17877

17877

تحليل قابليت اعتماد رشد ترك در سوراخ پيچ ريل (ترك ستاره‌ اي درز ريل)

كارشناسي ارشد

خطوط راه آهن

تير 1396

دكتر سعيد محمدزاده

راه آهن

امروزه پديده خستگي و شكست‌هاي ناشي از آن در ادوات فلزي خط ‌آهن تبديل به موضوعي بحراني و ويژه گشته است. هزينه‌هاي بالاي ناشي از اين پديده و يا خطراتي كه شكستگي‌هاي ناشي از خستگي، ايمني سير و حركت را تهديد مي‌كند، از دلايل اصلي اين امر به شمار مي‌رود. از طرفي، سوانحي كه ريشه در اين پديده دارند، علاوه بر تلفات جاني و زيان مالي، تبعات منفي شديدي نيز در بر خواهند داشت. درز ريل نيز يكي از نقاط حساس و مهم خط آهن است كه امروزه بنا به دلايلي نظير كاربرد در سيستم علائم الكتريكي و مدار راه، همچنان مورد استفاده قرار مي‌گيرد. درز ريل از ضعيف‌ترين قسمت‌هاي يك خط محسوب شده و عمر سرويس‌دهي بسيار كم و متغيري دارد. ترك‌هاي سوراخ پيچ ريل، از مهم‌ترين علل شكست ريل در اين ناحيه به شمار مي‌رود. اين ترك‌ها اغلب در اطراف سوراخ انتهايي ريل و در اثر پديده خستگي جوانه زده و به سمت تاج و پاشنه ريل منشعب مي‌شوند. در صورتي كه اين ترك‌ها به موقع شناسايي نشود، احتمال شكست ناگهاني ريل حين عبور قطار بسيار زياد بوده و منجر به خروج از خط خواهد شد. علي‌ رغم اهميت اين موضوع، مطالعات بسيار كمي در رابطه با تحليل رشد اين ترك‌ها در سال‌هاي گذشته انجام شده است. به همين دليل در اين پايان‌نامه، تحليل قابليت اعتماد رشد ترك خستگي در سوراخ پيچ ريل در محل درز مد نظر قرار گرفته است. در اين پژوهش ابتدا مدل‌سازي سه بعدي درز ريل در نرم‌افزار اجزا محدود آباكوس انجام شده است. پس از صحت‌سنجي مدل و كنترل برقراري شرايط مكانيك شكست الاستيك خطي، به تحليل مكانيك شكست ترك‌ها به صورت شبه استاتيكي پرداخته شده است. در اين مرحله، ضمن بررسي روند تغييرات ضرايب شدت تنش ترك‌ها، تأثير تغييرات بار محوري، سرعت قطار و سختي تكيه‌گاه ريل بر مقدار ضريب شدت تنش معادل و نسبت KI به KII نيز واكاوي شده است. همچنين به كمك رابطه پاريس و معيار حداكثر تنش مماسي، تحليل رشد خستگي ترك‌ها انجام شده و تخميني از مسير و نرخ رشد ترك‌ها به دست آمده است. در مرحله بعد، با استفاده از روش سطح پاسخ در طراحي آزمايش‌ها، مدل مرتبه دوم براي ضريب شدت تنش معادل ترك، بر حسب چهار پارامتر بار محوري، سرعت قطار، سختي تكيه‌گاه ريل و طول ترك ارائه شده است. در پايان، به كمك رابطه به دست آمده، تحليل قابليت اعتماد رشد ترك به روش شبيه‌سازي مونت كارلو براي 100000 حالت خط، قطار و ترافيك انجام شده است. در اين تحليل پارامترهاي سختي تكيه‌گاه ريل، چقرمگي شكست، طول اوليه ترك، بار محوري، سرعت قطار، تعداد واگن در هر قطار و تعداد قطار عبوري روزانه به عنوان متغير تصادفي در نظر گرفته شده و تابع حالت حدي بر اساس تعداد سيكل بارگذاري (تعداد چرخ‌هاي عبور كرده) تعريف شده است. بر اساس نتايج به دست آمده، پس از گذشت حدود 14 ماه از جوانه‌زني ترك‌ها، شاخص قابليت اعتماد از 7/5 به صفر مي‌رسد كه نشان از سرعت زياد رشد اين ترك‌‌ها داشته و بهره‌بردار را متوجه ريسك بالاي اين خرابي مي‌نمايد. ضمناً شاخص قابليت اعتماد، حساسيت بيشتري به تغييرات سرعت قطار و بار محوري نشان مي‌دهد.

1396/07/15

10/22/2018 12:00:00 AM

Fatigue and fracture of railway track components has become a critical problem recently which has caused high costs of maintenance and has consequently threatened the safety of mobility. On the other hand, in addition to casualties and financial loss, this phenomenon could lead to serious consequences. Bolted rail joints are one of the sensitive components of railway tracks which are used in signaling and broken rail identification systems. Rail joints are the most vulnerable spots in the track structure on which many hours are spent for their maintenance. A common mode of failure in bolted rail joints is fatigue crack initiation and growth in the bolt holes at the end of the rail. Fatigue failure around rail-end bolt holes is particularly dangerous since it leads to derailment of trains and consequently causes inevitable accidents. However, crack growth has not been investigated in detail by researchers therefore in this thesis reliability analysis of the rail-end bolt hole crack growth is focused on. Firstly, in this research a 3D finite element model of rail joint has been provided using commercially available software Abaqus/CAE. In this study, FE models are analyzed quasi-statically. After the verification of the model and checking the LEFM conditions, fracture mechanics analysis of cracks were carried out. At this stage, considering the stress intensity factor of cracks, the effects of variation of axle load, train speed and the rail support stiffness on the equivalent stress intensity factor were determined along with the ratio of KI to KII. In addition, step by step fatigue crack growth analysis has been conducted based on Paris law and Maximum Tangential Stress (MTS) criterion. As a result, an estimation of crack paths and cracks growth rate were obtained. In the next step, the quadratic model for equivalent stress intensity factor was described with the use of Response Surface Methodology (RSM) in terms of axle load, train speed, the rail support stiffness and crack length. In the end, the Monte Carlo Simulation (MCS) method was used for reliability analysis of rail-end bolt hole crack growth. The RSM model was used instead of FE model analysis in Monte Carlo simulations. In this analysis, limit-state function has been defined in term of loading cycles and the following parameters were considered as random variables: “the rail support stiffness”, “fracture toughness”, “cracks initial length”, “axle load”, “train speed”, “number of car body” and “number of trains passing per day”. Based on the results, 14 months after the cracks initiation, reliability index decreases rapidly from 5.7 to 0.0 due to the high rate of crack growth. Consequently, the risk of this deterioration should be considered. In addition, reliability index is more sensitive to train speed and axle load.