1,720,977 research outputs found
Dynamic analysis of railway ballast behavior through computational modeling.
No full textAs ferrovias são essenciais para transpor grandes distâncias e levar alta quantidade de carga. Para garantir segurança, é necessária a manutenção periódica nos componentes da superestrutura da via. O processo de socaria é o responsável por reposicionar os trilhos, corrigindo imperfeições geométricas, no entanto, há variação da densificação do lastro como efeito colateral do processo, gerando possíveis reduções de rigidez vertical e resistência lateral, o que requer cuidado, em particular no que concerne à operação segura da via. Dessa forma, uma das estratégias é reduzir a velocidade de tráfego até que a via volte a apresentar parâmetros aceitáveis de segurança, entretanto, o impacto operacional desse método é significativo. Alternativamente, utiliza-se o equipamento de estabilização dinâmica (DGS), capaz de acelerar o processo de regeneração da via, homogeneizando a camada de lastro. Para entender a eficiência e verificar a eficácia desses equipamentos de manutenção periódica do lastro, nas condições utilizadas no Brasil, optou-se por realizar uma análise numérica do comportamento do lastro ferroviário por meio do método dos elementos discretos (MED), utilizando o programa comercial Rocky DEM. Devido à importância da forma geométrica dos grãos, foi realizada a digitalização de 90 partículas de lastro, por meio de um escâner a laser; o resultado obtido, assim como as simplificações realizadas, foi discutido e comparado com outros métodos. Analisaram-se diversos parâmetros computacionais de propriedades das partículas e de contato. Ademais, o coeficiente de atrito entre as partículas de lastro foi calibrado por meio da simulação de um ensaio de cisalhamento direto. Por fim, simulou-se a seção transversal representativa da via, utilizando os equipamentos de socaria e DGS, comparando diferentes configurações de parametrização de ambos os equipamentos. Analisou-se o perfil de densificação, a resistência lateral e a rigidez vertical do dormente. Em suma, de acordo com as simulações, a socaria cumpriu a sua função primordial de corrigir a geometria da via e o DGS evidenciou a sua importância na melhora das condições do lastro. A frequência de 28 Hz mostrou-se melhor na maioria dos aspectos analisados para ambos os processos de manutenção estudados.Railways are essential for transporting goods over long distances. To ensure safety, periodic maintenance of the track superstructure components is necessary. The tamping process is responsible for repositioning the rails, correcting geometric imperfections. However, the densification of the ballast may vary as a side effect of the process, leading to potential reductions in vertical stiffness and lateral resistance. This requires careful consideration, particularly regarding the safe operation of the track. Therefore, one strategy is to reduce traffic speed until the track returns to acceptable safety parameters. However, the operational impact of this method is significant. Alternatively, dynamic ground stabilization (DGS) equipment can be used to accelerate the track regeneration process, homogenizing the ballast layer. To understand the efficiency and effectiveness of these periodic ballast maintenance equipment under the conditions used in Brazil, a numerical analysis of the behavior of the railway ballast was performed using the discrete element method (DEM) with the commercial software Rocky DEM. Due to the importance of the particle geometry, 90 ballast particles were scanned using a laser scanner, and the obtained result, as well as the simplifications applied, were discussed and compared with other methods. Several computational parameters of particle properties and contact were analyzed. In addition, the friction coefficient between ballast particles was calibrated by simulating a direct shear test. Finally, a representative cross-section of the track was simulated using both tamping and DGS equipment, comparing different parameter configurations of both equipment. The densification profile, lateral resistance, and vertical stiffness of the sleeper were analyzed. In summary, according to the simulations, the tamping fulfilled its primary function of correcting the track geometry, and the DGS demonstrated its importance in improving ballast conditions. The 28 Hz frequency was found to be better in most aspects analyzed, for both maintenance processes studied
Numerical simulations of granular systems: a contact detection algorithm for convex NURBS particles.
