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MATLAB Expo 2014

MATLAB nell’industria ferroviaria: esempi di progetti nel campo della dinamica di marcia dei rotabili

Milano, 4 Novembre 2014

Speaker: Michele Grazzini

22

PROFILO AZIENDALE

Ente DINAMICA DI MARCIA, SAGOMA E SISTEMI MECCANICI

• Sviluppo e principali competenze

• Responsabilità

ESEMPI DI UTILIZZO DEL SOFTWARE MATLAB

• Estrapolazione dei risultati da grandi quantità di dati di simulazione

• Integrazione di corpi flessibili nei modelli di calcolo

• Implementazione di carichi aerodinamici nei modelli di calcolo

• Definizione dell’ingombro massimo della testata del veicolo

• Progettazione di sistema di guida automatico dell’accoppiatore

CONCLUSIONI

SOMMARIO

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PROFILO AZIENDALE

Nata nel 2001 da Ansaldo Trasporti e Breda Costruzioni Ferroviarie, AnsaldoBreda è lasocietà nel settore Trasporti di Finmeccanica che realizza veicoli per il trasporto di massaper le reti ferroviarie e metropolitane.

VISIONEssere una delle principali aziende a livello mondiale di costruzione di materialerotabile tecnologicamente avanzato ed innovativo.

MISSIONSviluppare processi che permettano una elevata customizzazione del prodottomantenendo gli standard qualitativi di una produzione industriale

Garantire un elevato grado di soddisfazione del Cliente

Introdurre fattori continui di innovazione in tutti gli ambiti aziendali (tecnici edorganizzativi)

Main Line Mass Transit LRVHigh Speed

44

Ente DSM – Sviluppo e principali competenze

DINAMICA DI MARCIA

SAGOMA E CIRCOLABILITÀ

INTERFACCIA CON INFRASTRUTTURE ED ARMAMENTO

ORGANI DI TRAZIONE/REPULSIONE

INTERCOMUNICANTI

Nel tempo competenze e risorse dell’ente si sono ampliate fino ad arrivare all’attualedenominazione di Dinamica di Marcia, Sagoma e Sistemi Meccanici, che gestisce anche isottosistemi:

Nel 2008 è stato istituito, all’interno delle funzioni di R&D, l’ente Dinamica di Marcia e Sagomeper raggruppare le competenze necessarie a sviluppare le attività di:

sicurezza, fatica del binario, qualità di marcia

comfort

sensibilità al vento laterale

cinematica e/o dinamica di singoli componenti

compatibilità geometrica veicolo-linea

definizione requisiti

aggiornamento CAD 3D

coerenza con requisiti RAMS

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Prove in linea (sicurezza e comfort di marcia)

Progettazione componenti carrello

Progettazione cassa e testata

Verifiche installazione sottosistemi

Ottenimento ammissione tecnica (funzione Certification & Safety)

Progettazione sistemi di trazione/repulsione

Specifiche tecniche di prova

Partecipazione a gruppi normativi

Supervisione tecnica forniture

Calcoli comportamento dinamico

Ente DSM – Responsabilità

ASSICURA SUPPORTA

Compatibilità veicolo con sicurezza di marcia, linea e opere civili

Attività di ricerca

66

ESEMPI DI UTILIZZO DEL SOFTWARE MATLAB

Difficoltà da affrontare

Estrapolazione di

risultati di interesse

da grandi quantità

di dati di

simulazione

Integrazione di

corpi flessibili nei

modelli di calcolo

Implementazione

di carichi con

caratteristiche

peculiari nei

modelli di calcolo

Rapido

adattamento alla

variabilità dei

parametri nella

fase di progetto

preliminare

Tip

od

ian

ali

si

Calcoli inerenti sicurezza, fatica

del binario e qualità di marcia

Calcoli inerenti il comfort di

marcia

Calcoli di sensibilità al vento

laterale (effetto azioni

aerodinamiche )

Definizione dell’ingombro

ottimale della testata del veicolo

Progettazione di sistema di guida

automatico dell’accoppiatore

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Estrapolazione dei risultati delle simulazioni nell’analisi di sicurezza, fatica binario e qualità di marcia

