Beräkningar av chockvågor orsakade av tåg som passerar ljudvallen
I en doktorsavhandling på Chalmers presenterar Torbjörn Ekevid beräkningsmetoder för att behandla vågutbredningsfenomen orsakade av höghastighetståg. Dessa fenomen leder till skadliga deformationer av spåret när tåget passerar.
Beräkningsmetoderna har använts i ett projekt finansierat av Banverket. På platser med dåliga markförhållanden (lera, gyttja) har man iakttagit skadligt stora deformationer av spåret när höghastighetståg har passerat. Dessa deformationer har sin förklaring i att chockvågor liknade de som uppträder runt flygplan som passerar ljudvallen uppträder då tågets hastighet sammanfaller med eller överstiger vågutbredningshastigheten för den sammansatta spårstrukturen (kritisk hastighet). Modeller baserade på Finita Element Metoden, FEM, har tagits fram och speciella randelement har utvecklats för att undvika reflektioner och begränsa modellernas utsträckning. Resultaten tydliggör principiella skillnader mellan responsen för tåghastigheter som ligger under respektive över den kritiska hastigheten hos spårstrukturen. Med hjälp av modellerna är det också möjligt att studera effekten av och utvärdera olika förstärkningsåtgärder.
En tydlig trend inom industrin är önskan att minska antalet prototyper vid utveckling av nya produkter och istället förlita sig mer på datormodeller och beräkningar. Inom byggbranschen där varje produkt är unik har detta arbetssätt under lång tid tillämpats. Att bedöma resultatens kvalitet och riktighet för modeller av komplicerade fysikaliska problem ställer stora krav på den som utför beräkningen. Därför är det mycket viktigt att utveckla beräkningsmetoder som automatiskt kontrollerar lösningarnas kvalitet. För vågutbredningsproblem presenteras i avhandlingen så kallade adaptiva metoder för felkontroll och lösningsstrategier för de ekvationer som den numeriska metoden ger upphov till.
Finita Element Metoden, FEM, är idag den helt dominerande numeriska metoden för att utföra simuleringar med industritillämpning. Genom att göra uppskattningar av storleken på de beräkningsfel som kan uppstå och lokalisera de områden där felet som den numeriska metoden ger upphov till är stort, kan beräkningsnätet anpassas så att det följer vågornas utbredning. För FEM är lösning av stora linjära ekvationssystem centralt och snabba lösningsmetoder är därför helt avgörande för effektiviteten. Genom att använda flera kopplade beräkningsnät i lösningsprocessen har en effektiv metod för att utföra beräkningar tillämpade på vågutbrednings problem utvecklats.
Avhandlingen “Computational Solid Wave propagation. Numerical Techniques and Industrial Applications”, försvarades vid en offentlig disputation på Chalmers den 18 december kl 10.00 i sal VG, Sven Hultins gata 6, Chalmers, Göteborg.
Kontaktinformation
Mer information:
Torbjörn Ekevid, Byggnadsmekanik, Chalmers tekniska högskola, tel: 031-772 8566, e-post: torekr@sm.Chalmers.se