Full text linkMateriais granulares são frequentemente encontrados na natureza e na indústria. Seu comportamento pode ser simulado numericamente pelo método dos elementos discretos (DEM), o qual trata o movimento de cada partícula pelas equações de Newton-Euler. A interação entre partículas provém principalmente do contato. Dois tópicos fundamentais do DEM são abordados pelo presente trabalho: a definição da geometria das partículas e a detecção do contato. O primeiro tópico influencia a localização e a direção das forças de contato a serem incluídas nas equações de movimento. Formatos mais realistas levam a respostas mais realistas do sistema. No entanto, formatos complexos aumentam o custo computacional das simulações, principalmente devido à detecção do contato, a qual tende ser mais custosa e não tão robusta. Dentro desse contexto, a presente pesquisa tem como objetivo propor um novo algoritmo para a detecção de contato entre partículas lisas e convexas cujos contornos são geometricamente definidos por superfícies B-splines racionais não uniformes (NURBS). Esse algoritmo engloba as buscas de contato global e local. Para lidar com o contato entre formatos não-padrão em uma escala local, o presente trabalho utiliza três técnicas provenientes da computação gráfica: soma de Minkowski, obstáculo do espaço de configuração (CSO) e função de suporte. A ideia é detectar o contato e determinar a máxima penetração entre partículas por meio de esquemas de otimização em que as quantidades procuradas são pontos de mínimo das funções objetivo. A modelagem de partículas NURBS também é um ponto de discussão do presente trabalho. Mostra-se que agrupar múltiplas superfícies NURBS no espaço implica em imperfeições geométricas locais nas conexões entre superfícies, onde suavidade e convexidade não são garantidas. Para contornar o problema, a técnica de degeneração do contato é adaptada para ser empregada junto com a formulação proposta de contato. O foco da pesquisa está na robustez do algoritmo de detecção de contato, embora discussões iniciais de eficiência também sejam feitas. Exemplos numéricos são apresentados para analisar o comportamento do algoritmo. Todas as implementações e as simulações numéricas são realizadas no software Giraffe. A geração de partículas NURBS é feita com o software Rhinoceros 3DTM. Os resultados numéricos destacam a robustez do método, além de apontar para a necessidade de melhorar a sua eficiência.Granular materials are frequently found in nature and industry. Their behavior can be simulated numerically by the discrete element method (DEM), which handles the motion of each particle by the Newton-Euler equations. The interaction between particles stems mainly from contact. In the present work, two fundamental topics of DEM are addressed: the definition of the geometry of the particles and their contact detection. The first one influences the location and direction of contact forces to be included into the equations of motion. More realistic shapes lead to more realistic system responses. However, complex shapes increase the computational cost of DEM simulations, mainly due to the contact detection, which tends to be more expensive and not so robust. In this context, the present work aims at proposing a new contact detection algorithm for smooth and convex particles whose boundaries are geometrically defined by non-uniform rational B-splines (NURBS). It encompasses both global and local searches for contact. To deal with contact between non-standard shapes at a local scale, the present work employs three techniques coming from computer graphics: Minkowski sum, configuration space obstacle (CSO) and support mapping. The idea is to detect contact and determine the maximum penetration between particles through optimization schemes in which the quantities searched are minima of the objective functions. The modeling of NURBS particles is also a point of discussion of the present work. It is shown that assembling multiple NURBS patches in space implies in local geometric imperfections at the connections between patches, where smoothness and convexity are not guaranteed. To overcome the issue, the contact degeneration technique is adapted to be employed together with the proposed contact formulation. The focus of the research is on the robustness of the contact detection algorithm, although some initial discussions on efficiency are also made. Numerical examples are presented to analyze the behavior of the algorithm. All implementations and numerical simulations are performed with the software Giraffe. The generation of NURBS particles is done with the software Rhinoceros 3DTM. The numerical results underline the robustness of the method, in addition to pointing out the need to improve its efficiency
Modelagem estrutural de pás de turbinas eólicas por meio de elementos de viga e casca: uma abordagem comparativa.
