Etat de l'art et perspectives de la recherche en mécanique pour le système ferroviaire

Depuis le 1er juillet 2015, SNCF est organisée en trois entreprises : le gestionnaire de l'infrastructure (SNCF Réseau), l'opérateur de transport (SNCF Mobilités) et le coordinateur (SNCF). Cette séparation permet de mieux délimiter les périmètres de chacun, conformément aux recommandations de la Commission Européenne. Néanmoins, il est crucial de préserver une vision technique intégrée du système ferroviaire, car les interactions physiques entre les trains et l'infrastructure sont nombreuses et fortes. L'une des interfaces est le contact roue-rail. Sujet technique difficile en soi, faisant appel à des notions de mécanique, matériaux, métallurgie, chimie, tribologie, etc., il devient l'interface physique entre deux entreprises (et même plus), laissant présager de plus en plus de débats d'experts à venir. Sa maîtrise, aujourd'hui essentielle, sera demain au coeur d'enjeux technico-juridico-économiques majeurs. Pour mieux appréhender les phénomènes physiques mis en jeu, la modélisation numérique peut compléter et enrichir les expériences physiques ; elle a donc bien sûr un rôle prépondérant à jouer.   Après un bref rappel des grandes caractéristiques du contact roue-rail, un focus particulier sera proposé sur la simulation numérique du comportement dynamique du système train-voie. Enrichie d'approches stochastiques qui seront brièvement décrites, la modélisation numérique s'introduit peu à peu dans les processus d'autorisation de circulation de nouveaux trains, mais aussi dans les processus de maintenance. En effet, en appréhendant mieux la réponse du train circulant sur des voies numérisées du réseau ferroviaire, il est possible de suivre l'état de la voie en se basant sur des indicateurs liés non plus uniquement à la géométrie de la voie, mais aussi à la réponse du train. Combinant les résultats de simulations numériques, des approches mathématiques avancées et des technologies de mesures par capteurs embarqués déployés à grande échelle, de nouveaux outils sont en cours de développement pour définir la maintenance de demain. Les résultats déjà obtenus par la Direction Innovation & Recherche seront présentés, ainsi que les perspectives et les défis scientifiques, nombreux, qui en découlent. Une meilleure prédiction du comportement dynamique du train permet une meilleure évaluation des efforts de contact entre la roue et le rail. Ces efforts sont à l'origine de dégradations progressives de la voie et des trains (usure des roues, vieillissement des suspensions, fatigue des rails, tassement du ballast, etc.). On se propose d'étudier dans la deuxième partie de l'exposé un endommagement particulier, celui de la fissuration par fatigue des rails. La filière de calcul (incluant des modèles de contact, des algorithmes de calcul de contraintes inélastiques cycliques dans le rail et des modélisations en XFEM) et les modèles de fatigue et de fissuration qui ont été développés par SNCF en collaboration avec RATP, Tata Steel, IFSTTAR, LMS, Mecamix, LamCos, seront décrits. Les premiers résultats applicatifs obtenus seront présentés. A termes, il s'agira pour SNCF de développer un outil puissant permettant d'abord d'expliquer le retour d'expérience, puis de proposer des évolutions de conception ou de stratégies de maintenance. Au-delà des applications sécurité et maintenance de la modélisation en dynamique ferroviaire, les aspects acoustique et vibratoire sont aussi abordés. En alignement, la prédiction du bruit de roulement engendré par le contact roue rail est réalisée par des modèles dédiés, dans le domaine fréquentiel, mettant en ?uvre un modèle de contact (modèle de Hertz), une représentation simple de l'interaction et des modèles de rayonnement acoustique de la traverse, du rail et de la roue. Cette approche linéaire dans le domaine fréquentiel ne permet pas de modéliser le bruit rayonné au passage des appareils de voie comme les aiguillages ou les traversées obliques qui engendrent des contacts multiples et des chocs, et donc de l'énergie haute fréquence. Le bruit de ces points singuliers est modélisé aujourd'hui en ajoutant des contributions au modèle de bruit de roulement en alignement. L'objectif de ces prochaines années est de modéliser l'effort d'interaction au passage de ces appareils, en moyenne fréquence et d'obtenir des modèles de rayonnement des différentes pièces aux géométries complexes. Les vibrations dans le sol engendrées par le passage d'un train sont modélisées pour la voie courante avec un modèle global véhicule-voie (masse-ressort) couplé à un modèle de propagation dans le sol FEM-BEM. Pour les points singuliers, l'effort d'interaction peut être obtenu en couplant un modèle éléments finis de la voie avec un modèle multi corps du véhicule. Le défi consiste à coupler cette approche temporelle avec les modèles de propagation fréquentiels développés en 2,5D. Ces différents thèmes de recherche et les verrous associés seront partagés lors de la présentation

