Background: Environment for product configuration

6.3.4.1. Herramientas informáticas de simulación multicuerpo 6.3.4.1.i. Introducción

Como ya se ha visto para los casos simplificados analizados en los apartados 3.3.2.2. y 3.3.2.3 de la presente tesina, el primer paso para modelizar la circulación de un vehículo ferroviario es preparar el conjunto de ecuaciones de movimiento del sistema vehículo-vía. Normalmente, éstas son ecuaciones diferenciales de segundo orden. Las ecuaciones del movimiento pueden ser halladas automáticamente por un paquete informático de simulación ferroviaria, de manera que la interfaz del usuario requiere únicamente la descripción de los parámetros de los diferentes componentes del modelo.

Los programas utilizados para la simulación dinámica de un vehículo se denominan genéricamente programas MBS (“Multibody System”). El vehículo se representa mediante un conjunto de cuerpos rígidos (o masas) conectados entre sí por elementos flexibles y sin masa. Cada uno de los cuerpos rígidos puede tener un máximo de seis grados de libertad, tres de translación y tres de rotación. Las restricciones físicas pueden restringir algunos de estos movimientos.

6.3.4.1.ii. Estado del arte

Existe en el mercado gran cantidad de códigos informáticos desarrollados por organizaciones ferroviarias para facilitar el diseño de las suspensiones y la optimización de la vía y de los vehículos. Estos códigos utilizan la teoría dinámica multicuerpo para desarrollar las ecuaciones del movimiento del sistema.

Uno de los primero paquetes completos, MEDYNA (Mehrköper-Dynamic), fue desarrollado en la Organización de Investigación Aeroespacial Alemana DLR junto con la Universidad Politécnica de Berlín. MEDYNA está basado en un MBS con pequeños cuerpos rígidos con movimiento relativo respecto a un sistema de referencia global el cual permite grandes desplazamientos. SIMPACK fue desarrollado más tarde por el mismo equipo en DLR y está diseñado para vehículos automóviles y otros sistemas, además de para vehículos ferroviarios; permite cinemática no lineal desde el principio.

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Las ecuaciones del movimiento están formuladas en coordenadas relativas. ADAMS entró en 1995 en el mercado de simulación ferroviaria como ADAMS/rail con licencia de los elementos rueda-carril de MEDYNA.

En los Estados Unidos, la Association of American Railroads (AAR) comenzó el desarrollo del paquete de simulación de propósito general NUCARS (New and Untried Car Analytic Regime Simulation).

El French Nacional Transport Research (INRETS) desarrolló un código de simulación multicuerpo llamado VOCO (Voiture en Courbe) en 1987. Una versión comercial fue el denominado VOCOLIN en 1991, que permitió la simulación del contacto rueda-carril con una aproximación multihertziana.

En el British Rail Research (BBR) se desarrolló VAMPIRE, el cual está actualmente mantenido por la AEA Technology Rail.

En Suecia, la modelización de vehículos ferroviarios en ordenador comenzó en ASEA en 1971. En 1992 comenzó el desarrollo de un nuevo programa tridimensional de cálculo y el desarrollo del software fue transferido a una nueva compañía llamada DEsolver. Este nuevo código general informático tridimensional, junto con los anteriores pre y postprogramas se convirtieron en 1993 en la nueva herramienta de análisis llamada GENSYS.

Con el objeto de proporcionar información detallada de todos los datos de entrada necesarios para poder llevar a cabo una simulación, se ha elegido el paquete informático de simulación VAMPIRE, aunque cualquier otro programa de características similares sería adecuado para el estudio descrito. En principio, excepto pequeñas variaciones, la gran mayoría de paquetes tiene un funcionamiento muy similar al que a continuación se describe.

6.3.4.1.iii. Funcionamiento de un programa de simulación multicuerpo: VAMPIRE La figura siguiente muestra un resumen esquemático de los principales aspectos de un proceso de simulación ferroviaria, sea cual sea el programa elegido.

Ilustración 6-2. Diagrama de flujo general de un proceso de simulación por ordenador de un sistema ferroviario.

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6.3.4.1.iv. Datos de entrada

Los datos necesarios para la simulación con VAMPIRE pueden clasificarse en los 3 grupos indicados en el diagrama anterior:

ƒ Modelo del vehículo. ƒ Modelo de la Vía.

ƒ Modelo del contacto rueda-carril (interacción vehículo-vía). Modelización del vehículo

La subdivisión principal de los componentes del vehículo puede hacerse, según lo dicho anteriormente, en componentes del coche (masas rígidas) y componentes de la suspensión.

Los principales componentes del coche son: la caja, los bastidores de los bogies y los ejes montados; ellos sustentan principalmente la masa del vehículo (peso). Los principales componentes de la suspensión son varios muelles físicos y amortiguadores cuyas fuerzas están referidas esencialmente a los desplazamientos relativos y velocidad de sus componentes. También pertenecen a este grupo de elementos las barras de tracción, los topes, las barras antibalanceo, las bielas de arrastre, las uniones, etc.