No full textThe total wind power capacity installed in the world has substantially grown during the last few years, mainly due to the increasing number of horizontal axis wind turbines (HAWT). Consequently, a big effort was employed to increase HAWT\'s power capacity, which is directly associated to the size of blades. Then, novel designs of blades may lead to very fexible structures, susceptive to large deformation, not only during extreme events, but also for operational conditions. In this context, this thesis aims to compare two geometrically nonlinear structural modeling approaches that handle large deformation of blade structures: 3D geometrically-exact beam and shell finite element models. Regarding the beam model, due to geometric complexity of typical cross-sections of wind turbine blades it is adopted a theory that allows creation of arbitrary multicellular cross-sections. Two typical blade geometries are tested, and comparisons between the models are done in statics and dynamics, always inducing large deformation and exploring the accuracy limits of beam models, when compared to shells. Results showed that the beam and shell models present very similar behavior, except when violations occur on the beam formulation hypothesis, such as when shell local buckling phenomena takes place.A capacidade total de energia eólica instalada no mundo cresceu substancialmente nos últimos anos, principalmente devido ao número crescente de turbinas eólicas de eixo horizontal. Consequentemente, um grande esforço foi empregado com o intuito de aumentar a capacidade de produção das turbinas eólicas, que está diretamente associada ao tamanho das pás. Assim, surgiram projetos inovadores quanto à concepção de pás de turbinas eólicas levando a estruturas bastante flexíveis, susceptíveis a grandes deslocamentos, não apenas em eventos extremos, mas também em condições normais de operação. Nesse contexto, a presente dissertação tem por objetivo comparar duas abordagens de modelos estruturais geometricamente não-lineares capazes de lidar com grandes deslocamentos de pás de turbinas eólicas: elementos finitos geometricamente exatos 3D de vigas e cascas. Em relação ao modelo de viga, devido à complexidade geométrica das seções transversais típicas de pás de turbinas eólicas, adota-se uma teoria que permite a criação de seções transversais arbitrárias multicelulares. Duas geometrias de pás s~ao testadas e comparações entre os modelos s~ao feitas em análises estáticas e dinâmicas, sempre induzindo grandes deslocamentos e explorando os limites de precisão do modelo de viga, quando comparado ao modelo de cascas. Os resultados indicam que os modelos de viga e casca apresentam comportamento muito similar, exceto quando ocorrem violações em hipóteses do modelo de viga, tal como quando ocorre flambagem local do modelo de casca
Computational modeling for contact forces analysis in the wheel-rail interaction.
No full textAs ferrovias, muito importantes para o transporte de pessoas e mercadorias, são também grandes fontes de ruído e vibração no meio urbano e rural. Os esforços dinâmicos devido ao contato aço-aço, entre as rodas e trilhos, são transmitidos à fundação da via e geram ondas vibratórias que se propagam pelo solo até atingir um receptor. Devido aos potenciais danos causados por essas excitações, modelos matemáticos capazes de prever e realizar a propagação das vibrações são de grande importância, podendo nortear ações mitigatórias. Neste contexto, este trabalho propõe a criação de um modelo numérico, utilizando-se de dinâmica multicorpos imerso em um ambiente de elementos finitos com não linearidade geométrica, que procure representar a interação dinâmica no sistema veículo-via e que permita analisar o comportamento das forças de contato roda-trilho. Tal modelo é utilizado com o objetivo de analisar e compreender como as forças dinâmicas de contato são influenciadas pelas características do veículo e da via. Alguns estudos sequenciais foram realizados. Iniciou-se com a avaliação do comportamento do veículo ao trafegar em uma superfície plana. Sequencialmente, considerou-se o veículo trafegando sobre modelos de vigas rígidas, representando os trilhos. Neste caso foram estudados cenários de rolamento e deslizamento. Posteriormente, o valor de uma rigidez equivalente da via foi avaliado por meio de um modelo estrutural e incorporado em um estudo para análise das forças de impacto das rodas ao passarem sobre descontinuidades em trilhos. Os resultados deste trabalho podem ser utilizados como dados de entrada para futuros modelos para previsão de propagação de ondas no solo devido às cargas ferroviárias.Railways are important to freight and people transportation but are also one of the greatest sources of vibration in urban and rural environments. Dynamic loads are generated in steel-steel contact between wheels and rails and are transferred to foundation. They generate oscillatory waves that propagate through the ground, until finding a receptor. Potential damage due to ground borne vibration has increased the importance of predicting and calculating wave propagation with the aid of computational models, serving as guidelines for mitigating actions. On this context, the present work proposes a numerical model, adopting a multibody rigid-flexible dynamics formulation, based on a nonlinear geometrically-exact finite element description. The aim is to represent the dynamic interaction between the vehicle and the railway, permitting one to analyze wheel-rail contact forces. The model represents the dynamic interaction between vehicle and track and allows one to analyze how the dynamic contact forces are influenced by vehicle and railway characteristics. Some sequential studies were performed, starting from the evaluation of a vehicle running on a plane surface. Next, the scenario of a vehicle running on rigid beams representing the rails was simulated. In this case both sliding and sticking scenarios of contact were considered. Then, the value of an equivalent track stiffness was obtained by a structural model. It was taken as input to another study, which analyzed impact forces between wheels and rails when the vehicle experiences the passage by a discontinuity on the track. The results of the present work may be useful as input data for future prediction models of ground borne vibration due to railway dynamic forces
Numerical modeling of the twin-disc test for elastic stress field evaluation in rolling scenarios.
