30538

ارائه مدل تحليلي و عددي جديد براي سفتي تماس با در نظر گرفتن اثر آسپريتي ها در تماس چرخ و ريل در قطارهاي پر سرعت

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي راه‌آهن- ماشين‌هاي ريلي

1397

1402/11/29

پريسا حسيني تهراني

داوود يونسيان

مهندسي راه‌آهن

تماس چرخ و ريل در حيطه مهندسي راه آهن از مقوله هاي حائز اهميت مي باشد بخصوص در شرايط قطارهاي سريع السير كه مدت زمان تماس كوتاه بوده و تغييرات مهمي در نرخ كرنش رخ مي دهد. به دليل تفاوت در مواد تشكيل دهنده چرخ و ريل و اختلاف در وضعيت ناهمواري سطوح آنها، مشخصه هاي تماس ميتواند دستخوش تغييرات بسياري گردد. هدف اين رساله يافتن مدل جديد و دقيق جهت تخمين اثرات متقابل زبري و نيروها و سفتي ناحيه تماس بر هم در تماس چرخ و ريل با در نظر گرفتن اسپريتي ها (Asperities) يا همان برآمدگي هاي سطوح زبر در سايز ميكرو مي باشد. در مدلي كه ارائه شده است تماس اسپريتي ها به صورت عرضي و بي بعد براي كلي ترين حالت در نظر گرفته مي شود. اثر زواياي تماس به صورت يك تابع توزيع هارمونيك كه با توزيع اسپريتي ها بر روي سطح و شكل تماس هم خواني دارد، در نظر گرفته شده است. به علاوه در مدل جديد ناحيه تماس چسبنده - لغزنده (Stick-Slip) در ناحيه الاستيك-پلاستيك و همچنين اثرات تغيير فرم پلاستيك براي تخمين نزديك تر به نتايج واقعي، مد نظر قرار گرفته شده است. نتايج حاصله از اين مدل مي تواند با توجه به سطح تماس كوچك و فشار بالا در اسپريتي ها منجر به تغيير فرم پلاستيك گردد كه در تماس چرخ و ريل ميتواند مسايل متعددي را سبب شودكه حائز اهميت است. در ادامه مدل جديد تحليلي تعميم يافته با اثرات سخت شوندگي كرنشي مورد بررسي قرار گرفته شده است. از آنجا كه در تماس چرخ و ريل و به علت فشار زياد ناحيه تماس در سطوح زبر تغيير شكل هاي پلاستيك در آسپريتي ها قابل تصور است و در حركت چرخ و بخصوص در قطارهاي سريع السير مداوم بارگذاري و پس از تماس باربرداري رخ خواهد داد لذا اثرات سخت شوندگي كرنشي تاثير قابل توجهي در نتايج تماس خواهد داشت. مجدد براي نتايج به دست آمده رابطه بين نيرو و سفتي تماس نيز بررسي شده و با نتايج مدل تحليلي و ساير تحقيقات مقايسه گرديده است. خروجي نتايج فوق تخميني قابل قبول را براي سفتي ناحيه تماس ارائه مي دهد كه با توجه به غير خطي بودن اين پارامتر به جهت محاسبات فركانسي و شبيه سازي تماس استفاده شده است. در ادامه با توجه به پيچيدگي روابط انتگرالي در مدلهاي تحليلي قبلي و با استفاده از خروجي نتايج قابل قبول آنها، يك رابطه مستقيم و ساده سازي شده جديد جهت سفتي غير خطي تماس بر حسب نيروي تماس با استفاده از روش انطباق منحني مدلهاي تحليلي استخراج گرديده و نتايج آنها با ساير مدلها و كارهاي تجربي تاييد شده و مورد تحليل قرار مي گيرد. همچنين فركانس تشديد ناحيه تماس نيز مورد ارزيابي و تحليل قرار گرفته و نتايج اين فركانس نيز بر حسب نيروي تماس استخراج مي شود كه جهت بررسي رفتار ارتعاشي سيستم حائز اهميت است. نهايتا در ادامه بررسي رفتار ديناميكي سيستم تماس، فركانس ميرا شونده تماس سطوح زبر بررسي شده و فرمول تحليلي مربوطه استخراج گرديده است. رابطه ضريب ميرا شونده سيستم تماس در معادله ارتعاشي حركت با پارامتر سرعت تماس يا همان نرخ كرنش مرتبط است و لذا نتايج حاصله اثرات تغيير نرخ كرنش بالا در قطارهاي سريع السير نيز مورد بررسي قرار گرفته است.

1402/12/12

Presentation of a new analytical and numerical model for contact stiffness considering asperities effects counting wheel-rail contact in high-speed trains

1/1/1900 12:00:00 AM

Wheel rail contact in railway engineering is an important topic specially in high-speed trains while the contact period time is short and there will be important changes in strain rate. Because of differences in wheel and rail constructed materials different surface roughness is provided and contact properties could be changed widely. The aim of this thesis is to find a new and accurate model to estimate the rough surface contact stiffness and other contact properties such as contact force and contact area by considering the surface roughness effects including asperities and other effective parameters. In this new model the surface asperities contact in a general form called shoulder to shoulder which is closest situation to real contact problem in rough surfaces. The contact angles effects are considered as a harmonic distribution function. This model is also included the slip-stick are in elastic-plastic deformation zone and plastic deformation effects which are more compatible with the real contact problem. In results of small contact area versus enormous contact force the sever plastic deformations occurred in contacting asperities and lead to important changes in contact properties. The strain hardening effect is also considered in the new model of this research. Since in high-speed trains loading and unloading process is continuously occurred so the strain hardening effects are important to contact model. The contact stiffness and contact force are obtained in this model and the results would be compared to other analytical existing models. The contact stiffness in this model is non-linear so it could be an appropriate estimation for frequency and dynamic simulation problems. An explicit direct formulation between nonlinear contact stiffness and contact force is the next goal of this thesis. This new direct formulation is obtained by using a curve fitting method and comparing the results with the previous analytical-numerical model which is considered strain hardening effects. The final results of new direct model could be compared and verified with the results of similar experimental and analytical models too. The contact resonance frequency of wheel-rail contact system and in the following the contact damping frequency would be extracted. The damping coefficient in dynamic equation of wheel rail contact system in high-speed train is related to strain rate or the coefficient of velocity in vibration equation. So, the results of contact damping frequency could be obtained and analyzed for express train wheel-rail contact.

تماس آسپريتي , تغيير فرم پلاستيك , سفتي تماس , سخت شوندگي كرنشي , نرخ كرنش , فركانس تشديد و ميرا شونده

Contact of asperity , plastic deformation , Contact stiffness , strain hardening , strain rate , Resonance and damping frequency

Mohammad Amini Sarabi

Dr. Parisa Hosseini