Membres du jury :

• M. Mohamed ICHCHOU, Professeur Ecole Centrale de Lyon, LTDS - Direction de thèse
• M. Noureddine BOUHADDI, Professeur FEMTO-ST - Rapporteur
• Mme Leila KHALIJ, Maîtresse de conférences HDR INSA Rouen Normandie - Rapporteur
• M. Olivier BAREILLE, Professeur INSA Rouen Normandie - Co-Direction de thèse
• M. Michel MARTIN, Ingénieur DISPEN, Alstom Transport Ltd - Co-encadrant de thèse
• M. Imad TAWFIQ, Professeur ISAE-SUPMECA - Examinateur

Résumé de la thèse :

Cette thèse porte sur la modélisation paramétrique et la validation expérimentale des amortisseurs hydrauliques à double tube utilisés dans les applications ferroviaires. Ces amortisseurs sont essentiels pour atténuer les instabilités dynamiques des trains, et leur performance repose sur l’obtention de caractéristiques force–vitesse précises. Les amortisseurs du DISPEN sont constitues de clapets, de ressorts et d’orifices, situés au niveau de l’unité de piston et de l’embase. Actuellement, la calibration des amortisseurs repose sur une approche longue, iterative et coûteux par essais et erreurs, visant à ajuster jusqu’à douze paramètres pour un amortisseur conventionnel, tels que les diamètres de clapet, les diamètres des orifices, la raideur de ressort et les précharges. Pour y remédier, un modèle de simulation haute fidélité a été développé afin de prédire le comportement de l’amortisseur et d’assister le processus de tarage. Le modèle compute l’évolution de la pression en résolvant les équations différentielles ordinaires raides dans les trois chambres de l’amortisseur: détente, compression et réservoir. En tenant compte des variations de volume des chambres, de la compressibilité de l’huile et des débits à travers les clapets et les orifices. La force de pression exercée sur les surfaces supérieure et inférieure des flasques de clapet, ainsi que la perte de quantité de mouvement du fluide, surmontent la force de précharge du ressort et provoquent le déplacement du clapet. Les nouvelles contributions incluent: la perte de charge liée aux étranglements et à l’expansion du fluide à travers le clapet; la surface intégrale du flasque de clapet; le diamètre hydraulique dynamique; l’effet de saturation de l’écoulement; du débit de reflux à travers les clapets opposés; et le coefficient dynamique de débit des ouvertures de clapet. Ces éléments ont permis d’améliorer la précision de la simulation et la corrélation avec les données expérimentales. L'analyse de sensibilité, menée à l’aide des méthodes FAST et Morris, est réalisée afin d’identifier les paramètres les plus influents sur la réponse de la force d’amortissement à différentes vitesses. Les résultats révèlent que les caractéristiques géométriques, telles que les diamètres des flasques de clapet et les précharges, dominent le comportement du système, tandis que la température de fonctionnement introduit une variabilité significative en raison de son influence sur les propriétés du fluide. Les prédictions du modèle montrent une forte liaison avec les résultats expérimentaux, permettant une utilisation fiable dans le processus de tarage pour la calibration des amortisseurs. Ce travail fournit un outil de simulation robuste pour la conception et l’optimisation des amortisseurs hydrauliques dans les systèmes ferroviaires exigeants.

Summary of the thesis:

This PhD thesis addresses the parametric modelling and experimental validation of hydraulic twin-tube dampers used in railway applications. These dampers are critical for mitigating dynamic instabilities in trains, and their performance relies on achieving precise force–velocity characteristics. The DISPEN dampers comprise of valves, springs and orifices at the piston unit and base valve unit. Currently, damper calibration involves a time-consuming trial-and-error approach to adjust up to twelve parameters for a conventional damper, such as valve port dimension, orifice diameters, spring constants, and preload forces. This process can require multiple iterations, assembling and disassembling components, which is costly and cumbersome. To address this, a high-fidelity simulation model is developed to predict damper behaviour and assist in the taring process. The model simulates pressure evolution solving the stiff ordinary differential equations in the damper's three chambers: rebound, compression and reserve chambers by accounting for chamber volume changes, oil compressibility, and flow rates through valves and orifices. The pressure force exerted at the top and bottom surfaces of the valve flanges and the momentum loss of the fluid overcome the spring preload force and cause the valve's displacement. Novel contributions include: the pressure loss of the fluid constrictions and expansion through the valve; the integral surface area of the valve flange; dynamic hydraulic diameter; flow saturation effect; and the dynamic flow coefficient of the valve ports. These have improved simulation accuracy and correlation to the experimental data. The fluid flow rate through the orifices and leakage flow through the radial gaps influence the damper forces at lower velocities, when the valves are closed. The introduction of the reflux flow rate, which occurs through the orifice of the opposite valves. And the estimation of the pressure loss from the outlet to the inlet of the valve. Thus, the model incorporates empirical parameters governing leakage and reflux flows, optimised using experimental data. A sensitivity analysis using FAST and Morris methods, is performed to identify the most influential parameters affecting damping force responses at multiple velocities. The results reveal that geometric features such as valve flange diameters and preload forces dominate the system’s behaviour, while operating temperature introduces significant variability due to its influence on fluid properties. The model’s predictions show strong agreement with experimental results, enabling reliable use in the taring process for damper calibration. This work contributes a robust simulation tool for damper design and performance predictability to meet stringent constraints and desired dynamic performance in railway systems.

Mots-clés :

Modélisation numérique,Analyse de sensibilité globale,Amortisseur Hydraulique,Equations Différentielles Ordinaires Raides,CVODE,Valve à ressort

Keywords:

Numerical Modelling,Global Sensitivity Analysis,Hydraulic Dampers,Non linear Stiff ODE,CVODE,Spring Relief Valves