No full textEstudos recentes vêm procurando investigar fenômenos de contato mecânico por meio de modelos computacionais. Muitas vezes, no contexto roda-trilho em aplicações de engenharia ferroviária, o contato roda-trilho e fenômenos relacionados são estudados por meio de ensaios físicos disco-disco. O cenário de rolamento promovido pelo ensaio, embora simplificado, fornece dados consistentes para o estudo dos fenômenos. Porém, ao mesmo tempo, o controle dos parâmetros de ensaio e seu viés físico-experimental tornam a análise detalhada dos campos de tensões e deformações envolvidos mais dificultada. Modelos analíticos e numéricos, dessa forma, podem ser vistos como complementares aos experimentos, uma vez que procuram prever campos de tensões e deformações nos materiais. Nesse contexto, essa dissertação procura, em primeiro lugar, avaliar a condição de contato em ensaios disco-disco por meio de simulações computacionais de mecânica dos sólidos, utilizando-se do Método dos Elementos Finitos (MEF). Essa abordagem traz liberdade no processo de modelagem, dado o caráter geral do método, e é de grande valia, particularmente, para o estudo da fadiga e do desgaste, problemas muito frequentes no sistema ferroviário. Para se realizar simulações do cenário do ensaio existe a dificuldade de representar no modelo todos os aspectos inerentes ao sistema, em especial, a cinemática dos discos. A taxa de deslizamento relativo entre os discos, parâmetro cinemático chave no ensaio, representa uma etapa crucial na modelagem. É por meio dela que se estabelece a relação constitutiva do contato, manifestada na chamada curva de creep. Existem também programas específicos, como o CONTACT, onde as particularidades do contato com rolamento são facilmente manipuladas e são tomados como referências de comparação.Os resultados numéricos aqui apresentados servem de embasamento conceitual para melhor interpretar resultados experimentais de um ensaio disco-disco. Além disso, o estudo numérico permite uma avaliação detalhada dos estados de tensão e de deformação do cenário dos discos. Isso auxiliará estudos que objetivam prever o local dos pontos candidatos a nucleação de trincas e das maiores taxas de desgaste. Esse trabalho, assim, representa uma ponte conceitual entre um cenário idealizado do contato roda-trilho representado em laboratório experimental e seu entendimento sob uma perspectiva de modelagem computacional.Recent studies have been aiming to evaluate mechanical contact phenomena through numerical simulations. Commonly, in the wheel-rail context for Railway Engineering applications, the wheel-rail contact and related phenomena has been addressed by the twin disc test approach. Although the rolling scenario present in the test is simplified, it offers reliable source for the study of the phenomena. Nevertheless, at the same time, the test control parameters and its physical-experimental nature turn out the stress-strain field analysis much more difficult. The numerical model, by this way, represents a complementary way for this study, since stress and strain fields are able to be addressed.Present work seeks, in a first moment, to evaluate and understand the contact nature in twin- disc test with the aid of computational simulations using mainly Finite Element Methods. This approach brings a clear way in the modelling process due to its general features, especially for the study of wear and fatigue, which are common problems in railways. At the same time, the reproduction of all inherent characteristics of the test is a difficult task, specially the discs kinematics. The relative slip rate of the discs, a key kinematic parameter of the test, represents a crucial step of the modelling process. By means of this rate it is possible to reproduce the constitutive relation of the contact, translated into a curve called creep curve. There are also specific software, such as CONTACT, where the inherent characteristics of the rolling contact are easily manipulated, and can be used as reference for the sake of comparison. The numerical results will be a conceptual base for better evaluation of the experimental results. Moreover, the numerical study will allow a detailed evaluation of the discs stress-strain states. It will help in studies where the prediction of the crack initiation candidate points and wear rate are sought. Therefore, this work represents a conceptual link between an idealized test environment and the understanding of a more realistic scenario, such as the wheel-rail contact
Flambagem vertical de dutos desencadeada pela pressão interna resultante do transporte de petróleo e gás natural: discussões teóricas e análise geometricamente não linear usando o Método dos Elementos Finitos.
