Derailment events are a significant challenge for railway safety due to their diverse causes, which include mechanical failure of the running gear, track defects, and extreme environmental conditions. While completely preventing derailments is not feasible, containment devices such as derailment containment walls (DCWs), guard rails, and kerbs are employed in high-risk areas to mitigate their impact. Designing these structures is complex due to the fact that performing in-field test is impractical, which makes it difficult to quantify the impact loads and to obtain standardized design guidelines. Consequently, numerical simulations are crucial for assessing different derailment scenarios and containment structures. This thesis presents mbDD (Multibody for post-Derailment Dynamics), a nonlinear multibody dynamics model developed to analyze the post-derailment behavior of railway vehicles and their interaction with containment devices. The model aims to enhance the structural design of DCWs and other mitigation devices by offering a computationally efficient tool to simulate various derailment scenarios and containment designs. The key features of mbDD include a realistic vehicle dynamics model, an efficient algorithm for detecting vehicle-infrastructure interactions, a novel contact impact-model between derailed wheels, ballast and sleepers, and the possibility to simulate the dynamics of a complete trainset. This thesis also addresses the validation of the model by means of comparisons with an established multibody software and with experimental derailment tests. Simulations of a high-speed ETR-500 class locomotive derailment revealed critical insights into impact dynamics, including the effect of vehicle speed and DCW positioning on impact forces and bending moments. Additionally, simulations showed the significant effect of the interactions between derailed wheels, ballast and sleepers on the impact with the derailment containment structure. Finally, considering a complete trainset, it is shown that the non-derailed vehicles try to re-align the derailed locomotive reducing impact forces and bending moments on the containment structure. Future developments for mbDD include analyzing additional derailment scenarios, modeling alternative containment devices, like guard rails and kerbs, with similar approaches. The aim is to improve the understanding of post-derailment dynamics to enhance safety mechanisms against derailment within the railway network.

Gli eventi di deragliamento rappresentano una sfida significativa per la sicurezza ferroviaria per via delle loro diverse cause, tra cui imporvvise rotture del materiale rotabile, difetti del tracciato e condizioni ambientali estreme. Prevenire completamente i deragliamenti non è fattibile, per questo motivo vengono impiegati dispositivi di contenimento come ad esempio strutture (DCW), guard-rail e kerbs, soprattutto nelle aree ad alto rischio per mitigarne l’impatto. La progettazione di queste strutture è complessa poiché i test sul campo sono impraticabili, rendendo difficile quantificare i carichi di impatto e l'ottenimento di linee guida standardizzate per la progettazione. Di conseguenza, le simulazioni numeriche sono fondamentali per valutare diversi scenari di deragliamento e diverse tipologie di strutture di contenimento. Questa tesi presenta mbDD (Multibody for post-Derailment Dynamics), un modello di dinamica multibody non lineare sviluppato per analizzare il comportamento post-deragliamento dei veicoli ferroviari e la loro interazione con dispositivi di contenimento. L’obiettivo del modello è migliorare la progettazione strutturale dei dispositivi per mitigare un possibile deragliamento offrendo uno strumento computazionalmente efficiente per simulare vari scenari di deragliamento. Le caratteristiche principali di mbDD includono un modello realistico della dinamica del veicolo, un algoritmo efficiente per rilevare le interazioni veicolo-infrastruttura, un nuovo modello di contatto d’impatto tra ruote deragliate, ballast e traversine, e la capacità di simulare la dinamica di interi convogli. Questa tesi affronta anche la validazione del modello attraverso confronti con un software multibody commerciale e attraveso il confronto test sperimentali di deragliamento. Le simulazioni di un deragliamento di una locomotiva ad alta velocità della classe ETR-500 hanno fornito alcuni spunti sulla dinamica dell'impatto, incluso l'effetto della velocità del veicolo e della posizione del DCW rispetto alle forze d'impatto e ai momenti flettenti. In aggiunta, le simulazioni anche hanno mostrato l'importanza dell'effetto della modellazione delle interazioni tra le ruote deragliate, il ballast e le traversine sull'impatto con la struttura di contenimento. Infine, considerando un convoglio completo, è emerso che i veicoli non deragliati tendono a riallineare la locomotiva sviata riducendo le forze di impatto e i momenti flettenti sulla struttura di contenimento Gli sviluppi futuri del codice mbDD includono l'analisi di ulteriori scenari di deragliamento, la modellazione di dispositivi di contenimento alternativi, come guard-rail e kerbs, con modelli ad elementi finiti. L'obiettivo è migliorare la comprensione della dinamica del deragliamento per rafforzare i meccanismi di sicurezza contro i deragliamenti all'interno della rete ferroviaria.

