Raylı Sistemler Çok Gövdeli Cisim Dinamiği Analizleri

Teknolojik atılımlar ve artan çevre bilinci, demiryolu endüstrisinin yenilenen yatırımlar ile büyüdüğü ve birçok konuda yenilik yaptığı anlamına geliyor. Hat hızları istikrarlı bir şekilde artarken, yeni altyapı projeleri kapasiteyi artırmakta ve tren seferlerini daha önce hizmet verilmeyen bölgelere getirmektedir. Hem rayların hem de üzerinde çalışan vagonların son derece yüksek bir performans ve güvenlik seviyesine göre tasarlanması gerekir. Raylı araçlar fiziksel olarak karmaşık sistemlerdir ve performansları çok sayıda farklı bileşenin etkileşimi ile belirlenir. Ray-tekerlek ara yüzü, süspansiyon, bojiler, kaplinler ve diğer hareketli parçaların tümü, trenin ray boyunca nasıl hareket ettiğini etkiler. Bu etkilere hakim olmak, güvenlik, hız ve konforu sağlamak için çok önemlidir. Similasyonlar bu noktada devreye girerek, çok gövdeli sistem simülasyonu (çoklu-cisim dinamiği analizi) çözümü sağlamaktadır. Mekanik ve mekatronik sistemlerinizi modellemenizi ve genel dinamik davranışlarını farklı operasyonel koşullarda incelemenizi sağlar. Böylece hareketi, kuvvetleri ve gerilmeleri öngörebilirsiniz. HIL/SIL/MIL çalışmaları yapılabilir. Güç aktarım organları ve raylı sistemlerin analizinde yoğun olarak kullanılır. 

Bu kısa makale, çoklu cisim simülasyonunun lokomotifler, çoklu üniteler, yolcu ve yük trenleri, tramvaylar ve metrolar ve hatta havaraylar, askıya alınmış trenler ve lunapark hız trenleri gibi geleneksel olmayan araçlarda dahil olmak üzere demiryolu araçlarının dinamiklerini anlamada ve geliştirmede simülasyon araçlarının ne kadar yararlı olduğunu gösterecektir. Simülasyon mühendisleri, Simpack Rail'i kullanarak güvenli çalışma, yolcu konforu, raydan çıkmaya karşı güvenlik, kalibrasyon, aşınma ve yorulma, elektrik hattı / pantograf etkileşimi ve araç homologasyon senaryoları için aracın kritik hızını analiz edebilir.

Zorluklar

Trenlerin karmaşıklığı ve uzunluğu, çalışma dinamiklerini analiz etmeyi zorlu bir görev haline getirmektedir. Her bir araç, çeşitli süspansiyon bileşenlerine sahip bojilere monte edilmiş yüksek olasılıkla birden fazla tekerlek grubuna sahip olacaktır. O halde tipik bir tren, birbirine bağlanmış ve muhtemelen bojilerin bileşenlerini paylaşan, ister lokomotifler ve motorsuz vagonlar olsun, ister birbirine bağlanmış birden çok birimin vagonları olsun, birden çok araç
biriminden oluşacaktır. Tümüyle, tam bir trenin çoklu cisim sistem modeli, tek tek bileşenler arasındaki olası tüm göreceli hareketleri hesaba katmak zorunda kalacak ve böylece çözülmesi zor bir mühendislik problemi haline gelecektir.

 

Temas izi hesaplama. Çok küçük bir alandaki ağır yük, karmaşık bir doğrusal olmayan etkileşime yol açar.