No full textThe pipelines used to transport oil and gas from the wellheads to the distribution and refining sites can be subjected to high levels of pressure and temperature. Under such conditions, the pipelines tend to expand, but, if the expansion is inhibited, a significant compressive axial force can arise, leading to their buckling, which can occur in the horizontal or vertical plane. In this context, the objective of the present work is to analyze the upheaval buckling of pipelines, considering the internal pressure to which they are subjected during the transportation of oil and gas as its only triggering. Using the concept of effective axial force, it aims at discussing two different approaches for considering the internal pressure in buckling problems: distributed loads dependent on pipeline curvature and equivalent compressive axial forces with follower and non-follower characteristics. It also discusses the influence of using static or dynamic analysis for such approaches. Concerning the upheaval buckling itself, the work intends to analyze and compare the influence of the soil imperfection amplitudes to the influence of the friction between the pipeline and the ground in the critical loads and in the post-buckling configurations of the pipeline. Besides theoretical research, the objectives are achieved through the development of various numerical models, since geometrically-simple models, without the consideration of the interaction between the pipeline and the ground, until more complex models, with the use of contact models to detect the ground and its imperfections. The models are developed in Giraffe (Generic Interface Readily Accessible for Finite Elements) using geometrically-exact finite element models of beams, undergoing large displacements and finite rotations. Through the research, it is concluded that there is an equivalence between the application of the internal pressure as a distributed load dependent on pipeline curvature and the application of the internal pressure as a follower compressive axial force. Besides this, it is demonstrated that the type of the analysis (static or dynamic) depends on the nature of the physical system analyzed. With the aid of results presented in terms of internal pressure, classical results about the influence of the imperfection amplitudes and of the friction between the pipeline and the ground in buckling are confirmed. It is also showed that the imperfection amplitudes analyzed play a more important role in the post-buckling configurations of the pipeline than the friction.Os dutos utilizados para transportar petróleo e gás natural das reservas até os locais de distribuição e refino podem estar submetidos a elevados níveis de pressão e temperatura. Sob tais condições, os dutos tendem a se expandir, porém, se a expansão é inibida, uma força axial de compressão significativa pode surgir nos dutos, ocasionando a flambagem lateral ou vertical dos mesmos. Dentro desse contexto, o objetivo do presente trabalho é analisar a flambagem vertical de dutos, considerando a pressão interna à qual eles estão submetidos durante o transporte de petróleo e gás natural como o único parâmetro desencadeador da flambagem. Usando o conceito de força axial efetiva, o trabalho objetiva discutir duas abordagens diferentes para considerar a pressão interna nos problemas de flambagem: carregamentos distribuídos dependentes da curvatura do duto e forças axiais de compressão equivalentes à pressão com caráter seguidor e não seguidor. O trabalho também discute a influência de usar a análise estática ou dinâmica para analisar essas abordagens de carregamento. Com relação à flambagem vertical propriamente dita, o trabalho pretende analisar e comparar a influência das amplitudes das imperfeições presentes no solo com a influência do atrito entre o duto e o solo nas cargas críticas e nas configuração pós-críticas do duto. Além de pesquisa teórica, os objetivos são atingidos através do desenvolvimento de vários modelos numéricos, desde modelos geometricamente simples, sem a consideração da interação entre o duto e o solo, até modelos mais complexos, com o uso de modelos de contato para detectar o solo e suas imperfeições. Os modelos são desenvolvidos no Giraffe (Generic Interface Readily Accessible for Finite Elements) usando elementos finitos geometricamente exatos de viga, sujeitos a grandes deslocamentos e rotações finitas. Através da pesquisa, conclui-se que existe uma equivalência entre a aplicação da pressão interna como um carregamento distribuído dependente da curvatura do duto e a aplicação da pressão interna como uma força axial de compressão seguidora. Além disso, demonstra-se que o tipo de análise (estática e dinâmica) depende da natureza do sistema físico analisado. Com a ajuda de resultados apresentados em termos de pressão interna, os resultados clássicos sobre a influência das amplitudes das imperfeições e do atrito entre o duto e o solo são confirmados. Também é mostrado que as amplitudes das imperfeições analisadas desempenham uma maior influência nas configurações pós-críticas do duto do que o atrito
Uma formulação de corpo rígido e contato master-master para aplicações ferroviárias multicorpos.