A multibody model to study the post-derailment dynamics of railway vehicles and their interaction with containment structures

Santelia, Matteo
2024/2025

Abstract

Derailment events are a significant challenge for railway safety due to their diverse causes, which include mechanical failure of the running gear, track defects, and extreme environmental conditions. While completely preventing derailments is not feasible, containment devices such as derailment containment walls (DCWs), guard rails, and kerbs are employed in high-risk areas to mitigate their impact. Designing these structures is complex due to the fact that performing in-field test is impractical, which makes it difficult to quantify the impact loads and to obtain standardized design guidelines. Consequently, numerical simulations are crucial for assessing different derailment scenarios and containment structures. This thesis presents mbDD (Multibody for post-Derailment Dynamics), a nonlinear multibody dynamics model developed to analyze the post-derailment behavior of railway vehicles and their interaction with containment devices. The model aims to enhance the structural design of DCWs and other mitigation devices by offering a computationally efficient tool to simulate various derailment scenarios and containment designs. The key features of mbDD include a realistic vehicle dynamics model, an efficient algorithm for detecting vehicle-infrastructure interactions, a novel contact impact-model between derailed wheels, ballast and sleepers, and the possibility to simulate the dynamics of a complete trainset. This thesis also addresses the validation of the model by means of comparisons with an established multibody software and with experimental derailment tests. Simulations of a high-speed ETR-500 class locomotive derailment revealed critical insights into impact dynamics, including the effect of vehicle speed and DCW positioning on impact forces and bending moments. Additionally, simulations showed the significant effect of the interactions between derailed wheels, ballast and sleepers on the impact with the derailment containment structure. Finally, considering a complete trainset, it is shown that the non-derailed vehicles try to re-align the derailed locomotive reducing impact forces and bending moments on the containment structure. Future developments for mbDD include analyzing additional derailment scenarios, modeling alternative containment devices, like guard rails and kerbs, with similar approaches. The aim is to improve the understanding of post-derailment dynamics to enhance safety mechanisms against derailment within the railway network.
BERNASCONI, ANDREA
SAGGIN, BORTOLINO
11-nov-2024
Gli eventi di deragliamento rappresentano una sfida significativa per la sicurezza ferroviaria per via delle loro diverse cause, tra cui imporvvise rotture del materiale rotabile, difetti del tracciato e condizioni ambientali estreme. Prevenire completamente i deragliamenti non è fattibile, per questo motivo vengono impiegati dispositivi di contenimento come ad esempio strutture (DCW), guard-rail e kerbs, soprattutto nelle aree ad alto rischio per mitigarne l’impatto. La progettazione di queste strutture è complessa poiché i test sul campo sono impraticabili, rendendo difficile quantificare i carichi di impatto e l'ottenimento di linee guida standardizzate per la progettazione. Di conseguenza, le simulazioni numeriche sono fondamentali per valutare diversi scenari di deragliamento e diverse tipologie di strutture di contenimento. Questa tesi presenta mbDD (Multibody for post-Derailment Dynamics), un modello di dinamica multibody non lineare sviluppato per analizzare il comportamento post-deragliamento dei veicoli ferroviari e la loro interazione con dispositivi di contenimento. L’obiettivo del modello è migliorare la progettazione strutturale dei dispositivi per mitigare un possibile deragliamento offrendo uno strumento computazionalmente efficiente per simulare vari scenari di deragliamento. Le caratteristiche principali di mbDD includono un modello realistico della dinamica del veicolo, un algoritmo efficiente per rilevare le interazioni veicolo-infrastruttura, un nuovo modello di contatto d’impatto tra ruote deragliate, ballast e traversine, e la capacità di simulare la dinamica di interi convogli. Questa tesi affronta anche la validazione del modello attraverso confronti con un software multibody commerciale e attraveso il confronto test sperimentali di deragliamento. Le simulazioni di un deragliamento di una locomotiva ad alta velocità della classe ETR-500 hanno fornito alcuni spunti sulla dinamica dell'impatto, incluso l'effetto della velocità del veicolo e della posizione del DCW rispetto alle forze d'impatto e ai momenti flettenti. In aggiunta, le simulazioni anche hanno mostrato l'importanza dell'effetto della modellazione delle interazioni tra le ruote deragliate, il ballast e le traversine sull'impatto con la struttura di contenimento. Infine, considerando un convoglio completo, è emerso che i veicoli non deragliati tendono a riallineare la locomotiva sviata riducendo le forze di impatto e i momenti flettenti sulla struttura di contenimento Gli sviluppi futuri del codice mbDD includono l'analisi di ulteriori scenari di deragliamento, la modellazione di dispositivi di contenimento alternativi, come guard-rail e kerbs, con modelli ad elementi finiti. L'obiettivo è migliorare la comprensione della dinamica del deragliamento per rafforzare i meccanismi di sicurezza contro i deragliamenti all'interno della rete ferroviaria.
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