Development of a mathematical model of a railway vehicle for real-time and hybrid simulation

In recent years, technological innovation and scientific progress have forced designers and engineers to develop systems for testing devices that combine aspects of cost reduction with those of high reliability of results, improving performance without forgetting economic sustainability, component effectiveness and user safety. This is also true in the railway sector where the high speed of trains puts the infrastructure and coaches under considerable stress. It was therefore necessary to develop simulation systems to test new components before their introduction and to check how the structure reacts in the event of their failure. Over time, these models have become increasingly sophisticated and able to consider a greater number of variables to improve the validity and reliability of the results. This is the background to the study conducted in this thesis, which resulted in the development of a mathematical model for hybrid simulations with 23 degrees of freedom (DOF). The analysis began with a brief description of the first experiences with the introduction of hybrid simulation models. It was studied how the chosen degrees of freedom interact with each other using the “Gran Confort” coach model. What was obtained was compared with the Manchester Benchmark model to validate its behaviour; good uniformity of results was obtained between the two applied systems. A Matlab and Simulink code capable of interfacing with the test bench was developed for real-time testing. Assumptions were made in order to obtain a fair degree of realism such that the implemented model could be considered not only an academic exercise but with future applications in the testing of railway components. The last chapter is dedicated to the laboratory tests and the analysis of the results obtained, leading to the affirmation of the high level of reliability of the model developed.

Negli ultimi anni l’innovazione tecnologica e il progresso scientifico hanno imposto a progettisti e ingegneri di elaborare dei sistemi di collaudo dei manufatti che coniughino gli aspetti di contenimento dei costi con quelli di elevata attendibilità dei risultati, migliorando le prestazioni senza trascurare la sostenibilità economica, la garanzia dell’efficacia dei componenti e la sicurezza degli utilizzatori. Ciò vale anche in ambito ferroviario dove l’alta velocità dei convogli sottopone a stress notevoli l’infrastruttura e le vetture. È stato pertanto necessario elaborare dei sistemi di simulazione per testare i nuovi componenti prima della loro introduzione e per verificare come la struttura reagisce in caso di loro malfunzionamento. Questi modelli nel tempo sono diventati sempre più sofisticati ed in grado di considerare un numero maggiore di variabili per migliorare la validità e attendibilità dei risultati. In questo ambito si inserisce lo studio condotto in questa tesi che si è concretizzato nello sviluppo di un modello matematico per le simulazioni ibride a 23 gradi di libertà (GDL). L’analisi è iniziata con una breve descrizione delle prime esperienze dell’introduzione dei modelli di simulazione ibrida. Si è studiato come i gradi di libertà scelti interagiscono fra loro utilizzando il modello della carrozza “Gran Confort”. Si è confrontato quanto ottenuto con il modello del Manchester Benchmark per validarne il comportamento; ottenendo dei buoni risultati di uniformità fra i due sistemi applicati. Per lo svolgimento delle prove in tempo reale è stato sviluppato un codice Matlab e Simulink in grado di interfacciarsi con il banco di prova. Si sono poste delle ipotesi per poter ottenere un discreto grado di realismo tale da poter considerare il modello implementato non un semplice esercizio accademico ma con future applicazioni nelle attività di collaudo della componentistica ferroviaria. L’ultimo capitolo è dedicato alle prove in laboratorio e al rilievo dei risultati ottenuti, portando ad affermare l’elevato livello di affidabilità del modello sviluppato.