20047

۲۰۰۴۷

تحليل اثرات ديناميكي بريدگي بر عمر جوانه زني ترك در چرخ قطار

دكتري

ماشين هاي ريلي

1392

۱۳۹۷/۰۹/۲۱

دكتر پريسا حسيني تهراني - دكتر داود يونسيان

راه آهن

اين رساله به بررسي عمر جوانه زني ترك در اطراف صاف شدگي چرخ در هنگام سير قطار با توجه به استحاله فازي ايجاد شده در آن ناحيه و تنشهاي پسماند به وجود آمده در آن مي پردازد. پيش نياز حل اين مساله، حل چندين مسأله بنيادي تر مي باشد كه هريك در بخشهاي گوناگون مورد بحث قرار مي گيرد. تحول زماني دماي سطوح تماس در حين لغزش چرخ بر روي ريل و دوران پس از آن پيش نياز تعيين استحاله هاي فازي ايجاد شده در اطراف صاف شدگي مي باشد كه باعث ايجاد تنشهاي پس ماند در اين ناحيه مي باشد. تحليل تنش ديناميكي چرخ صاف شده با توجه به اين تنشهاي پسماند در هنگام تحمل ضربه ناشي از عبور چرخ از روي صاف شدگي، تاريخچه زماني تنش و كرنش را براي محاسبه عمر جوانه زني ترك در اين ناحيه فراهم مي آورد. در اين رساله يك مدل اجزاي محدود سه بعدي از تماس چرخ و ريل با فرض ماده الاستوپلاستيك براي بررسي اثرات ديناميكي ناشي از ضربه حين عبور از روي صاف شدگي چرخ توسعه داده مي شود. مدل با سه روش اعتبار سنجي مي گردد. تنش فون-ميسز بيشينه، در عمق ۲ تا ۳ ميليمتري از سطح تماسي در سطح مقطع شعاعي گذرنده از لبه هاي جلويي صاف شدگي اتفاق مي افتد. تنشهاي فون-ميسز در حضور اجزاي ارتعاشي افزايش نشان مي دهند كه اين امر لزوم در نظر گرفتن در مدلسازي به منظور تعيين عمر خستگي را نشان مي دهد. به دليل پيچيدگي حل مسأله حرارت لغزش چرخ قطار بر روي ريل و غير خطي شدن معادلات در صورت وابستگي پارامترهاي حرارتي ماده به دما، استفاده از روش اجزاي محدود كه يك روش عددي حل معادلات مي باشد منطقي به نظر مي رسد. در اين رساله به منظور حل اين مسأله يك استراتژي حل عددي ارائه مي گردد كه با استفاده از كد نويسي در نرم افزار ANSYS عملي مي گردد. اثر هدايت حرارتي تماسي (TCC) در انتقال حرارت در سطح تماس در نظر گرفته مي شود. تاريخچه زماني دما در نقاط گوناگون چرخ و ريل ارائه مي گردد. ضريب تقسيم حرارت به عنوان يك پارامتر مهم در اين نوع تحليل مورد بررسي قرار مي گيرد. در اين رساله با استفاده از روش حل تحليلي معادلات ديفرانسيل گذرا، معادلاتي براي تحول زماني دما در سطوح لغزش چرخ و ريل ارائه مي گردد. اين معادلات را مي توان به عنوان شرايط مرزي گذرا در سطوح چرخ و ريل در دو مساله جداگانه مورد استفاده قرار داد. با توجه به مرور ادبيات انجام شده، معادلات ارائه شده در اين رساله دقيقترين معادلات موجود براي حل مسأله حرارتي لغزش چرخ روي ريل مي باشد و مي تواند مرجع مناسبي براي كارهاي آتي باشند. دما روي سطوح تماس چرخ و ريل در خلاف جهت لغزش از كمترين مقدار در لبه جلويي صاف شدگي تا بيشترين مقدار در لبه عقبي آن تغيير مي كند. با توجه به تاريخچه زماني بدست آمده براي دما در هر نقطه از چرخ مي توان به كمك نمودارهاي فازي و روش شيل درصد فازي هر يك از فازهاي حاصل را به دست آورد. ايجاد فاز مارتنزيت بر روي سطح لغزش چرخ از اهميت ويژه اي برخوردار است زيرا به دليل اختلاف بين دانسيته اين فاز و فاز پرليت اوليه ماده چرخ، در ناحيه لغزش تنشهاي پسماند فشاري و در اطراف آن تنشهاي پسماند كششي ايجاد مي شود. حالت تنش به وجود آمده حين غلتش چرخ و عبور آن از روي صاف شدگي با توجه به اين تنشهاي پسماند محاسبه مي شود. مدل ماده الاستوپلاستيك مورد استفاده در اين رساله براي چرخ مدل چابوش مي باشد كه قابليت محاسبه انباشت كرنش هاي پلاستيك را دارا مي باشد. با توجه به انباشت تنش و كرنشهاي پلاستيك در هنگام غلتش چرخ، تاريخچه زماني يك سيكل تنش در دور پنجم كه حالت پايدار در آن به دست آمد معيار محاسبات عمر جوانه زني ترك قرار گرفت. به دليل حضور كرنشهاي پلاستيك، محاسبه عمر جوانه زني ترك در اطراف صاف شدگي چرخ در محدوده خستگي دور پايين (LCF) مي باشد. روش صفحه بحراني فاطمي-سوشي به عنوان يك روش بر مبناي كرنش كه در شرايط كرنش چند محوري و نامتناسب در حضور تنشهاي پسماند قابل اعمال مي باشد مورد استفاده قرار مي گيرد. نقاط بحراني جوانه زني ترك با كمترين عمر جوانه زني شناسايي مي شوند و صفحه بحراني در آنها ارائه مي گردد. در پايان پارامتر فاطمي-سوشي (FS) و عمر جوانه زني ترك در نقطه بحراني چرخ ارائه مي گردد.

1397/11/22

Analysis of Wheelflat’s Dynamic Effects on Railway Wheel’s Fatigue Crack Nucleation Life

12/12/2019 12:00:00 AM

Fatigue life estimation is a common approach to prevent disasters in industrial applications. In the railway industry, many accidents are attributed to the metal fatigue-induced derailment, such as the Hatfield rail crash in the UK. This thesis aims to investigate fatigue nucleation life around a wheelflat by considering microstructural evolution and residual stress, which are created during the sliding of a wheel on a rail. Time evolution of temperature in sliding surfaces during the skid and after that is a prerequisite which is considered and discussed. A numerical strategy using finite element method and an analytic solution for considering thermal effects are represented. The equations presented here for temperature’s time evolution of wheel and rail during sliding are more accurate than existing equations. The phase content of the martensite phase is calculated using the evolution of temperature at each point of the wheel, IT diagram, and Scheil’s method. The distribution of the martensite phase obtained around the wheelflat agrees with available field test results in the literature. Residual stress distribution around a wheelflat is calculated considering the difference between the lattice size of the martensite phase and the initial pearlite phase. Impact loading due to wheel flat during rotation of the wheel over wheelflat imposes additional stress on it. A finite element model considering the initial residual stress around the wheel flat using a Chaboche’s plasticity model gives the history of stress and strain at each point around the wheelflat. Due to the accumulation of plastic strain, the analysis is repeated for several passages of the wheel on the rail, and the steady-state condition is obtained at the fifth passage. The fatigue nucleation life of the flat wheel using the time history of stress and strain at each point around wheel flat is calculated using the Fatemi-Socie critical plane method. The most critical point for the initiation of a fatigue crack is found around the leading edge of the wheel flat where the impact load is presented.