Dynamic stress prediction in catenary wires for fatigue analysis

Fatigue cracks in the contact wire are a possible cause of fracture which can induce huge costs. Fatigue study is thus of a great interest but requires an accurate computations of stress distributions. OSCAR is a SNCF software used to study coupled pantograph / catenary dynamics. It is based on Euler-Bernoulli beam meshes. This formalism is accurate to study the catenary displacements, but is not sufficient to compute multi-axial stresses, in particular in parts that can concentrate stresses such as the junction claws. This paper details and illustrates the strategy developed to compute a full multi-axial transient stress field, in any point of the contact wire. The dynamic displacement computed by OSCAR is expanded and combined with a precise nonlinear static state of a mixed model of beams and volume elements

Mise au point d'un nouveau modèle de comportement élasto-viscoplastique. Application au dimensionnement à la fatigue d'un collecteur d'échappement de moteur Diesel en fonte

National audienceFatigue design of structures for high temperature service resorts to modelling based on elasto-viscoplasticity constitutive laws. The new model describes complex anisothermal cyclic loadings, accounting for viscosity on a large range of strain. The new constitutive law that has been developed for nodular cast iron, is intended for the design of automotive parts for high temperature service

Détermination d'une nouvelle loi de comportement élasto-viscoplastique pour une fonte à graphite sphéroidal. Application au dimensionnement à la fatigue oligocyclique d'un collecteur d'échappement de moteur diesel automobile

National audienceLe travail présenté ici porte sur le développement d'une nouvelle loi de comportement mécanique élastoviscoplastique. Cette dernière est développée dans le but de dimensionner à la fatigue thermomécanique des structures de l'industrie automobile travaillant à hautes températures en décrivant au mieux la viscosité sur une large gamme de sollicitation. Ce nouveau modèle a été implémenté dans le code Abaqus en se basant sur l'algorithme du retour radial. Des simulations thermomécaniques ont été ensuite réalisées sur des collecteurs d'échappement et ont permis de prédire la tenue dimensionnelle ainsi que les zones à risque du point de vue fissuration

Probabilistic simulation for the certification of railway vehicles

The present dynamic certification process that is based on experiments has been essentially built on the basis of experience. The introduction of simulation techniques into this process would be of great interest. However, an accurate simulation of complex, nonlinear systems is a difficult task, in particular when rare events (for example, unstable behaviour) are considered. After analysing the system and the currently utilized procedure, this paper proposes a method to achieve, in some particular cases, a simulation-based certification. It focuses on the need for precise and representative excitations (running conditions) and on their variable nature. A probabilistic approach is therefore proposed and illustrated using an example. First, this paper presents a short description of the vehicle / track system and of the experimental procedure. The proposed simulation process is then described. The requirement to analyse a set of running conditions that is at least as large as the one tested experimentally is explained. In the third section, a sensitivity analysis to determine the most influential parameters of the system is reported. Finally, the proposed method is summarized and an application is presented

Détermination d'une nouvelle loi de comportement élasto-viscoplastique pour une fonte à graphite sphéroïdal. Application au dimensionnement à la fatigue oligocyclique d'un collecteur d'échappement de moteur Diesel

Le travail présenté ici porte sur le développement d'une nouvelle loi de comportement mécanique élasto-viscoplastique. Cette dernière est développée dans le but de dimensionner à la fatigue thermomécanique des structures de l'industrie automobile travaillant à hautes températures en décrivant au mieux la viscosité sur une large gamme de sollicitation. Ce nouveau modèle a été implémenté dans le code Abaqus en se basant sur l'algorithme du retour radial. Des simulations thermomécaniques ont été ensuite réalisées sur des collecteurs d'échappement et ont permis de prédire la tenue dimensionnelle ainsi que les zones à risque du point de vue fissuration

Modélisation thermomécanique des disques de frein par une approche eulérienne.

