Os acidentes com veículos ferroviários podem ter origem em muitos fatores, mas os principais são relacionados com a dinâmica do veículo e carga, via permanente em péssimas condições e operações inseguras nos trens. Os acidentes causam mortes, danos materiais e ao meio ambiente e prejuízos para as operadoras e seus clientes. Para avaliar a dinâmica dos veículos ferroviários, um sistema multicorpos foi desenvolvido (programa computacional) para representar matematicamente um típico veículo ferroviário com seus principais graus de liberdade. As equações de movimento foram desenvolvidas utilizando a equação de Lagrange de movimento, a qual considera princípios da mecânica como: energia cinética, energia potencial e a dissipação de energia do sistema. As equações acopladas e desacopladas são programadas e resolvidas para acelerações, estas são integradas duas vezes, obtendo-se as velocidades e deslocamentos. A partir das repostas do sistema o comportamento do veículo pode ser avaliado em várias condições de operação. A verificação do programa é realizada através de comparações com resultados de outros programas publicados na literatura, onde se verifica uma adequada correlação. Avaliações nos principais regimes de operação são realizadas de forma a simular condições determinadas pela norma AAR e condições extras originadas por irregularidades aperiódicas da via do tipo cusp e jog. Dois tipos de veículos são simulados para representar as condições típicas das ferrovias brasileiras: veículos operando em bitola métrica e em bitola larga. Os resultados das simulações apresentam valores de amplitude e fase que estão de acordo com resultados expostos nas normas e na literatura ferroviária de referência utilizada neste trabalho. A avaliação dinâmica de veículos ferroviários através de um programa computacional é importante, pois considera as principais características dos veículos e via permanente. A possibilidade de representar o veículo com uma configuração simples em relação a programas comerciais permite uma simulação rápida e confiável para determinar respostas em regimes como: hunting, twist e roll, pitch e bounce e yaw e sway. / The accidents with rail vehicles has origin due to many factors, but the main ones are related to the dynamics of the vehicle and load, the spoiled railway and unsafe operations on the trains. Accidents causing deaths, damage to property and the environment and damage to operators and their customers. In order to evaluate the railway vehicles dynamics, it was developed a multibody system (computer program) to mathematically represent a typical railway vehicle with its main degrees of freedom. The motion equations were developed using Lagrange's equation of motion, which takes into consideration the principles of mechanical, as: kinetic energy, potential energy and energy dissipation of the system. The coupled and uncoupled equations are programmed and solved for accelerations, which are twice integrated, in order to have the speeds and displacements. From the system’s responses, the vehicle behavior can be evaluated in several operating conditions. The comparison of the program is accomplished through confrontations with results from other programs in the literature, in which a good correlation is verified. The evaluations in the main regimes of operation are made in a way simulate the conditions determined by the standard conditions and extra conditions caused by aperiodic irregularities of the track. Two types of vehicles are simulated to represent the typical conditions of Brazilian railways: vehicles operating on meter gauge and large gauge. The simulation results show that amplitude and phase values are consistent with results presented in the standards and in the railway literature of reference of this work. The rail vehicles dynamic evaluation through a computer program was important because it considers the main characteristics of vehicles and permanent way. The possibility of representing the vehicle with a simple configuration in relation to commercial softwares allows a fast and reliable simulation to determine responses in regimes as: hunting, twist and roll, pitch and bounce and yaw and sway.

