UM RCF

 UM Rolling Contact Fatigue


Модуль UM Rolling Contact Fatigue разработан для моделирования накопления контактно-усталостных повреждений в колёсах подвижного состава железных дорог.

Модуль может быть использован для выполнения сравнительных многовариантных расчётов, например, для решения задачи оптимизации профиля поверхности катания колеса по критерию контактной усталости.

Дополнительно: um_rcf.zip - презентация "Моделирование накопления контактно-усталостных повреждений в колёсах железнодорожного подвижного состава в ПК "Универсальный механизм", презентация PowerPoint в zip-архиве, рус. яз., 64 Мб.

 

UM Rolling Contact Fatigue позволяет:


Возможности модуля UM Rolling Contact Fatigue. Щелкните для просмотра ролика.• определять скорость накопления контактно-усталостных повреждений в колёсах с различными профилями поверхностей катания с использованием данных, полученных в результате моделирования динамики движения железнодорожного экипажа с помощью модуля UM Loco;
• учитывать влияние износа профиля колеса на скорость накопления контактно-усталостных повреждений (модуль UM WheelRail Wear);
• с помощью графического интерфейса представлять процессы моделирования напряжений и накопления повреждений в материале колеса в режимах отображения изолиний и заливки цветом.

 

Критерий усталостной прочности

 
Критерий усталостной прочности. Щелкните для просмотра копии экрана.Для расчёта контактно-усталостной прочности в модуле используются эквивалентные напряжения, базирующиеся на критерии Данг Вана [1], учитывающие амплитудные значения максимальных касательных напряжений и влияние гидростатического давления.
Вычисляемые эквивалентные напряжения сопоставляются с повреждающими в соответствии с кривой контактной усталости колёсной стали, полученной по результатам экспериментов и устанавливающей зависимость числа циклов до разрушения от уровня эквивалентных напряжений [2, 3].
Накопленные усталостные повреждения в точке колеса определяются с использованием кривой контактной усталости суммированием повреждений.

 

Модель колеса


Модель колеса. Щелкните для просмотра ролика.В модуле используется конечноэлементная модель фрагмента колеса, на грани которой наложены упругие связи [4]. Такая модель позволяет определять напряжения в подконтактном слое колеса с минимальными затратами машинного времени и достаточной точностью. Также в узлах конечноэлементной схемы удобно накапливать контактно-усталостные повреждения.

 

 

 

 

Решение контактной задачи

 

Решение контактной задачи (часть 1, 1,2 Мб). Щелкните для просмотра ролика.

Накапливаемые усталостные повреждения приписываются одному радиальному сечению колеса, которое контактирует с рельсом один раз за один оборот. Таким образом число решений контактных задач равно числу оборотов колеса на заданном пробеге.

Для определения сил в контакте на каждом шаге по пробегу берутся результаты моделирования динамики движения железнодорожного экипажа с помощью модуля UM Loco: значение нормальной силы N; положение точек начального контакта; угол поворота φ колеса относительно рельса вокруг продольной оси пути; значения продольного и поперечного крипов и спина.

Определение нормальных и касательных сил в контакте качения выполняется с помощью быстрых алгоритмов.

Реализованный в модуле быстрый алгоритм решения нормальной контактной задачи не использует численное интегрирование, что значительно ускоряет решение. Алгоритм позволяет учитывать как многоточечный, так и конформный контакты. Определение касательных сил выполняется с помощью алгоритма FASTSIM.

Полученные силы прикладываются в узлах контактной поверхности конечноэлементной сетки колеса, и в результате решения задачи МКЭ определяются эквивалентные напряжения в узлах схемы, которые затем сопоставляются с повреждающими [5].

Решение контактной задачи (часть 2, 1 Мб). Щелкните для просмотра ролика.

 

 Допущения:

 
• материалы контактирующих тел являются однородными, изотропными и деформируются упруго;
• уровень температур, возникающих в колесе, не оказывает существенного влияния на напряжённо-деформированное состояние и физико-механические характеристики его материала.

 

Пример сравнительного расчёта


Пример сравнительного расчета. Щелкните для просмотра ролика.Приведен пример расчёта скорости накопления контактно-усталостных повреждений в колёсах с разными профилями поверхности катания.

Для анимационного представления результатов расчёта использованы режимы отображения изолиний и заливки цветом. Слева расположена цветовая шкала, позволяющая сопоставить уровень накопленных повреждений и соответствующий ему цвет.


Список литературы

 
1. Ekberg, A. Rolling contact fatigue of railway wheels – computer modeling and in-field data / A. Ekberg // Proceedings of 2nd mini conf. Contact mechanics and wear of rail/wheel systems. – 1996. – P. 154-163.

2. Школьник, Л.М. Повышение стойкости вагонных колёс в эксплуатации карбонитридным упрочнением стали / Л.М. Школьник, Д.П. Марков, Ю.С. Пройдак и др. // Вестник ВНИИЖТ. – 1994. – №6. – С. 40-44.

3. Сакало, А.В. Контактно-усталостная прочность колёсной стали / А.В. Сакало // Вестник БГТУ. – Брянск: БГТУ, 2011. – №2. – С. 35-41.

4. Сакало, А.В. Метод моделирования контактных напряжений с использованием конечно-элементных фрагментов на упругом основании / А.В. Сакало // Вестник ВГТУ. – Воронеж: ВГТУ, 2009. – №9. – С. 71-76.

5. Сакало, А.В. Совершенствование профиля поверхности катания колеса вагона на основе критерия контактной усталости: дис.… канд. техн. наук / А.В. Сакало. – Москва: МГУПС (МИИТ), 2011. –142 с.