No full textIn computer simulation the term \"multibody system\" is usually employed to describe a system of interconnected bodies. Several examples of multibody systems can be found in railway engineering. A wheelset interacting with a track through a contact interface is just one example of practical interest. Modelling mechanical systems in a virtual environment contributes to the understanding of subjects such as dynamic behaviour, stability, durability, wear, fatigue, etc. In the context of a rigid-flexible multibody system mathematically described by a weak-form, the purpose of the present work is to evaluate the contributions due to rigid bodies considering their contact interactions. Inertial contributions due to distribution of mass of a rigid body are fully developed, considering a general pole position associated with a single node, representing a rigid body element. Rodrigues rotation parameters are used to describe finite rotations, by an updated Lagrangian description. Then, the so-called master-surface to master-surface contact formulation is adapted to be used in conjunction with the rigid body element and flexible bodies, aiming to consider their interaction in a rigid-flexible multibody environment. New surface parameterizations are proposed to establish contact pairs, permitting pointwise interaction in a frictional scenario. The proposed formulation is used to represent mechanical systems from different contexts, including a numerical example of the wheel-rail contact interface. The obtained results show the robustness and applicability of the methods.Em simulação computacional o termo \"sistema multicorpos\" é usualmente empregado para descrever um sistema de corpos interconectados. Diversos exemplos de sistemas multicorpos podem ser encontrados no campo da engenharia ferroviária. Um rodeiro interagindo com a via através de uma interface de contato é apenas um dos exemplos de interesse prático. A modelagem de sistemas mecânicos em um ambiente virtual contribui para o entendimento de assuntos como comportamento dinâmico, estabilidade, durabilidade, desgaste, fadiga, etc. No contexto de um sistema multicorpos rígido-flexível descrito matematicamente por uma forma fraca, o propósito do presente trabalho é avaliar as contribuições devido à presença de corpos rígidos considerando interações de contato. Contribuições inerciais devido à distribuição de massa do corpo rígido são desenvolvidas e apresentadas em totalidade, considerando um polo genérico associado a um único nó, representando o corpo rígido. Parâmetros de rotação de Rodrigues são usados para descrever rotações finitas em uma descrição Lagrangiana atualizada. A formulação de contato master-surface to master-surface é adaptada para ser usada em conjunto com o elemento de corpo rígido e corpos flexíveis, estabelecendo a interação entre esses corpos em um ambiente de simulação multicorpos. Novas parametrizações de superfícies de contato são desenvolvidas para estabelecer os pares de contato, assumindo-se interações pontuais, em um cenário de contato com atrito. A formulação proposta é usada para representar sistemas mecânicos em diferentes contextos, incluindo um exemplo numérico do caso de contato roda-trilho. Os resultados obtidos mostram a robustez e a aplicabilidade dos métodos
Methodology to quantify the effect of contact pressure on rails subjected to the passage of a familyof wheels.
