Modelling and testing of an embedded rail system for the analysis of train-track dynamic interaction

Train-track dynamic interaction is a complex phenomenon which involves the vehicle, the railway structure and the wheel/rail contact force. Numerical models and simulations are useful tools to comprehend this complex phenomenon and the related issues. Currently, most of the track models are linear. However, it is important and necessary to properly account for the non-linear dynamic characteristics of the constituting components, such as the resilient elements, for the track modelling. This thesis proposes a new methodology to include the non-linear dynamic behavior of the track resilient elements in the train-track dynamic interaction simulation by referring to an embedded rail system (ERS). A systematic review of track resilient materials modelling is performed. Laboratory tests are performed on an ERS specimen and the obtained data is then employed to identify and validate a non-linear rheological model which reproduces well the dynamic behavior of the ERS specimen. The non-linear model is then integrated into a 2D finite element track model with which a comprehensive analysis about the influence of the track model parameters is performed. Simulations with both moving loads and train-track dynamic interaction are performed with linear/non-linear track models. The simulation results demonstrate that the non-linear track model leads to significantly different track response with respect to the linear model.

L’interazione ruota-rotaia è un fenomeno complesso che riguarda il veicolo, l’armamento ferroviario e la forza di contatto ruota/rotaia. Modelli numerici e simulazioni sono strumenti utili per comprendere questo complesso fenomeno e anche problemi legati ad esso. Attualmente, la maggior parte dei modelli di armamento sono modelli lineari. Tuttavia, è di particolare importanza considerare correttamente le caratteristiche dinamiche non-lineari delle componenti costituenti, come gli elementi elastici, per modellare accuratamente il comportamento dell’armamento. In questa tesi viene proposta una nuova metodologia in grado di includere il comportamento dinamico non-lineare degli elementi elastici all’interno di simulazioni di interazione ruota-rotaia facendo riferimento ad un Embedded Rail System (ERS). Viene presentata una revisione sistematica della modellazione dei materiali elastici degli armamenti ferroviari. Test di laboratorio sono svolti su un provino ERS e i dati sperimentali ottenuti sono successivamente utilizzati per identificare e validare un modello reologico non-lineare in grado di riprodurre adeguatamente il comportamento del provino. Il modello non-lineare è integrato in un modello 2D di armamento ferroviario con il quale viene proposta un’analisi dell’influenza dei parametri del modello armamento. In aggiunta, sono eseguite simulazioni con carichi viaggianti e interazione ruota-rotaia considerando modelli lineari e non-lineari di armamento. I risultati delle simulazioni dimostrano come il modello di armamento non-lineare comporta una risposta della rotaia che differisce in maniera significativa da quella ottenuta utilizzando il modello lineare classico.