تحلیل اجزاء محدود مکانیک شکست و مکانیک تماس چرخ و ریل

نویسنده

بیرجند، مهندسی

چکیده

در مقاله حاضر مسئله تماس چرخ و ریل با وجود ترک سطحی در ریل بررسی شده است. دلیل بررسی این مسئله تأثیر قابل توجه تماس چرخ و ریل بر ضرایب شدت تنش و به طور متقابل تأثیر ترک بر توزیع فشار تماسی می باشد. در این تحقیق با استفاده از روش اجزاء محدود و به کمک یک نرم افزار تجاری چرخ و ریل ترکدار تحت شرایط غلتش همراه با لغزش جزئی مدل سازی شده است. برای مدل کردن اثر متقابل بین چرخ و ریل و همچنین سطوح ترک از المان های تماسی استفاده شده است. ضرایب شدت تنش با روش عددی برونیابی جابجایی محاسبه گردیده است. تأثیر فاکتورهایی همچون زاویه استقرار ترک، طول ترک و موقعیت چرخ نسبت به ترک روی ضرایب شدت تنش و فشارهای تماسی مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج نشان داد ضریب KII دارای مقادیری بزرگتر از KI میباشد. از این رو به نظر میرسد در این مسئله تماس چرخ و ریل، مد برشی بر رفتار نوک ترک غالب است. تغییر شکل پیچیده لبه ترک هنگام عبور چرخ، جهت تنش برشی را در سطوح ترک تغییر میدهد و این باعث نوسان در مقادیر KII میشود. نوسان در مقادیر KII مهم‌ترین عامل رشد ترک خستگی در مسئله تماس چرخ و ریل است. هنگامی که ترک در محدوده تماس چرخ و ریل قرار میگیرد توزیع فشار تماسی حالت تکین دارد. از این رو فرضیات فشار تماسی هرتز هنگام بررسی تماس چرخ و ریل در مجاورت ترک نامعتبر به نظر میرسد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Finite element analysis of fracture mechanics and contact mechanics of wheel-rail

چکیده [English]

In this paper, wheel-rail contact problem in presence of rail surface crack is investigated. The reason for investigating this problem is significant effect of wheel-rail contact on stress intensity factors and also the effect of crack on contact pressure distribution. In this research by using finite element method and a commercial software, wheel-rail are modeled under partial slip rolling condition. Contact elements are used to model the interactions between the wheel-rail contact surfaces and the crack surfaces. Stress intensity factors are calculated through a numerical displacement extrapolation method. The effects of crack orientation, crack length and contact on the stress intensity factors and contact pressure are studied. The results indicate that KII has greater than KI, therefore, shear mode may dominate the tip behavior in this wheel-rail contact problem. as the wheel passes over, the complicated crack edge deformation changes the direction of interfacial shear stress and this causes variation in KII. Fluctuation in KII is the main factor of fatigue crack propagation in the wheel-rail contact problem. The contact pressure is singular when the crack is located in wheel-rail contact zone. Hence, the assumptions of Hertzian contact pressure may not be valid when investigating wheel-rail contacts in the vicinity of a crack.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Surface crack
  • Wheel and rail
  • SIFs
  • Contact pressure
  • FEM