Tale analisi:

Permette di prevedere il comportamento del veicolo

che sarà poi verificato durante le prove in linea, per arrivare all’ottenimento dell’ammissione tecnica

É eseguita secondo normative europee

ad esempio: UIC518, EN14363 , TSI-RS

É caratterizzata da un’ampia gamma di simulazioni

genera grandi quantità di dati da analizzare (più di 100 casi, ciascuno con 50 canali di interesse)

88

Caratteristiche delle simulazioni per verifiche di dinamica di marcia in

conformità alle normative

Numero di test zone4 (small curves I, small curves II,

large curves, straight track)

Numero minimo di curve per zona 3

Numero minimo livelli di accelerazione per curva 3

Configurazioni di peso 2 (tara, pieno carico)

Configurazioni delle sospensioni ad aria 2 (funzionanti, guaste)

Configurazioni di profilo ruote 2 (nuovo, usurato)

Direzione di marcia entrambe

Grandezze da rilevare nelle singole simulazioni e loro ubicazione

Forza verticale al contatto ruota-rotaia per ogni ruota del convoglio

Forza laterale al contatto ruota-rotaia per ogni ruota del convoglio

Accelerazione laterale carrello in corrispondenza di ogni asse

Accelerazione laterale cassa alle estremità di ogni cassa

Accelerazione verticale cassa alle estremità di ogni cassa

Per raggiungere il

numero minimo di

sezioni di tracciato

richieste

99

Le diverse zone del tracciato (test zone) vengono divise in sezioni, sulle quali, a partire dallegrandezze rilevate, si calcolano alcune quantità significative (assessing quantities). Ad ognisezione corrisponde un valore di tali quantità.

Esempio di segnale in rettilineo

Esempio di segnale in presenza di curve

Alcuni tratti possono essere esclusi o raggruppati a parte (es. presenza di deviatoi, zone ditransizione tra rettilineo e curva)

Estrapolazione dei risultati delle simulazioni nell’analisi di sicurezza, fatica binario e qualità di marcia

1010

I valori risultanti dall’insieme delle sezioni di una zona verranno poi processate statisticamente(processazione per zona) e confrontate con i valori limite imposti dalle norme

Forza verticale Forza verticale

ruota-rotaia

99.85%

Percentile

99.85%

PercentileQ

50% 50%

Percentile

Qqst

Forza laterale

ruota-rotaia

pre -filtraggio

(cut-off 20 Hz)

pre -filtraggio

(cut-off 20 Hz)

50%

PercentileYqst

Media mobile

(window: 2m

step: 0.5m)

99.85% e 0.15%

Percentile

(∑Y)2m

(Y/Q)2m

Y/Q

Pre-filtraggio

(cut-off 20 Hz)

Pre-filtraggio

(cut-off 20 Hz)

Esempio di processazione per sezione dei segnali

Estrapolazione dei risultati delle simulazioni nell’analisi di sicurezza, fatica binario e qualità di marcia

1111

Necessità di uno strumento flessibile in grado di:

Selezionare la zona, la grandezza di interesse e la cassa /carrello /asse /ruotadi misura

Ricavare la assessing quantity corrispondente sulle diverse sezioni deltracciato ed eseguire la processazione statistica

Visualizzare i risultati e confrontarli con i limiti imposti

Estrapolazione dei risultati delle simulazioni nell’analisi di sicurezza, fatica binario e qualità di marcia

DataLab

1212

Informazioni

geometriche di

tracciato

Grandezze rilevate

durante la

simulazione

DataLab

Assessing quantities

dell’insieme di sezioni

Confronto grafico con

i valori limite

Gli output dell’attività di simulazione (eseguita tramite il software SIMPACK™)corrispondono agli input necessari a DataLab e consistono in due diversi tipi di filecontenenti:

informazioni geometriche dei tracciati, in formato .trc

canali delle grandezze, in formato .m

Caratteristiche di DataLab

1313

Caratteristiche di DataLab

L’interfaccia grafica (GUI) è costituita da menù a tendina da cui possono essere attivate leprincipali funzionalità

