UM RCF Wheel

UM RCF Wheel

UM Rollkontaktermüdung des Rades


Das UM Rolling Contact Fatigue of Wheel Modul simuliert die Akkumulation von Schäden durch Kontaktermüdung in Rädern von Schienenfahrzeugen zu simulieren.

Das Modul kann für die Durchführung von Vergleichsanalysen mit Hilfe von multivariaten Berechnungsmethoden genutzt werden, z.B. zur Lösung des Problems der Optimierung eines Radoberflächenprofils nach dem Kriterium der Kontaktermüdung.

 

Features des UM Rollkontaktermüdung des Rades


UM Rolling Contact Fatigue. Click to play animation.UM RCF Rad Modul ermöglicht:

  • die Rate der Akkumulation von Kontakt Ermüdungsschäden in Rädern mit unterschiedlichen Laufflächenprofilen anhand von Daten zu bestimmen, die durch die Simulation der Dynamik der Eisenbahnwagenbewegung mit dem Modul UM Loco gewonnen wurden; 
  • vier Kontakt-Ermüdungsbruchkriterien zu verwenden, um die Schadensakkumulation zu simulieren; 
  • mit Hilfe des UM Loco/Wheel Profile Wear Evolution lässt sich der Einfluss des Radprofilverschleißes auf die Rate der Schadensakkumulation durch Rollkontatermüdungen zu berücksichtigen; 
  • den Einfluss der Radstahlhärte auf die Geschwindigkeit der Schadensakkumulation durch Rollkontaktermüdungen zu berücksichtigen; 
  • den Einfluss von Restspannungen auf die Geschwindigkeit der Akkumulation von Rollkontakt Ermüdungs-schäden zu berücksichtigen; 
  • mit Hilfe einer grafischen Oberfläche können die Prozesse der Modellierung der Belastung und der Schadensakkumulation im Rad durch Isolinien und Kolorierung grafisch dargestellt werden.

 

 Kontakt-Ermüdungs-Ausfallkriterien

 
RCF curve of wheel steel. Click to view enlarged image.

Das UM Rolling Contact Fatigue of Wheel Modul verwendet vier Kriterien zur Modellierung der Schadensakkumulation durch Rollkontaktermüdungen:

  • das Kriterium der maximalen tangentialen Spannungsamplitude; 
  • das Dang Van Kriterium; 
  • das Sines Kriterium; 
  • ein Kombiniertes Kriterium. 

Die berechneten Vergleichsspannungen werden mit den Schädigungsspannungen in Übereinstimmung mit den aus Experimenten gewonnen Kontaktermüdungskurven für Radstähle verglichen. Die Kurve stellt die Abhängigkeit der Anzahl der Zyklen bis zum Versagen von der Höhe der Vergleichsspannungen fest. Die akkumulierten Ermüdungsschädigungen im Werkstoff an einer Stelle des Rades werden anhand der Kontaktermüdungskurve durch Aufsummieren der Schädigung ermittelt.

 
 Rad-Modell


The wheel model. Click to play animation.

Das Modul verwendet ein Finite-Elemente-Modell eines Radfragments, das aus finiten Elementen der Serendipity Familie mit acht Knoten und einer Kantengröße von 1 mm besteht.

Im Modell werden die Rollkontaktermüdungen in den Knoten der Finite-Elemente zweckmäßig akkumuliert. Mit diesem Modell lassen sich Spannungen in oberflächennaher Kontaktschicht des Rades mit minimaler Rechnerzeit und ausreichender Genauigkeit zu bestimmen

 

 Bestimmung der Vergleichsspannungen

 

Solution of the contact problem. Click to play animation.
Determination of equivalent stresses. Click to play animation.

Die akkumulierten Rollkontaktermüdungen werden auf einen einzigen radialen Querschnitt des Rades zurückgeführt, der die Schiene einmal pro Umdrehung berührt. Somit ist die Anzahl der Kontaktlösungen gleich der Anzahl der Radumdrehungen für eine bestimmte Laufleistung.

Zur Lösung des Rollproblems verwendet das Modul UM Loco die Kontaktkraftmodelle von W. Kik und I. Pio trowski sowie das CONTACT Modell von Kalker. Mit diesen Algorithmen werden die Normal- und Tangentialkräfte in den Knoten des zweidimensionalen Elementen-Gitters, die sich auf der Kontaktfläche befinden, berechnet.

Aus der Modellierung der Dynamik der Schienenfahrzeugbewegung mit Hilfe des UM Loco Modules lässt sich eine Datei mit Eingabedaten für das UM RCF Wheel-Modul mit den Werte der Kontaktkräften bei jedem Schritt des Fahrens (Umdrehung) erstellen.

Um die Berechnung der Spannungen zu beschleunigen, wird aus dem Finite-Elemente-Modell des Rades ein Fragment in der Größe der Kontaktfläche extrahiert und an dessen Rändern elastische Verbindungen angewendet. Bei der Modellierung der Akkumulation von Kontakt Ermüdungsschäden im UM RCF-Rad Modul werden die erhaltenen Kräfte an den Knoten der Kontaktfläche des ausgewählten Finite-Elemente-Fragments des Rads bei jedem Schritt (Umdrehung) entlang des Fahrens (Laufs) angewendet.

Als Ergebnis der Finite-Elemente-Lösung werden Vergleichsspannungen in den Knoten des Finite-Elemente Fragments ermittelt, die anschließend mit den Schädigungsspannungen gemäß der RCF-Kurve des Radstahls verglichen werden.