Os acidentes com veículos ferroviários podem ter origem em muitos fatores, mas os principais são relacionados com a dinâmica do veículo e carga, via permanente em péssimas condições e operações inseguras nos trens. Os acidentes causam mortes, danos materiais e ao meio ambiente e prejuízos para as operadoras e seus clientes. Para avaliar a dinâmica dos veículos ferroviários, um sistema multicorpos foi desenvolvido (programa computacional) para representar matematicamente um típico veículo ferroviário com seus principais graus de liberdade. As equações de movimento foram desenvolvidas utilizando a equação de Lagrange de movimento, a qual considera princípios da mecânica como: energia cinética, energia potencial e a dissipação de energia do sistema. As equações acopladas e desacopladas são programadas e resolvidas para acelerações, estas são integradas duas vezes, obtendo-se as velocidades e deslocamentos. A partir das repostas do sistema o comportamento do veículo pode ser avaliado em várias condições de operação. A verificação do programa é realizada através de comparações com resultados de outros programas publicados na literatura, onde se verifica uma adequada correlação. Avaliações nos principais regimes de operação são realizadas de forma a simular condições determinadas pela norma AAR e condições extras originadas por irregularidades aperiódicas da via do tipo cusp e jog. Dois tipos de veículos são simulados para representar as condições típicas das ferrovias brasileiras: veículos operando em bitola métrica e em bitola larga. Os resultados das simulações apresentam valores de amplitude e fase que estão de acordo com resultados expostos nas normas e na literatura ferroviária de referência utilizada neste trabalho. A avaliação dinâmica de veículos ferroviários através de um programa computacional é importante, pois considera as principais características dos veículos e via permanente. A possibilidade de representar o veículo com uma configuração simples em relação a programas comerciais permite uma simulação rápida e confiável para determinar respostas em regimes como: hunting, twist e roll, pitch e bounce e yaw e sway. / The accidents with rail vehicles has origin due to many factors, but the main ones are related to the dynamics of the vehicle and load, the spoiled railway and unsafe operations on the trains. Accidents causing deaths, damage to property and the environment and damage to operators and their customers. In order to evaluate the railway vehicles dynamics, it was developed a multibody system (computer program) to mathematically represent a typical railway vehicle with its main degrees of freedom. The motion equations were developed using Lagrange's equation of motion, which takes into consideration the principles of mechanical, as: kinetic energy, potential energy and energy dissipation of the system. The coupled and uncoupled equations are programmed and solved for accelerations, which are twice integrated, in order to have the speeds and displacements. From the system’s responses, the vehicle behavior can be evaluated in several operating conditions. The comparison of the program is accomplished through confrontations with results from other programs in the literature, in which a good correlation is verified. The evaluations in the main regimes of operation are made in a way simulate the conditions determined by the standard conditions and extra conditions caused by aperiodic irregularities of the track. Two types of vehicles are simulated to represent the typical conditions of Brazilian railways: vehicles operating on meter gauge and large gauge. The simulation results show that amplitude and phase values are consistent with results presented in the standards and in the railway literature of reference of this work. The rail vehicles dynamic evaluation through a computer program was important because it considers the main characteristics of vehicles and permanent way. The possibility of representing the vehicle with a simple configuration in relation to commercial softwares allows a fast and reliable simulation to determine responses in regimes as: hunting, twist and roll, pitch and bounce and yaw and sway.

