Mécanique Modélisation du comportement dynamique du couple ...

IntroductionConcernant la mesure de l’état de la caténaire, le pantographe est instrumenté pour mesurerles caractéristiques mécaniques de leur interaction : forces, accélérations et déplacements.Autrement dit, il s’agit de trouver les défauts dans la caténaire via l’étude du comportementdynamique du couple pantographe-caténaire. Au regard de la longueur totale d’une ligne(plusieurs centaines de kilomètres), la détection d’un défaut (une dizaine de centimètres àquelques mètres) à 83 m/s 1 peut paraître un peu hasardeuse. Il va sans dire qu’une trèsbonne compréhension des phénomènes physiques mis en jeu est indispensable.Pourtant, bien que simple en apparence, le couplage de la caténaire et d’un pantographe mobile,possédant son propre comportement dynamique, implique des phénomènes complexes.Les conditions de fonctionnement du système sont en fait assez mal connues, ce qui expliquepourquoi cette interface constitue aujourd’hui l’un des principaux verrous technologiques àla « très très grande vitesse ».Lorsque la vitesse du pantographe avoisine la vitesse de propagation des ondes dans la caténaire,une instabilité se produit, ce qui conduit à une perte de contact et une rupture ducaptage. A des vitesses plus faibles, des comportements complexes et difficilement maîtrisablesapparaissent également lors de circulations avec plusieurs pantographes simultanémenten contact. Dans le cas de deux pantographes levés, le premier engendre des vibrations dansla caténaire qui sont transmises au suivant, lequel est alors fortement perturbé (arcs électriquesdus aux pertes de contact, pics d’effort, etc.).Les ondes qui sont générées par ce contact mobile se propagent dans toute la structure câbléeet se combinent pour donner des déplacements très complexes. Autrement dit, il est trèsdifficile de connaître la participation de chaque phénomène indépendamment. La simulationest donc un outil d’analyse incontournable pour étudier ce système qui sollicite simultanémentplusieurs phénomènes physiques relativement complexes (contact glissant unilatéral,propagations d’ondes, etc.).Pour ces raisons, la Direction de l’Infrastructure de la SNCF a confié à la Direction del’Innovation et de la Recherche la maîtrise d’œuvre d’un projet consistant à caractériserce système. Pour ce faire, il a été décidé de mener les études sur deux fronts : le premierconsiste à développer un outil de simulation de l’interaction pantographe-caténaire flexible,permettant de modéliser toutes les géométries de caténaires, saines ou avec défauts, et donnantune très bonne corrélation calculs-mesures. Le deuxième consiste à analyser les mesuresen lignes effectuées en présence de défauts pour mettre au point des méthodes de détectionautomatiques, robustes et fiables. Évidemment, ces deux aspects sont intimement liés : lasimulation nécessite des mesures pour être validée et la recherche de défauts suppose une1 83 m/s ≈ 300 km/h2