33408

تحليل ترمومكانيكي جوانه‌زني ترك در مسيرهاي منحني ريلي در ناحيه تماس چرخ و ريل

دكتري

مهندسي راه آهن

1395

1404/01/16

خانم پريسا حسيني تهراني

استاد مشاور ندارم

راه آهن

بررسي تماس چرخ و ريل در حالت ديناميكي يكي از مسائل مهم و ضروري جهت تحليل عمر جوانه‌زني ترك خستگي به‌ويژه در قوس‌ها است. در قوس‌ها به دليل وجود كنت و زاويه حمله نيروهاي ايجاد شده در ناحيه تماس چرخ و ريل نسبت به ريل مستقيم پيچيده‌تر است، لذا تعيين موقعيت و فشار ناحيه تماس از نظر جوانه‌زني ترك حائز اهميت است. در اين رساله با شبيه‌سازي سه‌بعدي المان محدود الاستوپلاستيك، تحليل مكانيكي و ترمومكانيكي تماس چرخ و ريل انجام شده است. همچنين اثر زير ساخت (پابند ، تراورس و بالاست ) در شبيه‌سازي درنظرگرفته شده است. به‌دليل حركت قطار در قوس علاوه بر نيروي عمودي به مركز هندسي چرخ، نيروها اعمالي به چرخ در سه راستا (طولي، عرضي، قائم) با استفاده از نرم‌افزار ديناميكي يو ام (UM) استخراج شده و به‌عنوان ورودي در شبيه‌سازي المان محدود در مركز چرخ اعمال شده است. حركت چرخ بر روي ريل مي‌تواند همراه با لغزش باشد و اين لغزش سبب ايجاد حرارت و افزايش دما در ناحيه تماس مي‌گردد. در اين رساله علاوه بر تحليل مكانيكي، حل ترمومكانيكي و بررسي اثرات حرارت در جوانه‌زني ترك انجام شده است. جهت تخمين عمر و راستاي جوانه‌زني ترك از روش صفحه بحراني استفاده شده است. در تمام مراحل اثر پارامترهاي مؤثر، و تأثيرگذار از جمله شعاع انحناي مسير، ميزان لغزش تماسي و موقعيت تماس چرخ و ريل بر نتايج خروجي در نظر گرفته شده است. با مقايسۀ نتايج به‌دست‌آمده از حل‌ترمومكانيكي، ميزان پارامترخستگي به طور ميانگين 30 درصد نسبت به حل مكانيكي افزايش مي‌يابد، همچنين ميزان پارامتر خستگي با كاهش شعاع مسير از حالت مستقيم به 200 متر 55 درصد افزايش مي‌يابد. درصورتي‌كه ميزان ضريب لغزش به 9.83 درصد افزايش يابد ميزان پارامتر خستگي 68 درصد افزايش پيدا مي‌كند و ميزان عمرخستگي 91 درصد كاهش مي‌يابد.

1404/02/27

Crack initiation study on curved crack under coupled thermomechanical loading using finite element simulation

4/5/2026 12:00:00 AM

This investigation employs a three-dimensional coupled thermomechanical finite element analysis to ascertain the characteristics of the initiation of cracks in railway curves. The proposed numerical simulation of wheel–rail contact aims to examine the influence of different curvature radii and slip ratios on the temperature rise, fatigue parameters, and fatigue life of crack initiation. The load history is obtained via Universal Mechanism software and utilized in the FE model. This is the inaugural investigation wherein the cyclic plastic material response, as delineated by the hardening model proposed by Chaboche and Lemaitre, and the thermomechanical coupling have been considered in the context of a curved track. Abaqus software uses numerical modeling to determine the stress fields, temperature distributions, and contact pressure during the wheel–rail interaction. To ascertain the fatigue parameter (FP) and the direction of fatigue crack initiation in the rail, the Jiang and Sehitoglu damage model is employed. The critical plane concept is used to establish the initiated crack’s direction. As the FP grows in critical conditions, the crack creation orientation moves toward the depth of the rail rather than the surface. This phenomenon may cause dangerous rail failure and should be prevented by accurately controlling the wheel–rail contact conditions. bsed on the comparison between the thermomechanical and purely mechanical analyses, the fatigue parameter increases by approximately 30% on average. Moreover, with a decrease in track radius from straight to 200 meters, the fatigue parameter rises by 55%. In the case where the slip ratio increases to 9.83%, the fatigue parameter increases by 68%, and the fatigue life decreases by 91%.

قوس، تماس چرخ و ريل، شبيه‌سازي مكانيكي و ترمومكانيكي، صفحه بحراني، جوانه‌زني ترك خستگي.

3D thermomechanical coupled FE analysis; wheel-rail contact, curves, fatigue parameter, crack initiation, critical plane.

amin nazari

Parisa Hosseini Tehrani