Os acidentes com veículos ferroviários podem ter origem em muitos fatores, mas os principais são relacionados com a dinâmica do veículo e carga, via permanente em péssimas condições e operações inseguras nos trens. Os acidentes causam mortes, danos materiais e ao meio ambiente e prejuízos para as operadoras e seus clientes. Para avaliar a dinâmica dos veículos ferroviários, um sistema multicorpos foi desenvolvido (programa computacional) para representar matematicamente um típico veículo ferroviário com seus principais graus de liberdade. As equações de movimento foram desenvolvidas utilizando a equação de Lagrange de movimento, a qual considera princípios da mecânica como: energia cinética, energia potencial e a dissipação de energia do sistema. As equações acopladas e desacopladas são programadas e resolvidas para acelerações, estas são integradas duas vezes, obtendo-se as velocidades e deslocamentos. A partir das repostas do sistema o comportamento do veículo pode ser avaliado em várias condições de operação. A verificação do programa é realizada através de comparações com resultados de outros programas publicados na literatura, onde se verifica uma adequada correlação. Avaliações nos principais regimes de operação são realizadas de forma a simular condições determinadas pela norma AAR e condições extras originadas por irregularidades aperiódicas da via do tipo cusp e jog. Dois tipos de veículos são simulados para representar as condições típicas das ferrovias brasileiras: veículos operando em bitola métrica e em bitola larga. Os resultados das simulações apresentam valores de amplitude e fase que estão de acordo com resultados expostos nas normas e na literatura ferroviária de referência utilizada neste trabalho. A avaliação dinâmica de veículos ferroviários através de um programa computacional é importante, pois considera as principais características dos veículos e via permanente. A possibilidade de representar o veículo com uma configuração simples em relação a programas comerciais permite uma simulação rápida e confiável para determinar respostas em regimes como: hunting, twist e roll, pitch e bounce e yaw e sway. / The accidents with rail vehicles has origin due to many factors, but the main ones are related to the dynamics of the vehicle and load, the spoiled railway and unsafe operations on the trains. Accidents causing deaths, damage to property and the environment and damage to operators and their customers. In order to evaluate the railway vehicles dynamics, it was developed a multibody system (computer program) to mathematically represent a typical railway vehicle with its main degrees of freedom. The motion equations were developed using Lagrange's equation of motion, which takes into consideration the principles of mechanical, as: kinetic energy, potential energy and energy dissipation of the system. The coupled and uncoupled equations are programmed and solved for accelerations, which are twice integrated, in order to have the speeds and displacements. From the system’s responses, the vehicle behavior can be evaluated in several operating conditions. The comparison of the program is accomplished through confrontations with results from other programs in the literature, in which a good correlation is verified. The evaluations in the main regimes of operation are made in a way simulate the conditions determined by the standard conditions and extra conditions caused by aperiodic irregularities of the track. Two types of vehicles are simulated to represent the typical conditions of Brazilian railways: vehicles operating on meter gauge and large gauge. The simulation results show that amplitude and phase values are consistent with results presented in the standards and in the railway literature of reference of this work. The rail vehicles dynamic evaluation through a computer program was important because it considers the main characteristics of vehicles and permanent way. The possibility of representing the vehicle with a simple configuration in relation to commercial softwares allows a fast and reliable simulation to determine responses in regimes as: hunting, twist and roll, pitch and bounce and yaw and sway.

