20
OSCAR : OSCAR : Outil de Simulation du CAptage pour la Outil de Simulation du CAptage pour la Reconnaissance des défauts Reconnaissance des défauts Buts: Développer un code de simulation du comportement dynamique du système pantographe-caténaire pour : 1. Fournir des signatures de défauts et de singularités pour aider l’analyse des mesures 2. Optimiser les caténaires existantes ou à venir Journée GAMNI Journée GAMNI

OSCAR : Outil de Simulation du CAptage pour la ...allaire/gamni/OpenFem_OSCAR.pdf · Journée Gamni 23 septembre 2005 3 Code de simulation de la SNCF Code de simulation Conditions

  • Upload
    lenhi

  • View
    216

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

OSCAR :OSCAR :Outil de Simulation du CAptage pour la Outil de Simulation du CAptage pour la

Reconnaissance des défautsReconnaissance des défauts

Buts:

Développer un code de simulation du comportement dynamique du système pantographe-caténaire pour :

1. Fournir des signatures de défauts et de singularités pour aider l’analyse des mesures2. Optimiser les caténaires existantes ou à venir

Journée GAMNIJournée GAMNI

Journée Gamni 23 septembre 20052

Caténaire

Description de la caténaire et du pantographeDescription de la caténaire et du pantographe

Fil de contact

Pendule

Câble porteur

Pantographe

Journée Gamni 23 septembre 20053

Code de simulation de la SNCFCode de simulation de la SNCF

Code

de simulation

Conditions climatiques : vent, températures extrêmes

Singularités et défauts

Critère d’interopérabilitéAnalyse

des mesuresConception

Caténaire & Pantographe

15, 25KVAlternatif

1.5, 3KVContinuconventionnelle actif losange

Journée Gamni 23 septembre 20054

DifficultésDifficultés

• Modélisation d’une structure flexible excitée par une force mobilerapide

• Déplacements de la caténaire très complexes : combinaisons d’ondes, pendules unilatéraux

• Gestion du couplage entre la caténaire et le pantographe

• Grande variété de géométrie de la caténaire

• Manque de reproductibilité des mesures dû au conditions climatiques, champs électromagnétiques. La validation du modèle est donc plus difficile.

Journée Gamni 23 septembre 20055

OSCAROSCARCaténaireCaténaire

• Description– Modèle Éléments finis entièrement tridimensionnel

chch

Câble porteurCâble porteur

Suspension YSuspension Y

Fil de contactFil de contact

Bras de rappelBras de rappel

AntibalancantAntibalancant

– Calcul Statique respectant la procédure réelle– Unilatéralité des pendules – Caténaire avec plusieurs fils de contact : détection du point de

contact– Possibilité de modéliser tous les défauts

Journée Gamni 23 septembre 20056

OSCAROSCARPantographePantographe

Journée Gamni 23 septembre 20057

OSCAROSCARPantographePantographe

• 3 modèles de pantographes :

masse ressort ou à bande de frottement ou multicorps

• Possibilité d’avoir plusieurs pantographes sous la caténaire

Journée Gamni 23 septembre 20058

OSCAROSCAR

Pantographe

Résolution temporelle

Contact glissant

Caténaire

Journée Gamni 23 septembre 20059

OSCAROSCARCalcul DynamiqueCalcul Dynamique

• Grandeurs étudiées :– Forces de contact – Soulèvement du fil de contact au poteau (PMCA)

Manque de reproductibilité des mesures de force de cont act !

Journée Gamni 23 septembre 200510

OSCAROSCARArchitectureArchitecture

oscar_pre.m(maillages de la caténaire)

oscar_solve.m(calcul)

oscar_panto.m(pantographe)

oscar_utils.m(définition des chemins, etc.)

oscar.m (main)

matlab/toolbox/sdtmatlab/toolbox/sdt/openfem

CONSTRUCTION DU MODEL OUTILS DE CALCUL

Matlab 7.0.1.lnk

Journée Gamni 23 septembre 200511

OSCAROSCARCalcul statiqueCalcul statique

• Description

Tension load computation

Catenary stiffness computation

Catenary displacements due to tensions computation

ntensionntension FF α*=

nK][

ntensionnntension FKTd *][* 1−=

if 1=nα

Gravity load

81.9*][ −=consistentcatenarygravity MF

Catenary displacements due to gravity computation

gravitycatenarygravity FKTd *][* 1−=

gravitytensionstatic ddd +=Total catenary static displacements

513 567

-5

-4

-3

-2

-1

0

Déformation Statique

Longueur[m]D

épla

cem

ent

[cm

]

