Train -track interaction in high frequencies and its application on track degradation phenomena

High speed railway operation developed rapidly in many countries in the last decades. The demand of higher vehicle speed has led to increasing dynamic problems arising at wheel-rail interface. Simulation tools for train-track interaction therefore has been extensively investigated in the last 50 years, various train-track interaction models have been developed and proved to deal satisfactorily with many dynamic problems arising at the wheel/rail interface. However, open problems still exist related to wheel-rail interaction in the high-frequency range and its relationship with wheelset and track flexibilities. Furthermore, the relationship between train-track interaction and track damage still needs to be investigated in full. The aim of this thesis is to develop a more accurate and efficient high-frequency numerical model of train-track interaction to extend the valid frequency range of current train-track interaction models and hence to support the investigation of track damage phenomena in high frequency range. To this aim, firstly an accurate and efficient time-domain model is established by combining a rotating flexible wheelset model, a complete 3D discrete-supported track model and a non-linear, non-Hertzian Extended Kik-Piotrowski contact model. The influence of the structural deformations on contact forces and other running behaviours is investigated in detail. Secondly, an application of the improved train-track interaction model to rail corrugation is made combining with the local non-Herztian contact model and a wear model. The relation between rail corrugation phenomenon and some parameters of the high-frequency train-track system are identified by an investigation of corrugation growth rate with different train-track configurations. The final results of this research helps to expand the valid frequency ranges of existed train-track interaction models and to gain a better understanding of train-track dynamics in high-frequency range.

Le operazioni ferroviarie ad alta velocità si sono sviluppate rapidamente in molti paesi negli ultimi decenni. La richiesta di una maggiore velocità del veicolo ha portato ad aumentare i problemi dinamici derivanti dall'interfaccia ruota-rotaia. Pertanto, gli strumenti di simulazione per l'interazione treno-pista sono stati ampiamenti studiati negli ultimi 50 anni, sono stati sviluppati vari modelli dei interazioni sui binari e dimostrato di affrontare in modo soddisfacente molti problemi dinamici derivanti dall'interfaccia ruota / rotaia. Tuttavia, esistono ancora problemi aperti relativi all'interazione ruota-rotaia nella gamma delle alte frequenze e alla sua relazione con le flessibilità delle ruote e della pista. Inoltre, la relazione tra l'interazione del binario e il danno alla pista deve ancora essere esaminata per interno. Lo scopo di questa tesi è quello di sviluppare un modello numerico ed alta frequenza più accurato ed efficiente dell'interazione treno-pista per estendere il range di frequenza valido degli attuali modelli di interazione treno-pista e quindi supportare l'indagine sui fenomeni di danno in pista in campo ad alta frequenza. A tale scopo, in primo luogo, viene stabilito un modello di dominio temporale accurato ed efficiente combinando un modello di ruote flessibili rotanti, un modello di pista 3D completo con supporto discreto e un modello di contatto esteso Kik-Piotrowski non lineare, e non Hertziano. L'influenza delle deformazioni strutturali sulle forze di contatto e altri comportamenti in esecuzione sono investigata in dettaglio. In secondo luogo, un'applicazione del migliorato modello di interazione del binario ferroviario per l'ondulazione su rotaia vienono realizzata combinandosi con il modello di contatto locale non Herztiano e con un modello di usura. La relazione tra il fenomeno della corrugazione della rotaia e alcuni parametri del sistema di binari del treno ad alta frequenza sono identificata da un'indagine sul tasso di crescita della corrugazione con diverse configurazioni di binari ferroviari. I risultati finali di questa ricerca aiutano ad espandere le gamme di frequenza valide dei modelli di interazione di binari esistenti e ad acquisire una migliore comprensione della dinamica del binario nel campo delle alte frequenze.