Todos los datos requeridos por VAMPIRE para simular el vehículo se recogen en el Anejo 9. En primer lugar, es necesaria la descripción detallada de la geometría y las coordenadas de posición de la caja del vehículo, de los bogies, de las ruedas y de todos los elementos de suspensión y amortiguamiento. En segundo término, también deben proporcionarse los valores de masa e inercia de la caja del vehículo, de los bogies y de las ruedas. Por último, se requiere especificar las características elásticas de todos y cada uno de los elementos de suspensión y amortiguación.

La complejidad del modelo podría aumentarse si adicionalmente se tuvieran en cuenta la flexibilidad estructural de la caja del vehículo y la flexibilidad de los ejes de las ruedas, características que suelen obviarse en la mayoría de estudios de dinámica ferroviaria.

Destacar que para el caso del tranvía que circula en Barcelona, el modelo Citadis 302 de Alstom, se han obtenido todos los datos especificados en el Anejo 8, excepto las inercias de la caja del vehículo. Sin embargo, por la confidencialidad de estos datos, no han podido publicarse en el presente documento.

Modelización de la vía

Para la definición de la vía se requieren dos archivos de texto con un formato específico que viene descrito en el manual del programa [35]. Se trata de:

ƒ El archivo de diseño de la vía (track design file), en el que deben especificarse los siguientes parámetros con un cierto intervalo de muestreo, cada uno en una columna distinta y en el orden de enumeración:

- Distancia recorrida a lo largo de la vía. - Curvatura.

- Nivelación longitudinal. - Peralte.

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- Ancho del contracarril derecho.

El ancho de la vía se especifica en un cuadro de diálogo del programa en el que se configuran otros parámetros como la velocidad de circulación.

Para que el estudio de resultados representativos del estado actual de la vía, es imprescindible que los datos geométricos de este archivo no correspondan a los de proyecto de la vía, ni siquiera a los de recepción de la vía nueva, sino a la geometría media actual. Es decir, a lo que en el capítulo 4 se denominó línea media o parámetros geométricos cuasiestáticos, que puede obtenerse de los registros brutos de auscultación de la vía utilizando las técnicas de filtrado descritas en el mismo capítulo.

ƒ El archivo de irregularidades de la vía (track irregularity file), en el que deben especificarse los siguientes parámetros, también en una columna distinta cada uno de ellos:

- Distancia recorrida a lo largo de la vía. - Irregularidad en el peralte.

- Irregularidad en la curvatura.

- Irregularidad en la alineación transversal. - Irregularidad en la nivelación longitudinal. - Irregularidad en el ancho de la vía.

- Irregularidad en el ancho del contracarril izquierdo (desgaste). - Irregularidad en el ancho del contracarril derecho (desgaste).

En este caso el dato necesario es el que en el capítulo 4 se ha denominado geometría dinámica, es decir, la resultante de sustraer al registro bruto original la línea media.

En el Anejo 7 se recogen los ya citados registros geométricos del tramo experimental del Trambaix en formato gráfico y en listados.

Modelización de la interacción rueda-carril

Sin entrar en la descripción de los modelos de contacto rueda-carril que son objeto de multitud de estudios específicos, a continuación se enumeran los parámetros de entrada requeridos por VAMPIRE al respecto:

ƒ Coordenadas x-y del perfil de un juego de ruedas. Consiste en un archivo de texto con cuatro columnas: las dos primeras corresponden a las coordenadas de la rueda izquierda y las dos últimas a las de la derecha.

ƒ Coordenadas x-y del perfil del carril. El formato del archivo de texto es casi idéntico al del anterior.

A partir de estos archivos el programa genera un archivo llamado archivo de datos de contacto (Contact Data File) que contiene los desplazamientos de las ruedas respecto a la vía y los parámetros de contacto calculados por el programa con respecto a dichos desplazamientos (ej. ángulo de contacto).

6.3.4.1.v. Datos de salida

Con el “Transient Analysis” (análisis tansitorio) de VAMPIRE se obtiene la simulación de los registros de aceleraciones sufridas por el vehículo (en los tres ejes), medidas en el punto especificado por el usuario.

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Teniendo en cuenta que estas aceleraciones van a utilizarse para el cálculo del índice de calidad media definido en la norma UNE-ENV 12299, las aceleraciones deben medirse en los puntos especificados por dicha normativa, que son un total de 3 puntos:

ƒ En el suelo, en el la sección central del vehículo.

ƒ En el suelo, en la misma vertical de los bogies extremos (cabeza y cola).

Ilustración 6-3. Croquis de la disposición de los acelerómetros, en planta y alzado, especificada por la norma UNE-ENV 12299. Fuente: UNE-ENV 12299 [33]

Esta disposición se basa en un único vagón configurado con dos bogies extremos. Como el Citadis 302 de Alstom es un vehículo articulado y dispone de 3 bogies, uno de ellos central, se cree conveniente que las secciones de medición sean las marcadas en la figura siguiente. Así, dada la simetría del vehículo y el hecho de ser bidireccional, realizando el registro de aceleraciones en las dos direcciones de la marcha, se tiene caracterizado su comportamiento vibracional en todas las secciones características.

Ilustración 6-4. Croquis de las secciones de disposición de los acelerómetros en el tranvía de Barcelona.