Przybliżone modelowanie układu „pojazd szynowy–nawierzchnia–podłoże”

W artykule analizowano układ pojazd szynowy–nawierzchnia kolejowa–podłoże gruntowe jako belki Bernoulliego-Eulera na podłożu jednowarstwowym. Rozpatrywano następujące przypadki obciążeń konstrukcji nawierzchni kolejowej: a) statyczne obciążenie nawierzchni kolejowej pojazdem szynowym, b) pojazd porusza się ze stałą prędkością. W konsekwencji otrzymano równanie różniczkowe czwartego rzędu opisujące równanie linii ugięcia tak zamodelowanego układu. Dane materiałowe oraz parametry eksploatacyjne zostały określone poprzez poszczególne składniki równania. Do jego rozwiązania wykorzystano metodę różnic skończonych. Opisana została istota metody oraz podstawowe zagadnienia z nią związane takie jak: dobór kroku przestrzennego, dobór kroku czasowego, siatka czasowo-przestrzenna oraz numeryczny model obciążenia ruchomego. Celem autorów było określenie przydatności zastosowanej metody numerycznej przy rozwiązywaniu równania różniczkowego opisującego wybrany do analizy model nawierzchni kolejowej. Otrzymane wyniki porównano z wartościami obliczonymi w sposób analityczny. Opracowany uproszczony i sprawdzony model układu pojazd−nawierzchnia−podtorze zostanie wykorzystany w dalszym etapie pracy do analizy różnych rozwiązań technicznych (różne materiały i różne kształty elementów wchodzących w skład nawierzchni charakteryzujące się różnymi stałymi materiałowymi).

A system “railway vehicle–railway track–substructure” was analysed. Rails were modelled as the Bernoulii-Euler beams on an elastic foundation. Two load cases were considered a) static load from the train to the railway track, b) dynamic load from the train moving with the constant velocity. As a result, the fourth-order differential equation was obtained. Both, material data and operating parameters were determined by components of the equation. To solve this equation, the finite difference method was used. This method was described considering such matters as space step, time step, discretization, and moving load modelling. Evaluation of usefulness of a selected method in modelling a railway infrastructure was the purpose of the authors. The obtained results were compared with results received by analytical way. The presented, simplified model: railway vehicle–infrastructure–substructure after appropriative validation will be used later on to analyse various technical solutions and materials in designing railway constructions.