PL EN


Preferencje help
Widoczny [Schowaj] Abstrakt
Liczba wyników
Tytuł artykułu

Residual stress development in railroad rails – a parametric study

Autorzy
Wybrane pełne teksty z tego czasopisma
Identyfikatory
Warianty tytułu
PL
Studium parametryczne naprężeń resztkowych w szynie kolejowej
Języki publikacji
EN
Abstrakty
EN
This paper presents the results of a parametric study undertaken to analyse the influence that changes in the material model and contact zone parameters may have on residual stress levels. A simplified shakedown based mechanical model is used to estimate the residual stress distributions due to simulated contact loads. An information on final shakedown state of the rail subjected to given loading program is obtained at a substantially reduced computational cost compared to the standard incremental analysis. A 50% increase in peak contact pressure may increase the longitudinal residual stress level by over 700%. The dependence of peak residual stresses on changes in the hardening ratio is almost linear, while the dependence of peak residual stresses on changes in the yield limit indicates a quadratic relationship. The research indicates that in future applications, a simplified treatment of the rail/wheel interface is justified, as long as the peak pressure in the contact zone is estimated correctly. The residual stresses in rails induced by service conditions may reach very high values, on a par with the material yield limit. This effect is aggravated by the operating procedure of increasing wheel axle loads.
PL
W niniejszym opracowaniu przedstawiono wyniki studium parametrycznego przeprowadzonego w celu zbadania wpływu zmian modelu materiału i parametrów strefy kontaktu na poziom naprężeń resztkowych w szynie kolejowej. Uproszczony model mechaniczny, oparty na teorii plastycznego przystosowania, został zastosowany do oszacowania rozkładu naprężeń resztkowych wywołanych symulowanymi obciążeniami kontaktowymi. Stwierdzono, że 50% wzrost maksymalnego ciśnienia w strefie kontaktu skutkuje wzrostem maksymalnych naprężeń resztkowych o około 700%, przy czym zależność maksymalnych naprężeń resztkowych od zmian współczynnika wzmocnienia materiału szyny ma charakter liniowy, podczas gdy zależność tych samych naprężeń od wartości granicy plastyczności ma charakter kwadratowy. Przeprowadzone obliczenia wskazują, że uproszczone traktowanie strefy kontaktu koło/szyna jest uzasadnione, jak długo maksymalne wartości ciśnienia w tej strefie są oszacowane poprawnie. Naprężenia resztkowe w szynie kolejowej, wywołane przez obciążenia eksploatacyjne kołami taboru, mogą osiągnąć bardzo duże wartości, porównywalne z wartością granicy plastyczności materiału. Efekt ten pogłębia się na skutek zwiększania obciążeń na oś taboru.
Rocznik
Strony
83--94
Opis fizyczny
Bibliogr. 30 poz., wykr., wz., il., tab.
Twórcy
  • Institute for Computational Civil Engineering, Faculty of Civil Engineering, Cracow University of Technology
Bibliografia
  • [1] Cannon D.F., Edel K.­O., Grassie S.L., Sawley K., Rail defects: an overview, Fatigue Fract. Engng Mater. Struct., 2003, Vol. 26, 865–887.
  • [2] Cecot W., Orkisz J., Prediction of Actual Residual Stresses Resulting from Cyclic Loading in Kinematic Hardening Material, Proc. of the International Conference COMPLAS V, Barcelona 1997, 1879–1891.
  • [3] Crisfield M.A., Non-linear Finite Element Analysis of Solids and Structures, Wiley&Sons, 1994.
  • [4] Dang Van K., Maitournam M.H., Prasil B., Elastoplastic analysis of repeated moving contact. Application to railways damage phenomena, Wear, 1996, Vol. 196, 77–81.
  • [5] Forsythe G.E., Wasow W.R., Finite Difference Methods for Partial Differential Equations, Wiley, New York 1960.
  • [6] Groom J.J., Determination of Residual Stresses in Rails, Batelle Columbus Laboratories, Rpt. no. DOT/FRA/ORD­83-05, Columbus 1983.
  • [7] Jensen P.S., Finite Difference techniques for variable grids, Computers and Structures, 1972, Vol. 2, 17–29.