No full textA interação de contato entre a roda e o trilho em uma ferrovia tem forte influência no desempenho de todo o sistema ferroviário. Durante a operação, fenômenos indesejáveis podem ocorrer devido aos esforços que ocorrem no contato roda-trilho, como desgaste, fadiga por contato de rolamento, descarrilamento, entre outros. Os esforços no contato roda-trilho variamde acordo com as condições da via e da geometria dos perfis envolvidos. Há diversos modelos disponíveis para identificar a posição, a área de contato e os esforços envolvidos. No âmbito ferroviário, alguns processos de análise da interação roda-trilho foram desenvolvidos, dentre eles, um dos principais é o pummelling, que fornece uma medida de acúmulo de efeitos gerados em um par de trilhos devido à atuação de uma população de rodas com diferentes perfis geométricos. O objetivo do presente trabalho é elaborar uma metodologia para avaliar o acúmulo de dano na estrutura de um par de trilhos baseada na metodologia pummelling. A primeira etapa do desenvolvimento do modelo consiste na descrição e parametrização geométrica dos perfis de rodas e trilhos. Em seguida, apresenta-se o desenvolvimento do modelo de contato quase estático, que utiliza a formulação master-surface to master-surface, porém com adaptações para o caso bidimensional, possibilitando obter solução analítica para o problema local de contato. Este modelo, utilizado para determinar a posição do contato, também é capaz de lidar com situações em que há mais de uma interação pontual e em que há superfície não convexa no contato. De posse da localização do contato e das características da via e do veículo em operação, as tensões normais advindas do contato podem ser avaliadas com base na teoria de Hertz, dentre outras metodologias disponíveis. Como resultados, são gerados diagramas de pressão acumulada no par de trilhos, causadas pela atuação da população de rodas considerada. Um dos requisitos do presente projeto é a implementação do modelo em um programa computacional capaz de avaliar a interação roda-trilho de modo rápido - por ser um modelo bidimensional com poucos graus de liberdade - e gerar resultados realísticos - pois utiliza geometria de perfis reais. Os resultados obtidos neste modelo poderão ser utilizados como base para otimização de perfis de trilhos em trabalhos futuros.The contact interaction between wheel and rail on a railroad has a strong influence on the performance of the entire railway system. During operation, undesirable phenomena may occur due to stresses in the wheel-rail contact, such as wear, rolling contact fatigue, derailment among others. These efforts vary according to the track conditions and the wheel and rail profiles geometry. There are many models to identify the position, the contact patch and the stresses that occur in the interaction between two bodies. In the railway field, some analysis processes of the wheel-rail interaction were developed, among them, pummelling is one of the most important, which gives a measure of accumulated effects induced on a pair of rails due to a wheel population performance. This work aims to elaborate a methodology to evaluate the accumulated damage on a pair of rails structure based on the pummelling methodology. The first step of the model consists of the geometric description and parameterization of the wheel and rail profiles. Next, the development of the quasi-static contact model is presented, based on master-surface to master-surface formulation, but with adaptations to two-dimensional case, in which one employs an analytical solution for each local contact problem. This model, used to determine the contact locus, is also able to handle situations where there is more than one contact pointand where there is nonconvexity on contact surfaces. Given the location of the contact and the characteristics of the track and the vehicle in operation, the normal stresses are calculated based on Hertz\'s or others theories. As result, diagrams of accumulated pressure in the pair of rails are generated, caused by the actuation of the considered wheels population. One requirement of the present project is the implementation of the model in a computational program that will be able to evaluate the wheel-rail interaction quickly - due to the two-dimensional model with few degrees of freedom - and generate realistic results - because it uses geometry of real profiles. The results obtained from this model can be used as basis for optimization of rail profiles in future works
A C1 spline-based contact formulation: textile applications.
