Estudio del contacto rueda-carril en un cruzamiento de un desvío ferroviario mediante modelos de elementos finitos desarrollados con ANSYS

Abstract

[ES] En el presente Trabajo Fin de Máster se desarrollan modelos de elementos finitos empleando el programa comercial ANSYS Mechanical APDL, con el fin de analizar parámetros del contacto rueda-carril en determinadas partes de un cruzamiento de un desvío ferroviario. En dichos modelos de elementos finitos, se modela una parte de una rueda, una sección de un cruzamiento y el contacto rueda-carril se realiza mediante la creación de un ¿par de contacto¿ (contact pair), definiendo una superficie de contacto (carril del cruzamiento) y una superficie objetivo (rueda). Los principales retos en el desarrollo de los modelos de elementos finitos son, por una parte, conseguir un mallado suficientemente refinado en zonas potenciales de contacto entre la rueda y el carril del cruzamiento para obtener resultados con una buena precisión, sin sobrepasar el número máximo de nodos permitido por la versión de estudiante de ANSYS y, por otra, aplicar a los modelos condiciones de contorno realistas. Los modelos desarrollados son explotados para obtener resultados del contacto rueda-carril (área de contacto real, distribuciones de tensiones, entre otros), considerando distintos valores de peso por eje, desplazamiento lateral del eje, coeficiente de rozamiento, entre otros parámetros, con el objetivo de conocer y analizar la evolución del contacto en un cruzamiento de un desvío, que es una de las zonas críticas desde el punto de vista del mantenimiento del trazado ferroviario.

[EN] In this Master's Thesis, finite element models are developed using the commercial program ANSYS Mechanical APDL, in order to analyse wheel/rail contact parameters at the crossing of a railway turnout. In such finite element models, a part of a wheel is modelled, a section of a crossing and the wheel/rail contact is made by creating a "contact pair", defining a contact surface (crossing’s rail) and a target surface (wheel). The main challenges in the development of finite element models are, on the one hand, achieving a sufficiently refined mesh in potential contact areas between the wheel and the crossing rail to obtain results with good precision, without exceeding the maximum number of elements allowed by the student version of ANSYS and, on the other hand, applying realistic boundary conditions to the models. The developed models are exploited to obtain wheel/rail contact results (real contact area, stress distributions, among others), considering different values of axle load, lateral displacement of the wheelset, coefficient of friction, among other parameters, with the objective of knowing and analysing the evolution of the contact at a crossing of a railway turnout, which is one of the critical areas from the point of view of the maintenance of a railway line.

[CAT] En aquest Treball Fi de Màster es desenvolupen models d'elements finits emprant el programa comercial ANSYS Mechanical APDL, per tal d'analitzar paràmetres del contacte roda/carril en determinades parts d'un encreuament d'un desviament ferroviari. En aquests models d'elements finits, es modela una part d'una roda, una secció d'un encreuament i el contacte roda/carril es realitza mitjançant la creació d'un "parell de contacte (contact pair), definint una superfície de contacte (carril del encreuament) i una superfície objectiu (roda). Els principals reptes en el desenvolupament dels models d'elements finits són, per una banda, aconseguir un mallat suficientment refinat en zones potencials de contacte entre la roda i el carril de l'encreuament per obtenir resultats amb una bona precisió, sense sobrepassar el nombre màxim de nodes permès per la versió d'estudiant d'ANSYS i, de l'altra, aplicar als models condicions de contorn realistes. Els models desenvolupats són explotats per obtenir resultats del contacte roda/carril (àrea de contacte real, distribucions de tensions, entre d'altres), considerant diferents valors de pes per eix, desplaçament lateral de l'eix, coeficient de fregament, entre altres paràmetres, amb el objectiu de conèixer i analitzar l'evolució del contacte en un encreuament d'un desviament, que és una de les zones crítiques des del punt de vista del manteniment del traçat ferroviari.