Vasúti zúzottkő ágyazat viselkedésének szimulációja diszkrét elemes módszerrel
A vasúti pálya kiemelt fontosságú része a zúzottkő ágyazat, melyet a szerelvények közlekedése közben dinamikus erőhatások érnek. Emiatt az ágyazat folyamatos igénybevételnek van kitéve, és ezért a szerkezetét alkotó zúzottkövek aprózódása következik be. Az ágyazaton belül különös figyelmet érdemel az úgynevezett kőgerenda, amely a terhelések jelentős részét felveszi. A kőgerenda az ágyazat azon téglatest alakú tartománya, amely a vasbeton keresztalj alatt található, a sín rögzítési pontjánál.
A kőgerenda mechanikai tulajdonságait nagyban meghatározza a benne található zúzottkövek geometriája, amelyek kubikusak, vagy lemezesek lehetnek. Az eddigi megfigyelések alapján a terhelések felvételéhez mindkét típusú kőgeometriának jelen kell lennie az ágyazatban. A különböző alakú szemcsék optimális arányát eddig tapasztalati úton határozták meg. A dolgozatban bemutatott kutatással szimulációs modell megalkotásával kerestük ezt az optimális arányt. Az elemek viselkedésének szimulálásához a diszkrét elemes módszert (DEM) alkalmaztuk. A DEM egy numerikus eljárás, amely a különálló, szilárd testekből felépülő térrészek mechanikai viselkedését írja le. A szemcsehalmazban a merev elemek egymáshoz képest független elmozdulásokkal, szabadságfokokkal bírnak. Az elemek között különböző típusú interakciók (például súrlódás, normál erő, kohézió) definiálhatók.
A DEM módszerben az alkalmazott elemek alakja nagy hatással van a teljes halmaz makromechanikai jellemzőire és dinamikus viselkedésére. Jelenleg – egyszerűségük és kis számítási kapacitás igényük miatt – legelterjedtebb a gömb elemek alkalmazása, azonban számos további lehetőség is létezik a kőalak minél valósághűbb modellezésére. A kutatás első lépéseként 3D szkenneléssel modelleztük a kövek formáját, majd megvizsgáltuk a kapott geometriát legjobban közelítő elemtípusokat. A kutatásunkban létrehozni kívánt modellhez olyan elemtípust kerestünk, amely pontosan képes visszaadni a zúzottkövek alakját, és lehetőséget ad az aprózódás modellezésére is. Első megközelítésben úgynevezett clump elemeket alkalmaztunk, majd irodalomkutatásunk eredményeként a poliéder elemek használata mellett döntöttünk, melyeket a Yade diszkrét elemes szoftver segítségével tudtunk alkalmazni.
A modell megalkotása előtt, az információk gyűjtése során feldolgoztuk az ágyazati kőgerendában található kövek geometriájára vonatkozó mérési eredményeket, amelyekkel a kövek alakjának, méretének és a két típusú elem egymáshoz viszonyított arányainak meghatározását végezhettük el. Az adatok gyűjtését követően a diszkrét elemes modell geometriai és mechanikai tulajdonságainak meghatározása után megadtuk a mikromechanikai modell beállítási paramétereket, amelyeket a későbbi validációkban alkalmazunk. A tovább fejlesztett modell verifikációja során – melyben poliéder elemeket használtunk – a valós köveken elvégzett Hummel (statikus) és Proctor (dinamikus) mérőberendezésekben végrehajtott vizsgálatokat azok szimulációval hasonlítjuk össze. Az így validált modell birtokában lehetőségünk nyílik az ágyazati kőgerenda viselkedésének vizsgálatára, amely egyrészt az üzem közbeni és a pályakarbantartás alatti mozgás és aprózódás szimulációjára alkalmas, másrészt mennyiségi információt is szolgáltat a modelleken bekövetkező erőhatásokról, illetve azok dinamikus jellegéről.
A dolgozatban a kutatás jelenlegi állásának az eredményeit mutatjuk be, amely a diszkrét elemes modell elemeinek, paramétereinek és kölcsönhatásainak kidolgozását foglalja magában. A mérések a BME Építőmérnöki Karán, az Építőanyagok és Magasépítés Tanszéken, míg diszkrét elemes modellezés a BME Gépészmérnöki Karán a Gép- és Terméktervezés Tanszéken készültek.
szerző
konzulensek
-
Dr. Gálos Miklós
Egyetemi tanár, Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék -
Dr. Rádics János Péter
adjunktus, Gép- és Terméktervezés Tanszék -
Dr. Tamás Kornél
egyetemi docens, Gép- és Terméktervezés Tanszék
helyezés
Egyetemi Hallgatói Képviselet III. helyezett