 

Demir yolu hattı da modellemek için karmaşık olabilir. Raylar yük altında esneyecek ve altındaki traversler ve balast yapıları da esneyecektir. Dahası, raylar da zamanla aşınarak profil şekillerini değiştirir. Bu tür etkiler, aracın çalışma koşullarını önemli ölçüde etkileyebilir.Ayrıca, demiryolu operasyonlarının emniyet ve güvenilirliğinin sağlanmasında önemli rol oynayan demiryolu köprüleri, anahtarlar, diğer adıyla makaslar ve geçitler gibi yapılar için de özel hususlar bulunmaktadır.Bunun da ötesinde, tekerlekler ve raylar arasındaki etkileşimi tam olarak modellemek çok zordur. Çok ağır yükler son derece küçük bir temas alanında yoğunlaşır, rayın şekli ve boyutu ray üzerindeki tekerleğin mutlak göreceli konumuna bağlıdır. Buna ek olarak, tekerlek-ray temas etkileşimi de doğası gereği doğrusal değildir (Şekil 1). Temasın nüanslarını anlamak, yuvarlanma temas yorulması (RCF rolling contact fatigue) ve aşınma gibi olguları tahmin etmek için çok önemlidir.Son olarak, gerçek dünyadaki çalışma koşulları laboratuvar ortamında test edilebilecek senaryolardan çok farklı olabilir. Hız, yükleme ve hava koşulları, bir demiryolu aracının dinamiklerini önemli ölçüde etkileyebilir. Tren nasıl hareket ederse etsin, elektrik hattı ve tüneller gibi altyapılardan yeterli mesafenin her zaman korunması gerekir. Demiryolu sektöründeki güvenlik regülasyonları çok katıdır ve üreticilerin ülkeler arasında farklılık gösteren birden çok farklı standarda ve tüm yasal gerekliliklere uygunluk göstermeleri gerekir.

Simülasyonun Faydaları

Simülasyon, fiziksel prototipler gerektirmez. Bu sayede, fiziksel testten daha ucuz ve daha hızlı olmasını sağlar. Bir prototipin üretilip test sahasına taşınmasını beklemek yerine, mühendisler, analiz için sanal bir prototip oluşturmak üzere bilgisayar destekli tasarım/simülasyon (CAD/CAE) modellerini hemen kullanabilirler. Bir tasarımın uygulanabilirliği aylar ya da yıllar yerine saatler ya da günler içinde test edilebilir.

 

Simülasyonda çok sayıda farklı test senaryosu kurulabilir (Mavi tablo). Aslında, simülasyon yazılımı, üretim maliyetini taahhüt etmeden önce bir tasarımın değerlendirilebileceği sanal bir laboratuvar haline gelir. Bir tasarımın imalat öncesi simülasyon ortamında, sorunları düzeltmenin maliyeti çok daha düşüktür. Simülasyon, riski önemli ölçüde azaltabilir ve bir demiryolu aracının tüm düzenleyici standartları karşılayacağına dair güveni artırabilir.Simülasyon, ürün geliştirme sürecinin çok erken aşamalarında teste izin vererek, farklı tasarımları keşfetmeyi de çok daha kolay hale getirir. Tasarım alternatifleri arasında en optimum tasarımı bulmak için birden çok temel performans göstergesi (KPI key performance indicators) karşılaştırılabilir.Fiziksel etkileşimler görselleştirilebilir, kullanıcılar ray ve tekerlek arasındaki temas izinin tam olarak nasıl göründüğünü görebilir, hatta bir trenin bir köprü üzerinden geçerken köprüde
meydana gelen deformasyonu görebilir (Şekil 2). Bu, trenin nasıl davrandığını tam olarak anlamaya yardımcı olur ve sorunların yeni çözümlerine ve yeniliklere ilham verir.Demiryolu altyapısı, ilk prototipler sahaya taşınmadan önce yazılımda sanal olarak oluşturulabilir. Virajlarda aracın yana yatma gibi gerçek hareketlerini hesaba katarak tünel duvarlarından açıklık ve pantograf ile elektrik hattı arasındaki temas kontrol edilebilir.Raydan çıkma riskini analiz etmek, trenlerin güvende kalmasına yardımcı olur ve daha sonra keşfedilecek sorun riskini ve trenlerin bir revizyon için faaliyetten çekilme gereksinimini azaltır. Simülasyon, kazaya yol açan dinamikleri geriye dönük olarak anlamaya yardımcı olmak için kazalardan sonra da kullanılabilir.Test laboratuvarı uygulamaları simülasyon yazılımında kopyalanabilir. Örneğin, tekerlekleri test etmek için kullanılan dönen rig yapıları sanal olarak kurulabilir. Bu, gerçek ve sanal dünyalar arasında bir köprü sunar, simülasyon modeli ölçümle ve testlerle doğrulanabilir ve ardından "dijital ikiz" olarak kullanılabilir. Raydan çıkma testi (EN14363) veya sürüş konforu (EN12299) gibi regülasyon test senaryoları, fiziksel teste başlamadan önce simülasyon ortamında gerçekleştirilebilir.