File manager

visualizzazione e caricamento dei file diinput contenenti i dati di simulazione

Preference

impostazione delle sigle attraverso cuivengono riconosciuti i dati contenuti neifile

Channel manager

visualizzazione e caricamento dei canalicontenuti nei file

Track manager

visualizzazione delle caratteristiche dellesezioni di tracciato contenute nel relativo file

Section Grouping

impostazione delle test zone in cui verrannoraggruppate sezioni di tracciato simili

1414

Flag e convenzioni per distinguere i dati dei canali di misura

Flag e convenzioni per distinguere le diverse sezioni del tracciato

Step 1 – Preference

sigle (Flag) per i canali di misura e le sezioni di tracciato

convenzione sulla direzione delle curve (destra / sinistra)

convenzione sulla posizione delle ruote esterne (lato veicolo 1 / 2)

Esempio di analisi

1515

Caratteristiche delle sezioni del tracciato

caricato

Riepilogo delle test zone

previste da norma

Esempio di analisi

transizione 50m

Step 2 – File manager

Caricamento di un file di tracciato (.trc)

rettilineo 100m

rettilineo 50m

transizione 50m

curva di raggio 150m e lunghezza 30m

1616

Esempio di analisi

Posizioni degli assi (odo) Velocità del veicolo (speed)

Step 2 – File manager

Caricamento multiplo di file con canali di misura (.m)

Posizione e velocità permettono di associare univocamente i segnali alla relativa sezione di tracciato

Forze verticali al contatto ruota-rotaia (Q) Somme delle forze orizzontali sull’asse (SY)

1717

Esempio di analisiStep 3 – Plot SY (somma delle forze laterali sull’asse, ∑Y)

Il colore dello sfondo identifica assi appartenenti alla stessa carrozza

Y i1 Y i2

1818

Esempio di analisiStep 3 – Plot SY (somma delle forze laterali sull’asse, ∑Y)

Processazione per sezione

99.85% percentile

0.15% percentile

99.85% percentile

0.15% percentile

valor massimo stimato

���� ��� � � ∙

valor massimo stimato

���� ��� � � ∙

�� : valor medio aritmetico

: deviazione standard

k : fattore tipologia di misura

(sicurezza k=3, fatica del binario ecomportamento dinamico k=2.2).

Valori rilevati

(file .m)

Valori rilevati

(file .m)

Processazione per zona

Confronto con valore

limite (da norma)

Confronto con valore

limite (da norma)

1919

Benefici riscontrati nell’utilizzo di

RAPIDITÀ DI ANALISI

utilizzo in molteplici processi dell’applicazione (es. analisi dei segnali registrati in corsa prova, confronto calcoli-prove per validazione modelli)

RIDUZIONE DEL TEMPO DI EMISSIONE DEI REPORT

POSSIBILITÀ DI AMPLIAMENTO DELLE FUNZIONALITÀ

DataLab

individuazione di possibili criticità nelle fasi preliminari di progetto

ottimizzazione preliminare di sistemi e componenti che impattano sulla dinamica di marcia (es. sospensioni, architettura carrello)

format dedicato per inserimento «copia-incolla» dei risultati nel documento di calcolo

2020

Definizione di una banda di

frequenze di interesse

↓

Analisi modale del modello di

partenza e di quello ridotto

↓

Identificazione dei modi

correlati tra i due modelli

(forma e comportamento

dinamico)

↓

Indice globale di correlazione

tra i due modelli

Altri utilizzi del software MATLABIntegrazione di corpi flessibili nel modello di calcolo per analisi di comfort

Difficoltà: «Ridurre» il corpo flessibile affinché riproduca il comportamento di quello completo all’interno del range di frequenze di interesseObiettivo: Abbattimento dei tempi di calcolo e benefici sulla gestione dei modelli

2121

Altri utilizzi del software MATLABImplementazione di carichi aerodinamici per analisi sensibilità al vento laterale