Este trabalho utiliza a técnica de modelagem de sistemas multicorpos para analisar o comportamento dinâmico de um vagão ferroviário de carga, trafegando sobre via tangente com desnivelamento transversal periódico. O estudo exibe a modelagem dos principais vínculos deste sistema, como o contato entre o prato e o pião, molas helicoidais e sistema de amortecimento de atrito seco da suspensão primária. A modelagem do contato entre o prato e o pião sugerida, é baseada em um modelo de elastic foundation, e utiliza a característica geométrica dos corpos em contato. O modelo dinâmico de atrito desenvolvido possui atuação bidirecional, sendo utilizado nos elementos dissipativos da suspensão. A matriz de rigidez das molas helicoidais da suspensão primária é obtida utilizando o Triedro de Frenet-Serret e o Segundo Teorema de Castigliano. O modelo matemático, confeccionado com a ferramenta de modelagem ADAMS/Rail, é composto por 90 corpos rígidos e uma caixa flexível e possui 210 graus de liberdade. A comparação dos resultados obtidos na identificação modal experimental e nas análises do modelo comprovou que as hipóteses adotadas na modelagem são aceitáveis, reforçando a utilização dos modelos multicorpos na análise dinâmica do veículo guiado. A variação da velocidade de tráfego do veículo, sobre diferentes comprimentos de irregularidade da via, proporcionou os resultados para confecção dos mapas de resposta dinâmica. Esses mapas foram traçados para o ângulo rolagem, alívio das forças no contato roda-trilho e razão L/V no rodeiro de ataque, e identificaram as regiões mais sensíveis para a rolagem harmônica. A rolagem e torção da caixa foram identificados como os movimentos principais do veículo, quando em tráfego em via com desnivelamento transversal periódico. O conjunto de prato e pião gasto aumentou a faixa de velocidade indicada como crítica para a rolagem, piorando os resultados para velocidades mais baixas. O aumento do amortecimento da suspensão primária, por meio da inclinação do lenoir link, diminuiu os valores de rolagem e do alívio em comparação ao caso nominal. A utilização do ampara-balaço de contato constante propiciou a diminuição do ângulo de rolagem, alívio das forças e da razão L/V do rodeiro na região de ressonância. O aumento do amortecimento deste vínculo, devido à mola elastomérica, proporcionou resultados ainda melhores e indicou que a alteração das características da suspensão secundária pode reduzir a amplitude do movimento de rolagem harmônica. A metodologia de análise do comportamento dinâmico proposta, através dos mapas de resposta, pode auxiliar na determinação das faixas críticas de velocidade de um vagão ferroviário de carga, no tráfego em vias cujas características típicas das irregularidades são conhecidas. Empresas do setor ferroviário podem aplicar este método no projeto de novos vagões, bem como no estudo da velocidade crítica de determinada frota já em operação. / This study uses the multibody system modeling techniques to analyze the dynamic behavior of a railway freight wagon, traveling over tangent track with periodic cross level defect. The study shows the modeling of the main links of the system, as the center plate contact, helical springs and dry friction damper. The suggested modeling of the center plate contact is based on an elastic foundation model, and uses the geometric characteristic of these bodies. The dynamic friction model developed is bidirectional, being used in the dissipative suspension elements. The stiffness matrix of the helical springs is obtained using the Frenet-Serret trihedral and the Second Castigliano Theorem. The mathematical model, developed with the software ADAMS/Rail, is composed of 90 rigid bodies and a flexible car body and has 210 degrees of freedom. A comparison of results obtained in experimental modal identification and analysis of the mathematical model showed that the assumptions made in modeling are acceptable, reinforcing the use of multibody models in dynamic analysis of rail vehicles. The traffic speed variation on different lengths of track irregularity provided the results to make the dynamic response maps. These maps were drawn to roll angle, vertical force in the wheel-rail contact and wheelset L/V and identified the most sensitive regions to harmonic roll. The roll and torsion of the car body were identified as the main movements of the vehicle, when traveling over tangent track with periodic cross level defect. The use of worn center plate increased the critical speed range to the roll motion and decreases the performance for slower speeds. The increase in the damping of the primary suspension, through the lenoir link inclination, decreased the rolling angle and wheel lift in comparison to the nominal case. The use of constant contact side bearer reduced the roll angle and wheelset L/V ratio and increased the vertical load on wheels in the resonance region. The use of elastomeric side bearer provided even better results indicating that changes of the secondary suspension characteristics can minimize the movement of harmonic roll. The methodology for analyzing the dynamic behavior, through the proposed response maps, can assist in determining the critical speed ranges of a railway freight wagon running over a track whose typical irregularities characteristics are known. Companies in the rail industry can apply this method in the design of new cars, and study the critical velocity of a given railway fleet already in operation.