  • [8] Liszka T., Orkisz J., The finite Difference at Arbitrary Irregular grids and its applications in applied mechanics, Computers and Structures, 1980, Vol. 11, 109–121.
  • [9] Lo K.H., Mummery P., Buttle D.J., Characterisation of residual principal stresses and their implications on failure of railway wheels, Engng Failure Analysis, 2010, Vol. 17, 1273–1284.
  • [10] Magiera J., Orkisz J., Karmowski W., Reconstruction of residual stresses in railroad rails from measurements made on vertical and oblique slices, Wear, 1996, Vol. 191, 78–89.
  • [11] Marchenko H.P., Influence of residual stresses on the stress intensity factors for a surface cracking the rail head, Materials Science, 2010, Vol. 46, 64–69.
  • [12] Martin J.B., Plasticity – fundamentals and general results, The MIT Press Publ., 1975.
  • [13] Milewski S., Orkisz J., Improvements in the global a-posteriori error estimation of the FEM and MFDM solutions, Computing and Informatics, 2011, Vol. 30, 639–653.
  • [14] Orkisz J., Orringer O., Hołowiński M., Pazdanowski M., Cecot W., Discrete Analysis of Actual Residual Stresses Resulting from Cyclic Loadings, Computer and Structures, 1990, Vol. 35, 397–412.
  • [15] Orkisz J., Pazdanowski M., On a new Feasible Directions solution approach in constrained optimization, [in:] The Finite Element Method in the 1990s, Springer Verlag, 1991, 621–632.
  • [16] Orringer O., Tang Y.H., Gordon J.E., Morris J.M., Perlman A.B., Crack propagation life of detail fractures in rail, US DOT Final Rpt., DOT-TSC-FRA-88-1, Cambridge, MA 1988.
  • [17] Pazdanowski M., On estimation of residual stresses in rails using shake down based method, Archives of Transport, 2010, Vol. 22, 319–336.
  • [18] Pazdanowski M., Prediction of Residual Stresses in Railroad Rails by the Constrained Complementary Energy Minimization Shake Down Method, Final Rpt. to the US DOT, FRA, Washington DC, to be published.
  • [19] Ringsberg J.W., Josefson B.L., Finite element analyses of rolling contact fatigue crack initiation in railheads, J. Rail Rapid Transit, 2001, Vol. 215, 243–259.
  • [20] Ringsberg J.W., Lindback T., Rolling contact fatigue analysis of rails including numerical simulations of the rail manufacturing process and repeated wheel-rail contact loads, Int. J. of Fatigue, 2003, Vol. 25, 547–558.
  • [21] Sasaki T. et al., Measurement of residual stresses in rails by neutron diffraction, Wear, 2008, Vol. 265, 1402–1407.
  • [22] Schlenzer G., Fischer F.D., Residual stress formation during the roller straightening of railway rails, Int. J. of Mechanical Sciences, 2001, Vol. 43, 2281–2295.
  • [23] Skyttebol A., Josefson B.L., Rinsberg J.W., Fatigue crack growth in a welded rail under the influence of residual stresses, Engng Fracture Mechanics, 2005, Vol. 72, 271–285.
  • [24] Smith R.A., Fatigue in transport. Problems, solutions and future threats, Trans. IChemE: Part B, 1998, Vol. 76, 217–23.
  • [25] Steel R.K. et al., Catastrophic Web Cracking of Railroad Rail: A Discussion of the Unanswered Questions, Association of American Railroads, 1990.
  • [26] Telliskivi T., Olofsson U., Wheel-rail wear simulation, Wear, 2004, Vol. 257, 1145–1153.
  • [27] The Derailment at Hatfield: A Final Report by the Independent Investigation Board (July 2006), UK. Office of Rail Regulation (ORR).
  • [28] Wang Y.Y., Chiang F.P., Experimental study of three-dimensional residual stresses in rails by Moire interferometry and dissecting methods, Optics and Lasers in Engng, 1996, Vol. 27, 89–100.
  • [29] Wrobel L.C., Aliabadi M.H., The Boundary Element Method, Wiley&Sons, 2002.
  • [30] Zerbst U., Lunden R., Edel K.-O., Smith R.A., Introduction to the damage tolerance behavior of railway rails – a review, Engng Fracture Mechanics, 2009, Vol. 76, 2563–2601.
Typ dokumentu
Bibliografia
Identyfikator YADDA
bwmeta1.element.baztech-03c7892e-0880-4484-a3cf-90a2f3df4809
JavaScript jest wyłączony w Twojej przeglądarce internetowej. Włącz go, a następnie odśwież stronę, aby móc w pełni z niej korzystać.