Estudo da vida em fadiga de trilhos ferroviários sob solicitações de rolamento aleatórias [recurso eletrônico]
Thairon Reis Costa
DISSERTAÇÃO
Português
T/UNICAMP C823e
[Study of fatigue life of railway rails under random rolling loads]
Campinas, SP : [s.n.], 2018.
1 recurso online (92 p.) : il., digital, arquivo PDF.
Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica
Resumo: O presente trabalho apresenta um estudo da vida em fadiga de trilhos ferroviários pela aplicação de critérios de fadiga multiaxial, considerando as tensões residuais devidas às solicitações cíclicas da roda em diferentes posições e sentidos. Para isso, um trilho ferroviário usado para...
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Resumo: O presente trabalho apresenta um estudo da vida em fadiga de trilhos ferroviários pela aplicação de critérios de fadiga multiaxial, considerando as tensões residuais devidas às solicitações cíclicas da roda em diferentes posições e sentidos. Para isso, um trilho ferroviário usado para transporte de carga no Brasil foi modelado pelo método dos elementos finitos utilizando o software ABAQUS®. Por meio de aplicações nodais de forças, obtidas analiticamente pelas teorias do contato de Hertz e Linear de Kalker, foi desenvolvido um modelo para o qual foram consideradas as diversas posições do contato de uma roda sobre o boleto do trilho, passando em diferentes pontos e sentidos. Para fins de comparação, um modelo com solicitações referentes a rolamento puro também foi analisado. A fim de obter os esforços que a roda realiza sobre o trilho na forma de forças nodais, foi empregada uma estratégia segundo a qual a malha de elementos finitos gerada no software ABAQUS® é importada por um programa em MATLAB®, onde os esforços foram calculados a cada instante, associados ao nó e exportados novamente para o ABAQUS®. Análises estáticas com aplicações sucessivas de cargas simulando a rolagem de uma roda sobre o trilho foram então feitas. A variação das tensões e deformações dos elementos de uma secção transversal do trilho foi analisada visando a identificação do fenômeno de Shakedown elástico, já que a presença ou não do referido fenômeno norteará o estudo da vida em fadiga. Os tensores de tensão e deformação são entradas para os critérios de fadiga implementados. A metodologia envolveu a aplicação dos critérios de fadiga multiaxial de baixo e alto ciclos para um grande número de pontos de uma secção transversal do trilho, cada um analisado em 144 planos distintos, seguida da eleição do ponto e plano críticos, de acordo com cada critério. Para este ponto e plano, foi feita a estimativa do número de ciclos necessário para a nucleação de uma trinca. Os resultados mostraram que o regime de shakedown é atingido após poucos ciclos. Quando o sentido das passagens da roda é invertido, o shakedown é alterado. Após oito passagens da roda, a estabilização é novamente alcançada, permanecendo inalterada até o fim da simulação, mesmo após novas inversões de sentido das passagens da roda. Assim, foi verificado que quando o trilho foi solicitado por carregamentos, para os quais o regime de shakedown já tenha sido alcançado anteriormente, a estabilização não é afetada. Além disso, as tensões tangenciais influenciaram na distribuição da tensão e deformação equivalentes. Para o caso de rolamento puro, a distribuição das tensões equivalentes apresenta tensões e deformações menores na superfície e máximas a aproximadamente 3 mm de profundidade. Para o caso em que foram consideradas tensões tangenciais, a distribuição de tensões e deformações equivalentes mostrou aumento na superfície e menor número de ciclos necessários para iniciação de trinca por fadiga nesse local
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Abstract: The current work presents a study of fatigue life of rails by applying multiaxial fatigue models, considering the residual stresses due to the cyclical wheel loads in different positions and directions. For that, a rail of heavy haul railway applications used in in Brazil was modeled using...
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Abstract: The current work presents a study of fatigue life of rails by applying multiaxial fatigue models, considering the residual stresses due to the cyclical wheel loads in different positions and directions. For that, a rail of heavy haul railway applications used in in Brazil was modeled using the finite element method and ABAQUS® software. A model was developed by applying nodal forces obtained analytically with the theories of contact of both Hertz and Linear of Kalker. The nodal forces patch represents the rolling passes of the wheel along the rail in different straight lines and directions. For purposes of comparison, a model with pure rolling was also analyzed, in this case always passing in a straight line along the rail. To obtain the nodal forces, the finite element mesh generated in the ABAQUS® software was imported by a program in MATLAB®, where the efforts were calculated at each moment, associated with the node, and exported again for the ABAQUS® as an input. Static analyzes were then made, simulating successive load applications during the rolling of a wheel on the rail. The stresses and strains variation in elements of a cross section of the rail were then analyzed aiming to identify the elastic shakedown phenomenon, since the presence or not of this phenomenon will guide the study of the life under fatigue. The stress and strain tensors, which are inputs to the fatigue criteria implemented, were exported back to the program in MATLAB®. The methodology involved the application of low and high-cycle multiaxial fatigue criteria for a large number of points of a rail cross-section, each analyzed in 144 different planes, followed by the selection of the critical point and plane, according to each criterion. For this point and plane, the number of cycles necessary for crack nucleation was estimated. The results showed that the shakedown is reached after a few cycles. When the direction of the wheel passages is reversed, the shakedown appears again. After eight-wheel passes, the stabilization is once again achieved, remaining unchanged until the end of the simulation, even after further reversals of the wheel passages. Thus, when the rail was requested by loads so that the shakedown regime has already been reached, the stabilization is not affected. Besides, applications with tangential stresses influenced the distribution of equivalent stress and strain. For pure rolling, the distribution of equivalent stresses and strains presents lower stress and strains at the surface, and maximums in depths of about 3 mm. For the case where tangential stresses were considered, the distribution of stresses and strains for all analyzed fatigue criteria, showed an increase close to the surface
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Estudo da vida em fadiga de trilhos ferroviários sob solicitações de rolamento aleatórias [recurso eletrônico]
Thairon Reis Costa
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