Este trabalho utiliza a técnica de modelagem de sistemas multicorpos para analisar o comportamento dinâmico de um vagão ferroviário de carga, trafegando sobre via tangente com desnivelamento transversal periódico. O estudo exibe a modelagem dos principais vínculos deste sistema, como o contato entre o prato e o pião, molas helicoidais e sistema de amortecimento de atrito seco da suspensão primária. A modelagem do contato entre o prato e o pião sugerida, é baseada em um modelo de elastic foundation, e utiliza a característica geométrica dos corpos em contato. O modelo dinâmico de atrito desenvolvido possui atuação bidirecional, sendo utilizado nos elementos dissipativos da suspensão. A matriz de rigidez das molas helicoidais da suspensão primária é obtida utilizando o Triedro de Frenet-Serret e o Segundo Teorema de Castigliano. O modelo matemático, confeccionado com a ferramenta de modelagem ADAMS/Rail, é composto por 90 corpos rígidos e uma caixa flexível e possui 210 graus de liberdade. A comparação dos resultados obtidos na identificação modal experimental e nas análises do modelo comprovou que as hipóteses adotadas na modelagem são aceitáveis, reforçando a utilização dos modelos multicorpos na análise dinâmica do veículo guiado. A variação da velocidade de tráfego do veículo, sobre diferentes comprimentos de irregularidade da via, proporcionou os resultados para confecção dos mapas de resposta dinâmica. Esses mapas foram traçados para o ângulo rolagem, alívio das forças no contato roda-trilho e razão L/V no rodeiro de ataque, e identificaram as regiões mais sensíveis para a rolagem harmônica. A rolagem e torção da caixa foram identificados como os movimentos principais do veículo, quando em tráfego em via com desnivelamento transversal periódico. O conjunto de prato e pião gasto aumentou a faixa de velocidade indicada como crítica para a rolagem, piorando os resultados para velocidades mais baixas. O aumento do amortecimento da suspensão primária, por meio da inclinação do lenoir link, diminuiu os valores de rolagem e do alívio em comparação ao caso nominal. A utilização do ampara-balaço de contato constante propiciou a diminuição do ângulo de rolagem, alívio das forças e da razão L/V do rodeiro na região de ressonância. O aumento do amortecimento deste vínculo, devido à mola elastomérica, proporcionou resultados ainda melhores e indicou que a alteração das características da suspensão secundária pode reduzir a amplitude do movimento de rolagem harmônica. A metodologia de análise do comportamento dinâmico proposta, através dos mapas de resposta, pode auxiliar na determinação das faixas críticas de velocidade de um vagão ferroviário de carga, no tráfego em vias cujas características típicas das irregularidades são conhecidas. Empresas do setor ferroviário podem aplicar este método no projeto de novos vagões, bem como no estudo da velocidade crítica de determinada frota já em operação. / This study uses the multibody system modeling techniques to analyze the dynamic behavior of a railway freight wagon, traveling over tangent track with periodic cross level defect. The study shows the modeling of the main links of the system, as the center plate contact, helical springs and dry friction damper. The suggested modeling of the center plate contact is based on an elastic foundation model, and uses the geometric characteristic of these bodies. The dynamic friction model developed is bidirectional, being used in the dissipative suspension elements. The stiffness matrix of the helical springs is obtained using the Frenet-Serret trihedral and the Second Castigliano Theorem. The mathematical model, developed with the software ADAMS/Rail, is composed of 90 rigid bodies and a flexible car body and has 210 degrees of freedom. A comparison of results obtained in experimental modal identification and analysis of the mathematical model showed that the assumptions made in modeling are acceptable, reinforcing the use of multibody models in dynamic analysis of rail vehicles. The traffic speed variation on different lengths of track irregularity provided the results to make the dynamic response maps. These maps were drawn to roll angle, vertical force in the wheel-rail contact and wheelset L/V and identified the most sensitive regions to harmonic roll. The roll and torsion of the car body were identified as the main movements of the vehicle, when traveling over tangent track with periodic cross level defect. The use of worn center plate increased the critical speed range to the roll motion and decreases the performance for slower speeds. The increase in the damping of the primary suspension, through the lenoir link inclination, decreased the rolling angle and wheel lift in comparison to the nominal case. The use of constant contact side bearer reduced the roll angle and wheelset L/V ratio and increased the vertical load on wheels in the resonance region. The use of elastomeric side bearer provided even better results indicating that changes of the secondary suspension characteristics can minimize the movement of harmonic roll. The methodology for analyzing the dynamic behavior, through the proposed response maps, can assist in determining the critical speed ranges of a railway freight wagon running over a track whose typical irregularities characteristics are known. Companies in the rail industry can apply this method in the design of new cars, and study the critical velocity of a given railway fleet already in operation.