Full text linkO contato entre corpos é um fenômeno complexo que envolve interação mecânica, atrito, transferência de calor, entre outros fatores. Uma abordagem comum (e conveniente) para interação mecânica em um ambiente de elementos finitos é usar diretamente a geometria dos elementos para formular a interação por contato. A principal desvantagem dessa abordagem está na existência de arestas agudas formadas, por exemplo, pela junção de elementos finitos retilíneos ou não-suaves que podem levando a singularidades de contato. Para contornar este problema, particularmente no contexto de contatos viga-a-viga, o presente trabalho propõe uma formulação de elementos de contato baseada em curvas splines C1. A formulação baseada em splines é desenvolvida para lidar com cenários de contato conforme (distribuído) e não-conforme (pontual). Uma estratégia de três critérios é introduzida para auxiliar no processo de tomada de decisão entre cenários de contato conforme e não-conforme. A formulação baseada em splines proposta pode ser anexada diretamente a qualquer formulação envolvendo elementos finitos de viga quadráticos, garantindo uma descrição suave para esses elementos. Uma lei específica de interação de contato normal não-linear e um modelo reológico para atrito já estabelecido, ambos com contribuições elásticas e viscosas, são adotados aumentando as possibilidades em aplicações práticas. Para demonstrar algumas possibilidades de aplicação, vários exemplos são explorados, incluindo comparações diretas com uma formulação de contato superfície-a-superfície e uma formulação alternativa de contato suave, além de exemplos desafiadores envolvendo contatos conformes e não-conformes e aplicações têxteis.The contact between bodies is a complex phenomenon that involves mechanical interaction, frictional sliding, and heat transfer, among others. A common (and convenient) approach for mechanical interaction in a finite element framework is to directly use the geometry of the elements to formulate the contact. The main drawback lies in the sharp corners that occur when straight or non-smooth finite elements are connected leading eventually to contact singularities. To circumvent this issue, particularly in the context of beam-to-beam contact, the present work proposes contact formulation based on smooth C¹-continuous spline contact elements. The spline-based formulation is designed to handle conformal (distributed) and non-conformal (pointwise) contact scenarios. A three-criterion strategy is introduced to aid in the decision-making process between conformal and non-conformal contact. The proposed spline-based formulation, which can be directly attached to any quadratic beam finite element formulation, guarantees a smooth description for the whole set of elements, where contact takes place. A specific nonlinear normal contact interaction law and an established rheological model for friction, both with elastic and viscous damping contributions, are adopted increasing robustness in practical applications. To demonstrate this robustness several examples are explored including direct comparisons with a similar surface-to-surface formulation and an alternative smooth contact scheme and challenging examples involving conformal and non-conformal contacts and textile applications
Geometric modelling of the wheel-rail pair with NURBS description.
No full textParte fundamental da modelagem computacional do contato é a descrição matemática das superfícies dos corpos envolvidos. A proposta deste trabalho é sistematizar a reconstrução de superfícies de rodas e trilhos em ambiente computacional a partir de amostras discretas medidas em elementos ferroviários reais. Estas representações podem, então, ser utilizadas em simulações de elementos finitos de diversas situações de interesse ao contexto ferroviário. Foi desenvolvido um procedimento de ajuste por aproximação de curvas chamadas de splines de arcos, que são compostas por arcos de circunferência conectados de forma suave (continuidade do vetor tangente através dos segmentos). Dada uma sequência de amostras de uma curva plana, propriedades geométricas como comprimento de arco e curvatura são estimadas. Uma primeira curva aproximada é obtida a partir da curvatura estimada. Em seguida, é aplicado um método de otimização por mínimos quadrados que deforma a spline de arcos aprimorando a aproximação. Splines de arcos são um caso particular de curvas racionais NURBS (NonUniform Rational B-splines). Na segunda parte do trabalho, investiga-se como parametrizar as curvas planas reconstruídas usando funções racionais. Além disso, esquematiza-se como transformar as curvas planas reconstruídas em superfícies NURBS de extrusão e revolução a fim de modelar superfícies de contato de trilhos e rodas respectivamente.The mathematical description of the touching bodies surfaces is a fundamental part of computational contact modelling. This work proposal is to systematize the reconstruction of wheel and rail surfaces in computational environment, given a set of discrete samples measured from existing railway elements. The aim is to employ these representations in finite elements simulations of various interesting situations to the railway context. The fitting procedure developed is based on arc-splines, a family of curves composed of circular arcs smoothly joined (the tangent vector is continuous across segments). Given a sequence of points sampled from a planar curve, we estimate geometric properties such as arc-length and curvature. An initial approximation is obtained from the estimated curvature. Then, a better fitting is found deforming the arc-spline by a least-squares method. Arc-splines are rational curves and can be parametrized as NURBS (Non-Uniform Rational B-splines). The second half of this work concerns the parametrization of arc-splines using rational functions. As well as the parametrization of NURBS surfaces generated by extrusion and revolution of the approximate curves for modelling the surfaces of rails and wheels
- …