Difficoltà: Implementare nei modelli di calcolo carichi aerodinamici variabili che riproducono l’effetto di una raffica di vento («Chinese Hat»)Obiettivo: Automatizzare la creazione dei file con i carichi aerodinamici al variare dei parametri

Definizione caratteristiche

del vento (velocità, angolo

rispetto al tracciato)

↓

Time history della velocità

della raffica

↓

Calcolo della velocità

risultante del flusso

aerodinamico (vento +

veicolo) e dell’angolo di

incidenza rispetto al veicolo

↓

Calcolo delle forze e

momenti aerodinamici

agenti attraverso la

conoscenza dei coefficienti

aerodinamici

Velocità risultante

del flusso

Coefficienti

aerodinamici

Carichi aerodinamici

V v

en

toV

ve

nto

«Chinese Hat»Angolo vento

V relativa (veicolo)V relativa (veicolo)

Angolo di incidenza

del flusso

2222

Altri utilizzi del software MATLABDefinizione dell’ingombro ottimale della testata del veicolo

Difficoltà: Definire la rastremazione da applicare alla testata affinché essa rimanga sempre «in ombra» rispetto all’ingombro massimo del veicolo.Obiettivo: Calcolo automatico dei punti caratterizzanti la forma al variare dei parametri

Definizione parametri

che determinano gli

spostamenti, quindi gli

ingombri

↓

Scelta della sezione di

riferimento (ingombro

massimo)

↓

Calcolo automatico delle

rastremazioni ed

esportazione dei punti

tramite file

2323

Altri utilizzi del software MATLAB in aziendaProgettazione di sistema di guida automatico dell’accoppiatore

Difficoltà: Definire un sistema che sia in grado di «capire» su che tipo di tracciato si trovi il veicolo e di orientare opportunamente l’accoppiatore.Obiettivo: Creazione automatica di curve di posizione dei punti del cinematismo per verificarne l’ingombro

Definizione del concept

↓

Definizione della curva

obiettivo di

funzionamento

↓

Verifica della posizione

dei punti notevoli del

cinematismo e degli

ingombri

-30 -20 -10 0 10 20 30-30

-20

-10

0

10

20

30

Angolo cassa-carrello [gradi]

Ang

olo

acco

pp

iato

re a

uto

ma

tico [

gra

di]

Angolo Accoppiatore vs. Angolo carrello.Angolo Accoppiatore vs. Angolo carrello.Angolo Accoppiatore vs. Angolo carrello.Angolo Accoppiatore vs. Angolo carrello.

Curva obbiettivo

Curva risultato

-30 -20 -10 0 10 20 30-6

-4

-2

0

2

4

6

Diff

ere

nza

[gra

di]

Risultato-Obbiettivo

-1200 -1000 -800 -600 -400 -200 0 2000

500

1000

1500

2000

2500

3000

Y [mm]

X [m

m]

Posizioni punti dello snodo.Posizioni punti dello snodo.Posizioni punti dello snodo.Posizioni punti dello snodo.

Posizioni nominali dei puntiA = [ 0.00 , 0.00 ] mmB = [ 1750.00 , -260.00 ] mmC = [ 1750.00 , -760.00 ] mmD = [ 3000.00 , -760.00 ] mmE = [ 2700.00 , -760.00 ] mmF = [ 2700.00 , 0.00 ] mmG = [ 2500.00 , 0.00 ] mm

2424

CONCLUSIONI

Molte attività svolte dall’ente Dinamica di Marcia, Sagoma e SistemiMeccanici sfruttano le potenzialità di MATLAB per gestire la complessità deiprocessi e grandi quantità di dati da produrre/analizzare

MATLAB contribuisce ad aumentare la produttività dell’ente perché permette lariduzione dei tempi di calcolo/analisi e la possibilità di utilizzare i toolcreati su più progetti

MATLAB è in grado di interagire con SIMPACK, il software utilizzato pereseguire analisi dinamiche su veicoli e componenti, attraverso processi di«co-simulazione» utilizzati nel caso di analisi di fenomeni molto complessitipicamente non lineari

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