Contribución a la metodología de caracterización dinámica de materiales resilientes para aplicaciones ferroviarias

Abstract

This thesis is focused on the enhancement and development of advanced methodologies for the dynamic characterisation of resilient elements used in railway applications. On the one hand, this thesis proposes several improvements to the application of the indirect method described in ISO 10846 standard for determining the dynamic stiffness of resilient elements using a swept-sine excitation. Within this framework, this work proposes a method that allows to design the swept-sine excitation parameters in order to ensure a predefined maximum error of those estimated frequency response functions that are needed to determine the dynamic stiffness. This method is based on a procedure that uses a numerical simulation of the test-rig and the resilient element of study which allows to predict the error made as a function of the excitation parameters and of the existing background noise, allowing to optimise the test in terms of required time and results quality. The method is then validated experimentally for two case studies: a sample of an elastomeric material and a coil spring. This work has also studied the influence that the experimental setup, the static preload and the dynamic loading have on the estimation of the frequency response functions. On the other hand, this thesis considers the adaptation of an existing in situ methodology to laboratory testing. The methodology allows to determine the dynamic stiffness of an elastic element in a broad frequency range with a single test. This alternative methodology has been validated using the two case studies previously mentioned. By including the improvements made to the indirect method to this methodology, it is possible to obtain a simple and robust method that can take into account the uncertainty related to several effects such as the excitation, the background noise and the experimental setup. Finally, the dynamic stiffness results obtained for both case studies have been compared to the results obtained using standardised methods such as the direct and indirect methods. From these comparisons it can be concluded that the proposed alternative method is the best choice to determine the frequency dependence of the dynamic stiffness, specially at high frequencies, as it allows to perform a broad-band characterisation in a single test and it overcomes the problems induced by the inertia forces found when the direct method is applied at high frequencies.

La presente tesis se enfoca en la mejora y desarrollo de metodologías avanzadas para la caracterización dinámica en laboratorio de materiales resilientes para aplicaciones ferroviarias. Por un lado, la tesis propone una serie de mejoras para la aplicación del método indirecto descrito en la norma ISO 10846 para la determinación de la rigidez dinámica de elementos elásticos en el caso de excitación por barrido sinusoidal. En este marco, se propone un método que permite diseñar los parámetros de la excitación de barrido sinusoidal para asegurar un determinado error máximo en la estimación de las funciones de respuesta en frecuencia necesarias para la determinación de la rigidez dinámica. Este método se basa en un proceso de simulación numérica sobre el banco de ensayos de laboratorio y el elemento resiliente a estudiar el cual permite estimar el error que se cometerá en función de los parámetros de la excitación y el ruido de fondo existente, permitiendo la optimización del ensayo en tiempos y calidad. El método es posteriormente validado experimentalmente a partir de dos casos de estudio: un espécimen de material elastomérico y un resorte helicoidal. También se ha estudiado qué influencia tienen sobre la estimación de las funciones de respuesta en frecuencia el tipo de montaje, la precarga estática y la carga dinámica. Por otro lado, esta tesis presenta la adaptación de una metodología in situ ya existente para su aplicación a ensayos de laboratorio. Esta metodología permite determinar la rigidez dinámica de elementos elásticos en todo un rango frecuencial a partir de un único ensayo de laboratorio. Esta metodología alternativa se ha validado para los dos ejemplos experimentales antes mencionados. Aplicando las mejoras antes mencionadas para el método indirecto a esta metodología, se obtendría un método simple y robusto que tendría en cuenta la incertidumbre de medida asociada a varios efectos cómo la excitación, el ruido de fondo y el montaje. Finalmente, los resultados para los dos casos de ejemplo en términos de rigidez dinámica se han comparados con los resultados obtenidos por métodos estandarizados cómo el método directo y el método indirecto. De la comparativa se deduce que el método alternativo presentado deviene la mejor opción para determinar la rigidez dinámica en frecuencia, especialmente para altas frecuencias, dado que acomete esta determinación en un solo ensayo y evita los problemas inducidos por las fuerzas de inercia cuando se aplica el método directo a altas frecuencias.