Métodos avanzados para el cálculo de las propiedades dinámicas de la vía ferroviaria

Abstract

[ES] La vía ferroviaria tiene como función primaria la transmisión de fuerzas desde el punto de contacto rueda-carril hasta el terreno. Esta función estructural ha sido tradicionalmente abordada en ingeniería a través de herramientas de la estática, siendo mucho más recientes los estudios que consideran las vibraciones asociadas a la interacción dinámica entre el vehículo ferroviario y la vía. La importancia de las vibraciones de la vía ferroviaria está asociada a la reducción de costes del mantenimiento y al impacto vibroacústico de este medio de transporte.

Los primeros modelos dinámicos de la vía se han llevan a cabo a través de los métodos tradicionales en ingeniería mecánica tales como Elementos Finitos y aproximaciones a través de sistemas de parámetros concentrados. Sin embargo, estas metodologías son incapaces de abordar con realismo las características de la vía, al tratarse ésta de un sistema de dimensiones infinitas.

El presente trabajo aborda el modelado de la vía a través de diferentes enfoques, desde métodos simples analíticos, a otros más complejos como el tradicional método de elementos finitos. Adicionalmente, se desarrolla una metodología, más avanzada, que implementa la dependencia transversal mediante la interpolación de Elementos Finitos, mientras que la longitudinal se estudia en el dominio del número de onda. El sistema completo formado por el carril y las traviesas se construye a través de técnicas de subestructuración de acoplamiento de receptancias. La validación del método se lleva a cabo a través de resultados del modelo que se comparan con otros disponibles en la literatura.

[EN] The primary function of the railway track is to transmit forces from the wheel-rail contact point to the ground. Traditionally, engineering has approached this structural function using static tools, but more recent studies have focused on the vibrations associated with the dynamic interaction between the railway vehicle and the track. Understanding and mitigating railway track vibrations are crucial for reducing maintenance costs and managing the vibroacoustic impact of this mode of transportation. Initial dynamic models of the track have been developed using traditional mechanical engineering methods such as Finite Element Analysis and approximations through concentrated parameter systems. However, these methodologies struggle to realistically capture the characteristics of the track due to its infinite dimensional nature. This research tackles the track modeling challenge using various approaches, ranging from simple analytical methods to more sophisticated techniques like the traditional finite element method. Moreover, an advanced methodology is presented that incorporates transverse dependence through finite element interpolation, while longitudinal dependence is examined in the wavenumber domain. The complete system, including the rail and sleepers, is constructed using coupling receptance substructuring techniques. The proposed method is validated by comparing model results with existing literature data.

[CA] La funció principal de la via ferroviària és transmetre les forces des del punt de contacte entre la roda i el carril fins al terreny. Tradicionalment, l’enginyeria ha abordat aquesta funció estructural utilitzant eines estàtiques, però estudis més recents s’han centrat en les vibracions associades a la interacció dinàmica entre el vehicle ferroviari i la via. Comprendre i mitigar les vibracions de la via ferroviària és crucial per reduir els costos de manteniment i gestionar l’impacte vibroacústic d’aquest mode de transport. Els primers models dinàmics de la via s’han desenvolupat utilitzant mètodes tradicionals de l’enginyeria mecànica, com l’anàlisi d’elements finits i aproximacions mitjançant sistemes de paràmetres concentrats. No obstant això, aquestes metodologies tenen dificultats per capturar de manera realista les característiques de la via a causa de la seva naturalesa dimensional infinita. Aquesta recerca aborda el repte de modelització de la via utilitzant diversos enfocaments, des de mètodes analítics senzills fins a tècniques més sofisticades com el mètode d’elements finits tradicional. A més, es presenta una metodologia avançada que incorpora la dependència transversal mitjançant interpolació d’elements finits, mentre que s’examina la dependència longitudinal en el domini del nombre d’ona. Es construeix el sistema complet, que inclou el carril i les travesses, utilitzant tècniques de subestructuració de receptances de coupling. El mètode proposat es valida mitjançant la comparació dels resultats del model amb dades existents a la literatura.