11
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
55
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
77
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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