The objective of this thesis is to develop a numerical model of the thermal-mechanical behavior of an automotive brake disc, in order to assess its fatigue behavior. The approach gathers : new numerical strategies which use eulerian algorithms adapted to problems involving components subjected to a moving load ; a relevant modeling of the behavior of the material ; durability criteria adapted to the different damages undergone by the disc, taking account of the multi-axial and non-isothermal characteristics of the loadings. A preliminary analysis of the physical phenomena occurring in the brake disc is led (high temperatures variations, severe thermal gradients in the disc, plastic deformations, friction, etc.) and their couplings (thermomechanical couplings, couplings between thermal phenomena and friction between the disc and the pads, etc. ) are analyzed. Then, a numerical modeling of the brake disc, based on realistic assumptions, can be proposed. This study can be realized thanks to the developments of new algorithms which save computational times. Their fundamental principle is to work not in the disc reference but in the loading's one and to use eulerian coordinates in order to represent the structure movement. These algorithms are described in the thesis. At last, a strategy is proposed to analyze the brake disc durability, based on a “consistent approach” which includes the modeling of the loading, the modeling of the material behavior, an efficient numerical structural strategy and relevant fatigue criteria. The objective is to reach the same “degree of precision” in the different items in order to have a robust and useful tool for engineers in charge of the brake disc design.L'objectif de cette thèse est de proposer une modélisation du comportement thermomécanique des disques de frein automobiles pour la prédiction de leur tenue en fatigue. L'approche adoptée associe notamment : des stratégies numériques nouvelles qui reposent sur des algorithmes eulériens adaptés aux problèmes de pièces sous chargement mobile et répété ; une modélisation pertinente du comportement du matériau constituant les disques ; des critères de tenue adaptés aux différents endommagements subis par le disque, qui prennent notamment en compte le caractère multiaxial et anisotherme des sollicitations. Dans un premier temps, est présentée une analyse des phénomènes physiques opérant dans un disque de frein en service (fortes amplitudes de température, gradients thermiques élevés, déformations plastiques, frottement disque /plaquette, etc. ) et de leurs couplages (couplages thermomécaniques, couplages contact disque/plaquettes et élévation de température, etc.). A partir de cette analyse, nous pouvons proposer une modélisation numérique du disque qui se fonde sur des hypothèses pertinentes. Cette modélisation utilise des algorithmes nouveaux qui permettent de diminuer considérablement les temps de calcul. Leur principe fondamental est de se placer dans un repère non plus lié à la structure mais au chargement et d'utiliser une approche eulérienne pour prendre en compte le mouvement de la structure dans ce repère. Ces algorithmes sont décrits dans cette thèse. Enfin, on propose une stratégie de dimensionnement qui repose sur une approche dite globale. Cette dernière consiste à proposer une modélisation des sollicitations, une modélisation du comportement du matériau, une stratégie de calcul de structure performant et des critères de tenue adaptés aux phénomènes d'endommagement observés. L'objectif est de donner un même « degré de précision » dans chacun des modèles pour assurer au global une filière robuste qui répond au besoin de l'ingénieur en charge de la conception des disques de frein

On a new computational method for the simulation of periodic structures subjected to moving loads: application to vented brake disks

International audienceThe purpose of the paper is to present a new numerical method suitable for the computation of periodic structures subjected to repeated moving loads. It directly derives from the stationary methods proposed for cylindrical and axisymmetrical structures. Its mains features are the use of a calculation reference related to the moving loads and the periodic property of the thermomechanical response. These methods are developped by PSA and the Ecole Polytechnique, in order to design vented brake discs. In this paper, a brief description of the algorithm is first given and examples of numerical simulations of a vented brake disc are treated.Cet article porte sur le développement d'une nouvelle méthode de résolution numérique adaptée au calcul de structures périodiques soumises à des chargements mobiles et répétés. Il s'inspire directement des méthodes stationnaires développées pour les structures cylindriques ou axisymétriques. Cette méthode repose sur les principes suivants : le repère de calcul est lié au chargement et non plus à la structure, et la réponse thermomécanique de la structure y est supposée périodique. Cette méthode a été développée par PSA Peugeot Citroën et l'Ecole Polytechnique dans le cadre du dimensionnement des disques de frein ventilés. Dans cet article, on donnera une brève description de l'algorithme puis la simulation mécanique d'un disque de frein ventilé illustrera la méthode

Une méthode de calcul de structures soumises a des chargements mobiles: Application au freinage automobile

Le travail présenté dans cet article s'inscrit dans une étude globale de la tenue en service d'un disque de frein automobile. Celui-ci subit des chargements thermomécaniques responsables de divers types d'endommagement : faïençage, fissures radiales sur les pistes de frottement, rupture du bol. La prédiction numérique de ces avaries exige d'abord la mise au point de méthodes numériques adaptées aux problèmes de structures soumises à des chargements thermomécaniques mobiles. Celles-ci consistent en des algorithmes eulériens qui sont présentés et décrits

Multi-input Markov chain equivalent fatigue loadings

In the automotive industry, temporal, financial and human constraints impose to improve the design process of new vehicles. In order to reach the optimal design for mechanical components of cars, both the service loading and the component strength need to be considered. The equivalent fatigue approach, used at PSA Peugeot Citro\uebn, is a method for transforming complicated loadings into simpler ones, equivalent in terms of damage, without information about the geometry of the structure. We use the equivalent fatigue approach for the design specifications of metallic structures, for the conditions of their tests trials, and finally for the characterization of customers and markets. The case of the one input equivalent fatigue approach has been thoroughly investigated at PSA. The current work treats the extension of the equivalent fatigue approach to the case of multi-input loadings. Especially the aim of this paper is to develop Markov chain models for the equivalent fatigue loadings