Numerical simulation of post-derailment dynamics: effect of wheel-ballast and wheel-sleepers interactions on the dimensioning of a containment wall

Rail transport is considered the safest land transport mode. However, derailments remain a significant safety problem of this sector. Specific containment devices, such as derailment containment walls, are adopted to address this issue in high-risk zones to constrain derailed vehicles motion. However, designing effectively these structures is difficult due to the complexity of quantifying the impact loads, together with the lack of standardised norm. Simulating derailment scenarios involves considerable modelling challenges to consider all the relevant contact-impact interactions. The aim of this thesis is to extend a non-linear multibody model developed by the Dept. of Mechanical Engineering of Politecnico di Milano to simulate the post-derailment dynamics of high-speed trains impacting a containment structure, proposing a new contact algorithm to consider wheel-ballast and wheel sleepers interactions to assess their effect on the impact force on the structure. In particular, the impact forces on the wheel, resulting from the interaction with the sleepers, are computed adopting the Lankarani-Nikravesh contact-impact model. Whereas, for the wheel-ballast interaction the semi-empirical Bekker model from Terramechanics, relating pressure and sinkage of the wheel, is introduced together with the Janosi-Hanamoto model to consider the wheel’s longitudinal slip. This approach was validated at first by comparing the sleepers indentations measured after a real derailment with those predicted by the model. Then a sensitivity analysis is performed to verify the variability of impact forces on the wall due to uncertainty in ballast parameters and finally, a comparison between measurements obtained from a low-speed derailment test and simulation results is proposed, verifying energy dissipation due to the interaction with infrastructure components (ballast and sleepers). In conclusion, the impact force and bending moment on the wall, both for the single locomotive and the complete trainset, increase by introducing the detailed contact model proposed in this work. Although in complete trainset case, the presence of coupling devices has a slightly reducing effect on the impact forces.

Il trasporto ferroviario è considerato la modalità di trasporto terrestre più sicura, ma i deragliamenti rimangono un problema significativo per la sicurezza di questo settore. Nelle zone ad alto rischio vengono adottati dispositivi di contenimento, come le pareti di contenimento dei deragliamenti, per limitare il movimento dei veicoli deragliati. Tuttavia, progettare queste strutture è difficile a causa della complessità nel calcolo dei carichi d'impatto e della mancanza di norme standardizzate. La simulazione dei deragliamenti comporta sfide di modellazione per considerare tutte le interazioni contatto-impatto rilevanti. Questa tesi estende un modello multibody non lineare sviluppato dal Dip. di Ingegneria Meccanica del Politecnico di Milano che simula la dinamica post deragliamento di treni ad alta velocità che impattano contro una struttura di contenimento, proponendo un nuovo algoritmo di contatto per le interazioni tra ruota, massicciata e traversine, valutando il loro effetto sulla forza di impatto sulla struttura. Le forze sulla ruota, derivanti dall'interazione con le traversine, sono calcolate con il modello di contatto-impatto di Lankarani-Nikravesh. Per l'interazione ruota massicciata viene introdotto il modello semi-empirico di Bekker, che mette in relazione pressione e affondamento della ruota, insieme al modello di Janosi Hanamoto per lo slittamento longitudinale della ruota. Questo approccio è stato convalidato confrontando l’indentazione sulle traversine in un deragliamento reale con quelle previste dal modello. Successivamente è stata eseguita un'analisi di sensibilità sulle forze d'impatto sulla struttura dovuta all'incertezza dei parametri di modellizzazione del pietrisco e, infine, è stato proposto un confronto tra un test di deragliamento a bassa velocità e i risultati delle simulazioni, verificando la dissipazione di energia dovuta all'interazione con l'infrastruttura. In conclusione, la forza e il momento flettente sulla struttura, sia per la singola locomotiva che per il convoglio completo, aumentano introducendo il modello di contatto proposto, nel convoglio completo però, la presenza di dispositivi di accoppiamento ha un effetto di riduzione delle forze.