Análisis del comportamiento dinámico de una vía férrea mediante el desarrollo de un código computacional de simulación numérica

Abstract

El estudio de la dinámica ferroviaria se fundamenta en la definición de un modelo matemático que describa lo más aproximadamente posible el fenómeno físico que ocurre debido a la marcha del tren. Las cargas móviles que se presentan repetitivamente generan aceleraciones y velocidades que pueden afectar el funcionamiento adecuado del sistema ferroviario. El presente desarrollo detalla la creación de un modelo simplificado de la superestructura de la vía, mediante el empleo del método del elemento finito. Dicho modelo matemático se compone de elementos que simulan los principales componentes de apoyo del vehículo y sobre los que recaen todas las solicitaciones. De acuerdo a lo anterior los rieles se modelan como vigas, discretizadas en elementos finitos y limitadas por nodos. Estas se encuentran apoyadas sobre elementos rígidos que representan los durmientes, siendo el apoyo entre riel y durmientes un elemento viscoso y con rigidez que representa la capa de asiento. Finalmente, los durmientes se encuentran soportados por elementos sin masa, el balasto, con amortiguación viscosa y rigidez. La ecuación de movimiento que define la estructura, se resolvió empleando un método numérico de integración directa. Los resultados se proponen en tablas y gráficos donde se indican, para una configuración determinada, los desplazamientos, velocidades y aceleraciones en los nodos del riel, tanto verticales y rotacionales, además los desplazamientos, velocidades y aceleraciones verticales de los durmientes y por último las fuerzas de corte y momentos flectores generados en la sección transversal de los nodos de riel. Estos resultados permiten apreciar la incidencia que tienen variables como la velocidad de circulación del tren, la geometría de la vía evaluada, así como su calidad, en la respuesta dinámica del sistema.