25317

بهينه سازي تنش‌هاي پسماند ناشي از جوشكاري سر به سر جرقه‌اي ريل UIC60 خطوط راه آهن با هدف افزايش عمر خستگي

دكتري

مهندسي راه آهن-مهندسي ماشينهاي ريلي

1393

1400/04/13

دكتر پريسا حسيني تهراني

راه آهن

جوشكاري سر به سرجرقه اي يكي از انواع جوشكاري به منظور ايجاد خطوط راه آهن جوشكاري شده پيوسته است كه شامل گرمايش الكتريكي و فورج هيدروليكي مي‌باشد. براي شبيه سازي دقيق اين فرآيند جوشكاري يك مدل اجزاء محدود كوپل شده حرارتي- متالورژيكي-مكانيكي در آباكوس با درنظرگيري تغيير فاز ماده استفاده مي‌شود. در اين تحقيق همچنين، مطالعات تجربي، از جمله روش ترموگرافي، متالوگرافي و سختي سنجي براي تعيين مشخصات ريل UIC60 جوش داده شده انجام مي‌شود. با مطالعه شكست اين جوش‌ها مشخص شد محل شروع ترك و شكست ريل در محل جان و در ناحيه تحت تأثير گرما مطابق با همان مكاني است كه حداكثر تنش پسماند كششي با شبيه سازي عددي محاسبه مي‌شود. مدل ارائه شده قادر به پيش بيني محل‌هاي بحراني ناحيه تحت تأثير گرما از لحاظ تنش پسماند كششي به منظور جلوگيري از جوانه زني، رشد ترك و شكست مي‌باشد. بر اساس نتايج عددي و تجربي به دليل تنش پسماند كششي زياد و مقدار سختي كم در قسمت جان منطقه مركزي ناحيه تحت تأثير گرما احتمال شروع ترك در اين منطقه بسيار بالا مي‌باشد. در اين كار به منظور ايجاد فرآيند جوشكاري ريل مطلوب و كاهش احتمال شكست و خرابي در جوش، مؤثرترين پارامترها حين و پس از فرآيند جوشكاري ، با استفاده از كوپل الگوريتم رقابت استعماري و پايتون بهينه سازي مي‌شوند تا تنش‌هاي پسماند كششي بحراني در جوش كاهش و نهايتاً عمر جوانه زني ترك افزايش يابد. نرخ سرد شدن بهينه نسبت به نرخ سرد شدن معمولي، اثر كاهشي حداقل حدود 63 و 38 درصدي به ترتيب بر تنش پسماند كششي عمودي و طولي (بر حسب فاصله از خط جوش) در جان ريل جوشكاري شده و حداقل حدود 7 و 24 درصدي به ترتيب بر تنش پسماند كششي جانبي و طولي در سطح پاييني پاشنه ريل جوشكاري شده دارد. لازم به ذكر است با بهينه سازي انجام شده افزايش حدود 87 درصدي عمر جوانه زني ترك در محل بيشينه تنش پسماند در جان ريل جوشكاري شده مشاهده مي‌شود.

1400/07/11

Optimization of the residual stresses to flash butt welding of UIC60 railway rail to increase fatigue life

7/4/2022 12:00:00 AM

Continuously welded rails are widely used in the Iran railway network, which are generally built using the flash butt welding process. To accurately model the flash butt welding process, thermal analysis, and prediction of the welding residual stresses, the influence of upsetting force on the total electrical resistance and a material model with consideration of the influence of temperature on the material properties are included in the numerical modeling. Also, to accurately predict critical locations of tensile residual stress, the influence of phase transformation is considered in the simulation. Numerical and experimental studies, including the finite element method, thermography, metallography, and hardness testing are performed to determine the characteristics of the welded UIC60 rail. By studying the fractured flash butt welded UIC60 rails, it is shown that the location of the crack initiation and the rail failure in the web and heat affected zone of the welded rails was similar as compared to the maximum tensile residual stress calculated by numerical simulation. Using the fractured flash butt welded joints and outcomes of investigations, it is concluded an inadequate hardness of the web and residual stress in tensile form increase the possibility of crack initiation. To reduce the possibility of failure in the welded rail, the most effective parameters of the flash butt welding during and after the process are optimized to decrease critical tensile residual stresses and increase life of crack initiation in the weldment. To this end, a coupled procedure by considering the imperialist competitive algorithm (ICA) as optimization method in Matlab and process modeling in the Python code of Abaqus software is performed. In this procedure, time duration and heat input at each step and upsetting force are considered as welding machine parameters, and the cooling rate is assumed as post welding factor. Using the effectiveness of the ICA method, in nonlinear and huge multi parameters and steps problems, the optimum values of considered factors in terms of reducing the tensile residual stress and increasing the crack initiation life in butt joint are obtained. Comparing typical and optimized cooling rate indicates that the vertical and longitudinal tensile residual stress in the web of the weld joint (versus the distance from weld line) decrease at least about 63 and 38 percent, respectively. Also, comparing typical and optimized cooling rate indicates that the lateral and longitudinal residual stress on the bottom surface of the foot of the weldment (versus the distance from weld line) decrease at least 7 and 24 percent, respectively. A combination of optimized welding machine parameters and cooling rates increases crack initiation life in the web by about 87%.

جوش سر به سر جرقه اي , اجزاء محدود , تغييز فاز ماده , تنش پسماند , جوانه زني ترك , بهينه سازي

Flash butt welding , Finite element , Phase transformation , Residual stress , Crack initiation , Optimization