33250

مدل سازي تماس چرخ و ريل با استفاده از روش چند مقياسي ماكرو - نانو اصطكاك

دكتري تخصصي

مهندسي راه آهن

1396

16/10/1403

دكتر جبارعلي ذاكري سردرودي

دكتر اميررضا خويي

راه آهن

پديده اصطكاك و روانكاري نقش حياتي در عملكرد سيستم‌هاي مكانيكي ايفا مي‌كند و درك عميق آن‌ها براي افزايش عمر مفيد و كاهش خرابي اجزاي مكانيكي ضروري است. در اين پايان‌نامه، چارچوبي چندمقياسي براي تحليل رفتار اصطكاك و روانكاري در تماس چرخ و ريل با استفاده از روش‌هاي ديناميك مولكولي و المان محدود ارائه شده است. اين پژوهش با هدف بررسي تأثير زبري سطح، نوع روان‌كننده و شرايط محيطي بر نيروي اصطكاك و تنش‌هاي تماسي در مقياس‌هاي نانو و ماكرو انجام شده است. در بخش اول، با استفاده از شبيه‌سازي ديناميك مولكولي، تأثير طول زنجيره آلكان‌ها، دما و حضور نانوذرات بر رفتار روانكاري در رژيم‌هاي مختلف (مرزي، مختلط و الاستوهيدروديناميك) تحليل شده است. نتايج نشان داد كه افزايش طول زنجيره و دما منجر به كاهش نيروي اصطكاك و افزايش ضخامت فيلم روان‌كننده مي‌شود، در حالي كه نانوذرات نيروي اصطكاك را به دليل تماس مستقيم با سطوح افزايش مي‌دهند. همچنين مشخص شد كه زبري در مقياس نانو تأثير چشمگيري بر نيروي اصطكاك دارد كه در مقياس ميكرو قابل مشاهده نيست. در بخش دوم، داده‌هاي نانومقياس به مدل‌سازي ماكروسكوپي با روش المان محدود انتقال داده شد تا تأثير شرايط مختلف روانكاري بر تنش‌هاي برشي، محل جوانه‌زني ترك‌هاي خستگي و عمر مفيد ريل بررسي شود. نتايج نشان داد كه روانكاري روغني تنش‌هاي تماسي را كاهش داده و عمر خستگي ريل را افزايش مي‌دهد، اما محل ترك‌ها به عمق بيشتري منتقل مي‌شود. اين پژوهش نه تنها به درك عميق‌تر از رفتار اصطكاك و روانكاري در مقياس‌هاي نانو و ماكرو كمك مي‌كند، بلكه چارچوبي جديد براي پيش‌بيني و بهينه‌سازي عملكرد تماس چرخ و ريل ارائه مي‌دهد. اين رويكرد مي‌تواند به بهبود طراحي سيستم‌هاي مكانيكي و كاهش هزينه‌هاي نگهداري و تعميرات كمك كند.

1404/01/17

WHEEL/RAIL CONTACT MODELING USING MACRO-NANO MULTISCALE METHOD FOR FRICTION

1/1/1900 12:00:00 AM

Friction and lubrication phenomena play a vital role in the performance of mechanical systems, and a deep understanding of these phenomena is essential for extending service life and reducing mechanical component failures. In this thesis, a multi-scale framework is presented for analyzing friction and lubrication behavior in wheel-rail contact using molecular dynamics and finite element methods. The research aims to investigate the effects of surface roughness, lubricant type, and environmental conditions on frictional force and contact stresses at both the nano and macro scales. In the first part, molecular dynamics simulations are employed to analyze the influence of alkane chain length, temperature, and the presence of nanoparticles on lubrication behavior in different regimes (boundary, mixed, and elastohydrodynamic). The results show that increasing chain length and temperature leads to reduced frictional force and an increased lubricant film thickness, while nanoparticles increase frictional force due to their direct contact with the surfaces. It was also shown that nano-scale roughness has a significant effect on frictional force, an effect not observed at the micro scale. In the second part, the nano-scale data were transferred to a macroscopic model using the finite element method to examine the impact of various lubrication conditions on shear stresses, the initiation location of fatigue cracks, and rail service life. The findings indicate that oil lubrication reduces contact stress and increases the rail’s fatigue life, yet shifts the crack initiation location to a greater depth. This research not only enhances understanding of friction and lubrication behavior at the nano and macro scales but also offers a new framework for predicting and optimizing wheel-rail contact performance. This approach can help improve the design of mechanical systems and reduce maintenance and repair costs.

اصطكاك , نانو روانكاري , شبيه سازي چندمقياسي , تماس چرخ و ريل , زبري سطح

Friction , nano-lubrication , multiscale simulation , wheel-rail contact , surface roughness

Mohsen Motezaker

Jabbar Ali Zakeri