Multiphysics modelling of multibody systems : application to railway pneumatic suspensions

For several decades, Computer Aided Engineering has been widely used in many fields such as fluid mechanics, structural dynamics, control, etc. Within this context, multibody dynamics deals with systems composed of several rigid or flexible bodies connected by joints and submitted to internal and external forces. Multibody dynamics is especially suitable for the analysis of road and rail vehicles. Concerning the latter, a noticeable evolution has followed the use of pneumatic suspensions which replace conventional helical springs. Such a system allows to adapt the suspension height and stiffness to a varying payload and provides better comfort and sound insulation. However it involves a complete pneumatic circuit composed of auxiliary tanks, pipes, orifices and valves. From an industrial point of view, resorting to a simulation tool could be very beneficial in addressing the increasing complexity due to these various components. The present thesis deals with the modelling of coupled multibody and pneumatic systems with application to railway pneumatic suspensions. We first focus on the modelling of the pneumatic circuit itself and we emphasize how the model refinement must be adapted to the circuit configuration. Then, experiments carried out on a real air spring are presented. In particular, dynamic tests are analysed, showing a good match between experimental and simulation results. Finally, we implemented a model of a metro car and its pneumatic suspension and analysed its performances for tests such as curve passing or rail twist in which components like pneumatic valves play an important role. Novel suspension morphologies inspired from automotive suspensions are also explored and compared to well-established suspension designs.Depuis plusieurs décennies, l'Ingénierie Assistée par Ordinateur se développe dans de nombreux domaines comme la mécanique des fluides, la dynamique des structures, le contrôle, etc. Dans ce contexte, la dynamique multicorps s'intéresse aux systèmes polyarticulés constitués de plusieurs corps rigides ou flexibles interconnectés par des articulations et soumis à des forces internes ou externes. Ses applications sont très variées, allant de la quantification des efforts musculaires dans le corps humain à l’analyse dynamique des véhicules. Concernant les véhicules ferroviaires, la suspension secondaire (située entre la traverse et le châssis du bogie) est souvent constituée d'un coussin pneumatique (cfr figure). Ce système permet d’améliorer le confort des passagers ou l’isolation acoustique et de contrôler la hauteur et la raideur de la suspension en fonction de la charge embarquée. Cependant, il implique un circuit pneumatique relativement complexe composé de réservoirs additionnels, d'orifices, de tuyaux plus ou moins longs et de différentes sortes de vannes. D'un point de vue industriel, disposer d'un outil de simulation présente un intérêt certain en vue d’analyser la complexité croissante d’un tel système. Cette thèse s'intéresse à la modélisation de systèmes impliquant le couplage entre la dynamique multicorps et la pneumatique dans le contexte des suspensions pneumatiques de véhicules ferroviaires. Dans un premier temps, nous expliquons comment modéliser l'ensemble du circuit pneumatique et montrons comment le choix du modèle le plus approprié dépend de la topologie de ce circuit. Ensuite, nous présentons des résultats expérimentaux menés sur un coussin pneumatique de métro. Ces essais ont notamment mis en évidence une bonne adéquation entre les modèles proposés et les mesures d’essais dynamiques. Finalement, le modèle hybride d’un métro et de sa suspension pneumatique a été mis au point. Nous avons ainsi analysé, à l’aide de simulations numériques, les interactions entre le circuit pneumatique et les autres parties du véhicule pour des tests comme des passages en courbe ou en dévers. Nous avons également étudié les performances de circuits pneumatiques originaux inspirés de l'automobile et les avons comparés à des morphologies de circuit pneumatiques plus classiques.(FSA 3) -- UCL, 201