UM RCF Rail

 UM Rolling Contact Fatigue of Rail

Модуль UM Rolling Contact Fatigue of Rail разработан для моделирования процесса накопления контактно-усталостных повреждений в рельсах.

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

 Возможности модуля UM Rolling Contact Fatigue of Rail

Модуль UM RCF Rail позволяет:

• определять скорость накопления контактно-усталостных повреждений в рельсах с различными профилями поверхностей катания с использованием данных, полученных в результате моделирования динамики движения железнодорожных экипажей с помощью модуля UM Loco;
• использовать четыре критерия контактно-усталостного разрушения для моделирования накопления повреждений:
• учитывать влияние износа профиля рельса на скорость накопления контактно-усталостных повреждений с помощью инструмента UM Loco/Rail Profile Wear Evolution;
• учитывать влияние остаточных напряжений на скорость накопления контактно-усталостных повреждений;
• с помощью графического интерфейса представлять процессы моделирования напряжений и накопления повреждений в материале рельса в режимах отображения изолиний и заливки цветом.

 Критерии контактно-усталостного разрушения

Для моделирования накопления повреждений в модуле используются четыре критерия контактно-усталостного разрушения:

• критерий амплитудного значения максимального касательного напряжения;
• критерий Данг Вана;
• критерий Сайнса;
• комбинированный критерий.

Вычисляемые эквивалентные напряжения сопоставляются с повреждающими в соответствии с кривой контактной усталости рельсовой стали, полученной по результатам экспериментов и устанавливающей зависимость числа циклов до разрушения от уровня эквивалентных напряжений.

Накопленные усталостные повреждения в точке материала рельса определяются с использованием кривой контактной усталости суммированием повреждений.

 Модель рельса

В модуле используется конечноэлементная модель фрагмента рельса, состоящая из восьмиузловых конечных элементов с размером ребра 1 мм.

В узлах конечноэлементной схемы удобно накапливать контактно-усталостные повреждения.

Такая модель позволяет определять напряжения в подконтактном слое рельса с минимальными затратами машинного времени и достаточной точностью.

  Определение эквивалентных напряжений

Для моделирования процесса накопления контактно-усталостных повреждений в материале рельса предварительно выполняется моделирование динамики движения железнодорожных экипажей либо на прямом участке пути, либо на участке пути в кривой. Задаётся число поперечных сечений рельса, в которых вычисляются контактные силы от каждого колеса проходящего экипажа. Количество таких сечений должно быть достаточным, чтобы статистические данные о силах и положении колеса на рельсе были представительными. В модуле UM RCF Rail накапливаемые усталостные повреждения в этих сечениях суммируются и приписываются одному поперечному сечению, которое называется контрольным сечением рельса.

Для решения задачи качения в модуле UM Loco используются модели контактных сил В. Кика и И. Пиотровского и модель Калкера CONTACT. С помощью этих алгоритмов вычисляются нормальные и касательные силы в узлах двухмерной сетки, расположенной на поверхности контакта. В результате моделирования динамики движения железнодорожного экипажа с помощью модуля UM Loco создаётся файл с исходными данными для модуля UM RCF Rail, в котором содержаться значения сил в контактах.

Для ускорения вычисления напряжений из конечноэлементной модели рельса по размеру контактного пятна выделяется фрагмент, на грани которого накладываются упругие связи.

В процессе моделирования накопления контактно-усталостных повреждений в модуле UM RCF Rail полученные силы в контакте прикладываются в узлах контактной поверхности выделенного конечноэлементного фрагмента рельса.

В результате решения задачи методом конечных элементов определяются эквивалентные напряжения в узлах конечноэлементного фрагмента, которые затем сопоставляются с повреждающими в соответствии с кривой усталости стали.

 Учёт износа профиля рельса

Итерация износа рельса – это серия расчётов, в пределах которой профиль поверхности катания рельса не меняется.

Для накопления контактно-усталостных повреждений в модуле UM RCF Rail используется конечноэлементная модель фрагмента рельса. На каждой итерации износа рельса эта модель перестраивается. Новая конечноэлементная сетка строится на базе изношенного профиля рельса. Полученным узлам новой сетки приписываются повреждения, вычисленные путём интерполяции повреждений, накопленных в узлах сетки на предыдущей итерации износа рельса. Далее повторяется процедура накопления контактно-усталостных повреждений в узлах новой конечноэлементной схемы рельса.

 Публикации

1. Сакало, В.И. Механика контактного взаимодействия колеса и рельса / В.И. Сакало, А.В. Сакало, В.С. Коссов. – Москва; Берлин: Директ-Медиа, 2021. – 376 с.

2. Сакало, В.И. Обоснование критериев моделирования процессов накопления контактно-усталостных повреждений в колёсах вагонов / В.И. Сакало, А.В. Сакало // XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сборник трудов в 4 томах. Т. 3: Механика деформируемого твердого тела. – Уфа: РИЦ БашГУ, 2019. – 1534 с. С. 976-978.
ISBN 978-5-7477-4953-5. DOI: 10.22226/2410-3535-2019-congress-v3

3. Сакало, В.И. Критерии для прогнозирования возникновения контактно-усталостных повреждений в колесах железнодорожного подвижного состава и рельсах / В.И. Сакало, А.В. Сакало // Вестник ВНИИЖТ. – 2019. – Т.78. – №3. – С. 141-148. DOI: 10.21780/2223-9731-2019-78-3-141-148

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

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

6. Керенцев, Д.Е. Возможности повышения ресурса вагонных колес путем изменения геометрии профиля поверхности катания / Д.Е. Керенцев, А.В. Сакало, В.А. Симонов // Развитие технологий производства железнодорожных колес на Выксунском металлургическом заводе. Выпуск 2: сб. тр. / под общ. ред. А.М. Барыкова. – М.: Металлургиздат, 2018. С. 224-239.

7. Сакало, А.В. Совместное моделирование процессов износа и накопления контактно-усталостных повреждений в железнодорожных колёсах / А.В. Сакало, В.Н. Языков // XI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: сборник докладов (20-24 августа 2015 г., Казань). – Казань: Казанский (Приволжский) федеральный университет, 2015. – 4480 с. – С. 3320-3322.

8. 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.

9. Сакало, А.В. Моделирование накопления контактно-усталостных повреждений в колесе вагона с использованием конечно-элементных фрагментов на упругом основании / А.В. Сакало // Вестник ВНИИЖТ. – 2011. – №4. – С. 44-49.

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

11. 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.