 

 Beachtung der Radstahlhärte

 
Modelling with taking account a hardness. Click to view enlarged image.Kontaktermüdungskurven wurden durch Verarbeitung der Ergebnisse von Kontaktermüdungstests erstellt. Die Probekörper wurden aus Probeschmelzen von Radstählen mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen hergestellt. Für die Aufnahme der Kurven wurden drei Probeschmelzen ausgewählt, die den Härtebereich von 260 bis 320 HB abdecken.

Kontaktermüdungskurven von Radstählen mit unterschiedlichen Härten wurden für vier Kriterien der Schadensakkumulation durch Rollkontaktermüdung aufgezeichnet.

Die erhaltenen Kontaktermüdungskurven können zur Modellierung des Prozesses der Schadenakkumulation durch Kontaktermüdung für Radstähle verwendet werden, die den Eigenschaften von Probeschmelzen nahekommen.


 Berücksichtigung von Radprofilverschleiß

 
Modelling with taking account a wheel profile wear. Click to view enlarged image.Die Iteration des Radverschleißes ist eine Reihe von Berechnungen, innerhalb derer sich das Profil der Radabrollfläche nicht ändert.

Das UM RCF-Rad Modul verwendet ein Finite-Elemente Modell des Radfragments, um Rollkontakt Ermüdungsschäden zu akkumulieren. Bei jeder Iteration des Radverschleißes wird dieses Modell neu angepasst: Ein neues Finite-Elemente-Netz wird basierend auf dem abgenutzten Radprofil gebaut. Den resultierenden Knoten des neuen Gitters werden Schäden zugewiesen, die durch Interpolation der in der vorherigen Iteration der Radabnutzung in den Gitterknoten akkumulierten Schäden berechnet werden.

Anschließend wird das Verfahren für die Akkumulation von Schäden durch Kontaktermüdung in den Knoten des neuen Finite-Elemente-Schemas des Rades wiederholt. 

 

 Eigenspannungen im Radmaterial

 
Modelling with taking account the residual stresses. Click to view enlarged image.Die technologischen Eigenspannungen nach der Herstellung des Rades und die Montagespannungen aus dem Presssitz des Reifens auf der Radmitte können in Form von stationären Feldern im Radmaterial dargestellt werden.

Da die Probleme der Ermittlung solcher Spannungen in der achsen-symmetrischen Formulierung gelöst werden, werden die erhaltenen Spannungsverteilungen auf einen einzigen radialen Querschnitt des Rades zugeschrieben.

Bei der Simulation der Akkumulation der Kontakt Ermüdungsschaden werden die unter wechselnde Last induzierte Spannungen, die sich aus der Lösung des Kontaktproblems ergeben, mit dem stationären Eigenspannungen überlagert - Normal- und Schubspannungen beider werden aufsummiert.

Danach wird ein Wert des Kontakt-Ermüdungsbruch Kriteriums in den Knoten des Finite-Elemente-Gitters, die sich im radialen Querschnitt des Rades befinden, berechnet.

In der Bibliothek des UM Softwarepakets sind zwei Dateien mit Beispielwerten, eine Datei mit Eigenspannungen des Materials im einteiligen Rad eines Waggons und eine Datei mit Montagespannungen im Radmaterial einer Lok enthalten. Die Dateien haben eine einfache, in der Dokumentation beschriebene Struktur, die es dem Benutzer ermöglicht, Datendateien mit eigenen Werten zu erstellen und in die Berechnung einzubeziehen.

 

 Veröffentlichungen

 

1. Sakalo V.I., Sakalo A.V., Kossov V.S. Mechanics of contact interaction of wheel and rail. In: Direct-Media, Moscow; Berlin; 2021 (in Russian).

2. Sakalo V.I., Sakalo A.V. Criteria for predicting the initiation of rolling contact fatigue damage in the railway wheels and rails. Vestnik of the Railway Research Institute 2019;3:141–148 (in Russian). DOI: 10.21780/2223-9731-2019-78-3-141-148

3. Sakalo V., Sakalo A., Rodikov A., Tomashevskiy S. Computer modeling of processes of wear and accumulation of rolling contact fatigue damage in railway wheels using combined criterion. Wear 432–433 (2019) 102900. DOI: 10.1016/j.wear.2019.05.015

4. Sakalo V., Sakalo A., Tomashevskiy S., Kerentcev D. Computer modelling of process of accumulation of rolling contact fatigue damage in railway wheels. International Journal of Fatigue 2018;111:7–15. DOI: 10.1016/j.ijfatigue.2018.02.002

5. Sakalo A.V. Improvement of the railway wheel tread profile according to a contact fatigue criterion. In: PhD Thesis Moscow State University of Railway Engineering (MIIT), Moscow, 2011 (in Russian).

6. Sakalo A.V. Simulation of accumulation of contact fatigue damages in railway wheel by using finite element fragments on elastic foundation. Vestnik of the Railway Research Institute 2011;4:44–49 (in Russian).

7. Sakalo V.I., Sakalo A.V. Numerical method for solving the contact problems for the solid bodies using the finite element fragments on the elastic foundation. In: Proc. of the 1st joint int. conf. on multibody system dynamics, Lappeenranta; 2010. p. 366–373.

8. Sakalo A.V. Method of simulation of contact stresses by using finite element fragments on elastic foundation. Herald of the VSTU 2009;9:71–76 (in Russian).