OSCAR

Journée Gamni 23 septembre 200512

OSCAROSCARCalcul DynamiqueCalcul Dynamique

• Schéma d’intégration temporel : Newmark explicite (prédiction/correction)

• Couplage : méthode de pénalisation

• Gestion de l’unilatéralité du contact et des pendules• Accès au déplacement en tous points de la caténaire et du pantographe en

fonction du temps, animation temporelle …

Raideur de contact fixée arbitrairement à 10 000 N/m

Journée Gamni 23 septembre 200513

OSCAROSCARLe passage d’élémentsLe passage d’éléments

• Le passage d’une force mobile sur un maillage EF génère des perturbations numériques dues aux passage d’un élément à un autre.

• 3 solutions :– Raffinement du maillage (à 300 Km/h, 1 canton=12s)

• 1 Elt/pendule 2-3 min/canton• 3 Elts/pendule 35-45 min/canton• 6 Elts/pendule 6-8 hrs/canton

– Utilisation d’une matrice de masse consistante (plutôt que concentrées)

– Enrichissement des fonctions de forme pour assurer continuité de la courbure

Journée Gamni 23 septembre 200514

OSCAROSCARForce de contactForce de contact

Filtrées à 20 Hz, les simulations et les mesures sont bien corrélées en terme d’extrema et de forme globale

261 311 360 410 459 513 567 621 675 729 783 837

100

200

300

400

Longueur [m]

For

ce d

e C

onta

ct [N

] Force de contact filtrée à 20 Hz

518 524 531 538542 549 556 563567572 578 585 592596 603 610 617621626 632 639 646650 657 664 6716750

100

200

300

Longueur [m]

For

ce d

e co

ntac

t [N

] Force de contact filtrée à 20 Hz ; zoom sur 3 portées

MesuresOSCAR

Journée Gamni 23 septembre 200515

OSCAROSCARSoulèvement du fil de contactSoulèvement du fil de contact

• Un pantographe

5 10 15 20 25

-0.02

0

0.02

0.04

0.06

0.08

Temps [s]

Sou

leve

men

t[m

]Mesures

Oscar

Journée Gamni 23 septembre 200516

Exemple de simulation dans OSCARExemple de simulation dans OSCAR

Étude de l’influence d’un changement de cantonReprésentation temporelle du passage d’un changement de canton

Journée Gamni 23 septembre 200517

La fluctuation de la force de contact est liée aux variations de l’élasticité de la caténaire dans le changement de canton

Exemple de simulation dans OSCARExemple de simulation dans OSCAR

1157 12101211 1264 1319

100

200

300

Le ngth [m]

Co

nta

ct

forc

e [

N]

1157 12101211 1264 13190

0.1

0.2

0.3

0.4

Le ngth [m]

Ela

stic

ity [

mm

/N]

For

ce d

e co

ntac

t (N

)E

last

icité

(mm

/N)

Journée Gamni 23 septembre 200518

Représentation des effets tridimensionnels

Exemple de simulation dans OSCARExemple de simulation dans OSCAR

Y

Z

-0.08 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08

-0.08

-0.06

-0.04

-0.02

0

0.02

0.04

CW point traje c tory in YZ plan

Y [m]Z

[m]

Le fil de contact a un mouvement entièrement tridimensionnel !

Journée Gamni 23 septembre 200519

ConclusionConclusion

• OSCAR donne de très bons résultats en termes de soulèvements et d’effort de contact.

• points négatifs :- L’amortissement- problèmes liés aux passages des éléments

• L’atténuation des problèmes liés aux EF ne peut qu’améliorer leschoses en situation nominale. Elle s’avérera sans doute indispensable pour une description plus fine en vue de détecter des défauts.

Journée Gamni 23 septembre 200520

PerspectivesPerspectives ::Détection d’un défaut par un pantographe instrumentéDétection d’un défaut par un pantographe instrumenté

Simulation d’un pendule manquant

Un pendule manquant peut a priori être détecté !

513 567 621 675 729 783

-20

-10

0

10

Le nght [m]

εε εε [%

]

S ignature of mis s ing droppe r513 567 621 675 729 783

100

200

300

Le ngth [m]

Fc

[N

]Contact force w ith/w ithout mis s ing droppe r

(xde fe ct

= 650 m)

with de fe ctwithout de fe ct