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:50:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4516.pdf: 2685213 bytes, checksum: 549d36e8c309231a3650ebff250bb1af (MD5) Previous issue date: 2012-06-01 / The domain of logistics is concerned with providing customers with the right product in the right place at the right time. In our modern economy, the faster pace and wider scope of logistic operations has led to complex management problems that have drawn the attention of both industry and the academic world Optimizing the number of vehicles for a determined transport system requires a trade-off between the cost of vehicle acquisition and maintenance and the penalties involved in not meeting the requirements of the system. This thesis proposes to contribute to decision making in the operational management of those companies working in the transportation of goods by road, particularly as regards the optimization of vehicle use in freight transfer between terminals. Various operational problems, especially management of the transfer fleet, involves the dynamic allocation of limited resources to meet demand. Specifically, this paper deals with the dynamic (multi-period) vehicle allocation problem (DVAP) in the road transportation of full loads between terminals. The DVAP belongs to that class of problems dealing with dynamic resource allocation and consists of defining the movements of a fleet of vehicles that transport goods between terminals with a wide geographical distribution and which interact among themselves. These movements may be of fully-laden vehicles, unladen vehicles for repositioning or vehicles held at a terminal to meet future demands. Emphasis is given to the characterization of the problem in real situations, mathematical modeling of the problem and the use of operational research techniques in solving the problem. Also, heuristics and metaheuristics such as GRASP, simulated annealing and ant colony optimization are used in the solution. The objective is to determine dynamic allocation and fleet needs in order to minimize operational costs in meeting the demand for services. The main reason for undertaking this work was the possibility of practical application, the development of integer linear programming models and both exact and heuristic methods for solutions, aiming at the practical validation of the approaches in the real operational environment of a Brazilian transport company. / O domínio das atividades logísticas é fornecer aos clientes de um sistema o produto certo, no local certo e no tempo certo. Na economia moderna, o passo acelerado e o grande escopo das operações logísticas tem fomentado problemas gerenciais complexos, atraindo a atenção da indústria e da academia. Otimizar a quantidade de veículos para um determinado sistema de transporte requer a avaliação do tradeoff entre o custo de aquisição e manutenção de veículos e penalidades associadas com o não atendimento de demandas neste sistema. Esta tese se propõe a contribuir para apoiar decisões na gestão operacional de frotas de empresas prestadoras de serviços de transporte rodoviário de cargas. Em particular, na otimização do uso de veículos nos transportes de transferências de cargas entre terminais, tendo como fator crítico e determinante a maximização da utilização dos recursos nas operações. Vários problemas operacionais, em especial o gerenciamento da frota de transferência, consistem em dinamicamente alocar recursos limitados às requisições de tarefas. Especificamente, este trabalho trata do problema da alocação dinâmica (multi-períodos) de veículos (PADV) no transporte rodoviário de cargas completas entre terminais. O PADV pertence a classe de problemas de alocação dinâmica de recursos e consiste em definir movimentos de uma frota de veículos que realiza viagens entre terminais geograficamente dispersos que interagem entre si. Estes movimentos podem ser: veículos carregados com carga completa, veículos vazios para reposicionamento, ou veículos mantidos em um terminal de um período para outro como provisão para o atendimento de demandas futuras. A ênfase é dada na caracterização do problema em situações reais, na modelagem matemática do problema e na solução do mesmo utilizando técnicas de pesquisa operacional, envolvendo ainda a utilização de heurísticas e metaheurísticas para solução, como o GRASP, o simulated annealing e a colônia de formigas. O objetivo é definir a alocação dinâmica e necessidades de frota que minimizem o custo operacional no atendimento a demandas por serviços. A principal motivação para o desenvolvimento do trabalho é a possibilidade de aplicação prática, no desenvolvimento de modelos de programação linear inteira e métodos exatos e heurísticos para as suas soluções, visando a validação prática das abordagens em um ambiente real de operação de uma empresa transportadora no Brasil.