 

SIMPACK RAIL'in Ayrıcalıklı Özellikleri

Simpack, dünya çapında demiryolu endüstrisinde her düzeyde sistemleri tasarlamak ve analiz etmek için kullanılan genel amaçlı bir çoklu cisim sistemleri simülasyon çözümüdür: bileşenler, araçlar, trenler ve altyapılar. Özelleştirilmiş Simpack Rail modülü, demiryolu senaryolarını kurmak ve ilgili verileri hızlı bir şekilde analiz etmek için çok sayıda özellik içerir.

Simpack Rail, raylı araçların farklı bileşenlerine uygun model elemanları içerir. Kauçuk, metal yaylar ve pnömatik süspansiyon dahil olmak üzere çeşitli süspansiyon bileşenlerinin tam modelleri, bir eleman kütüphanesinden seçilebilir ve tasarıma eklenebilir (Şekil 3). Araç gövdesi ve boji çerçeveleri gibi araç yapılarının daha gerçekçi bir temsili için, gövdeler esnek gövdeler olarak modellenebilir ve sisteme gerekli uyumluluk modellenebilir.Standart demiryolu uygulamaları için çeşitli tekerlek ve ray modelleri hızlı bir şekilde kurulabilir. Çeşitli tekerlek takımı türleri ve boji düzenlemeleri ile en yaygın raylı araç türleri hızla oluşturulabilir.Monoraylar, endüstriyel raylı sistemler ve lunapark hız trenleri gibi daha özel uygulamalar için Simpack ayrıca isteğe bağlı tekerlek ve ray düzenlemelerini de destekler (Şekil 4). Gerçek ölçüm koşullarında raylı araç dinamiklerini analiz etmek için ölçülen hat koordinatları Simpack'e aktarılabilir.

Trenler, tekerlek takımları ve bojiler gibi bağımsız bileşenlerden oluşan, birbirine bağlı birden fazla araçtan oluşur. Bu, bir trenin net bir hiyerarşik yapısının olduğu ve modeli modüler bir şekilde kurarak önemli ölçüde çaba ve hesaplamadan tasarruf edilebileceği anlamına gelir.Simpack'in alt yapı metodolojisi, tüm araç modellerini oluşturmak ve yapılandırmak için uygun bir iş akışı sunar, böylece karmaşık modelleri kurmak ve yönetmek için çok verimli bir
yol sunar. Simpack, hem zaman hem de frekans alanlarında analiz durumlarını destekler. Doğrusal sistem analizi, bir denge durumu hakkında araç dinamiğinin hızlı bir simülasyonunu sunan bir frekans alanı çözümüdür. Doğrusal olmayan dinamik analiz ise hızlanma ve yavaşlamayı ve yoldaki eğriler ve makaslar gibi değişiklikleri ve bunların araç hareket karakteristiklerine etkilerini modelleyebilir. Simpack'in yanı sıra SIMULIA, diğer simülasyon araçlarından oluşan bir portföy sunar. Aerodinamik, aeroakustik ve kabin konfor simülasyonu gibi akışkan simülasyonunu kullanan uygulamalar; yapısal simülasyon kullanarak mukavemet, dayanıklılık ve yorulma analizi; ve elektromanyetik simülasyon kullanarak yüksek voltajlı sistemlerin ve elektroniklerin analizi verilebilecek başlıca uygulama örnekleridir. 3DEXPERIENCE platformu, SIMULIA'nın bu uygulamaları kapsayabilecek diğer simülasyon araçlarına bağlantılar sunarak, bu konular üzerinde çalışan farklı grupların iş birliği yapmasına, çalışmalarını paylaşmasına ve tasarım gereksinimleri arasında uzlaşmanın
bulunmasına olanak tanır.