitud de rugositat és menor. Es consideren diverses aproximacions: la inclusió d'esquemes de perforació i la modificació de la forma de la seua secció transversal, establint el radi com un valor fixe en un cas i utilitzant-lo com un paràmetre d'optimització més en l'altre. A més a més, s'ha estudiat la influència en el soroll de la variació de les propietats geomètriques del carril i viscoelàstiques de la via. Com a resultat d'aquesta Tesi s'han aconseguit diversos models de roda ferroviària més silenciosos, amb reduccions en el soroll de rodament de fins a 5 dB(A). Quan es considera el sistema ferroviari complet amb tots els seus components, es segueixen aconseguint millores en la potencia acústica radiada amb els dissenys de roda resultants. A més a més, 'analitzen les correlacions entre la maximització de les freqüències naturals i l'atenuació del nivell de potencia acústica, establint NF-max com una metodologia adequada pels casos en que es prioritza l'eficiència computacional. La sensibilitat del problema als espais de disseny escollits i l'adequació de l'ús de AG s'estudia també mitjançant l'obtenció de Superfícies de Resposta (SRs) per als paràmetres geomètrics utilitzats. Addicionalment, s'han establert relacions entre la variació dels paràmetres geomètrics i la disminució en la radiació acústica associada, així com s'ha proposat la reubicació dels modes de vibració al voltant de

[EN] Rolling noise phenomenon is produced due to the wheel/track interaction and induced by the small unevenness present in their surfaces. Such unevenness, known as "roughness", causes that vibrations arise in both the wheel and track when the train passes by with a certain speed, that consequently leads to the appearance of acoustic radiation. This kind of noise is one of the most relevant sources of annoyance and the principal focus of the railway acoustic pollution produced by trains operating through highly populated urban regions. Thus, the main goal of the present Thesis is the development of a comprehensive methodology to achieve suitable railway wheel designs through the use of Genetic Algorithms (GAs) with the aim of minimizing the associated rolling noise. When developing the aforementioned optimization algorithms, the Finite Element Method (FEM) is combined with the geometric parametrization of the different wheel design typologies analysed, described as a function of those parameters most relevant for the current research. In order to describe the dynamic behaviour of each component involved in the wheel/track interaction, use is made of linearised models in the frequency domain capable of solving the whole coupled dynamic response from the corresponding cross-section meshes. Subsequent derivation of the radiated sound power from the dynamic information is carried out by applying a semi-analytical formulation that allows for the wheel acoustic efficiency computation, on one hand, and by making use of an Equivalent Sources Model (ESM) in the track, on the other hand. Besides, such theoretical development is validated with the reference commercial software in the field, TWINS, on which it is based. Throughout the optimization procedures, a fatigue analysis is performed on every wheel design considered to assure structural feasibility, that acts as a "death penalty" constraint in the algorithm. Furthermore, a modal identification procedure is developed, which allows to characterize modeshapes and to classify them according to their number of nodal diameters and circumferences. Then, two different formulations of the objective function are explored: one focused on directly reducing radiated noise, named LA;W-min; and another centred on decreasing rolling noise by maximizing the average natural frequency of the modeshapes, called NF-max. Hence, in the LA;W -min methodology, the sum in energy of the wheel Sound poWer Level (SWL) expressed in dB(A) is minimized. For the NF-max case, natural frequencies are shifted to frequency regions where the roughness amplitude content is lower. Different approaches are considered: the inclusion of perforation schemes in the wheel and the variation of its cross-sectional shape, setting the radius as a constant value in one case and using it as an optimization parameter in another. Moreover, the influence on the noise of changing the rail geometric and track viscoelastic properties is also studied. As a result of the present Thesis, several quieter models of railway wheels have been achieved, with rolling noise reductions of up to 5 dB(A). When the whole railway system with all the components is considered, improvements in the radiated sound power remain achieved with the resulting wheel designs. Besides, correlations between maximization of natural frequencies and SWL mitigation are analysed, establishing the NF-max as a suitable methodology for cases when computational efficiency is prioritized. The sensitivity of the problem to selected design domains and the suitability of the use of GAs are also studied with the obtention of Response Surfaces (RSs) for the geometric parameters used. Additionally, correlations are established between the variation of the geometric parameters and the decrease in the associated acoustic radiation, while the shifting of the modeshapes along the frequency domain is proposed as a physical mechanism responsible of the observed sound power decrease.