Sprężystoplastyczny kontakt toczny z materiałami gradientowymi

• Autorzy: Myśliński A. , Chudzikiewicz A.

Warianty tytułu

EN

Elastoplastic rolling contact problems with graded materials

• Konferencja: Fizyczne i Matematyczne Modelowanie Procesów Obróbki Plastycznej. FiMM 2015
• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Praca poświęcona jest numerycznemu wyznaczeniu maksymalnego naprężenia na brzegu kontaktu w zagadnieniu kontaktu tocznego. Naprężenie to powoduje szybkie zużycie powierzchni znajdujących się w kontakcie. Chociaż zagadnienie kontaktowe najczęściej rozważane jest jako sprężyste uważa się, że przyczyny zużycia powierzchni kontaktowych powodowane są pojawiającymi się odkształceniami plastycznymi. Badania eksperymentalne oraz symulacje numeryczne wskazują, że pokrycie powierzchni w kontakcie warstwą materiału gradientowego może zredukować kontaktowe naprężenia mechaniczne i cieplne. W pracy zostanie rozważone zagadnienie kontaktu tocznego pomiędzy sprężysto plastycznym ciałem a sztywnym kołem przy założeniu, że jedna z powierzchni jest pokryta materiałem gradientowym, którego własności zmieniają się wraz z jego grubością. Zjawisko kontaktu obejmujące tarcie i przepływ ciepła generowanego przez tarcie jest opisane sprzężonym układem równań sprężysto-plastycznego oraz przewodnictwo cieplnego. Pół-gładka metoda Newtona jest wykorzystana jako metoda obliczeniowa. Rozkłady temperatury i naprężenia na brzegu kontaktu są wyznaczone i przedyskutowane.

EN

The determination of maximal contact stress generating the rolling contact fatigue is one of the main goals in modeling wheel-rail dynamics. This damaging process is linked to plasticity usually neglected in wheel-rail contact models. Numerous laboratory and numerical experiments indicate that the use of a coating graded material layer attached to the conventional steel body can reduce the magnitude of contact and/or thermal stresses. Therefore in this paper we solve numerically the wheel-rail contact problem assuming the existence of a small layer on the rail. The mechanical and thermal properties are changing with its depth. The contact problem includes friction, frictional heat generation as well as heat transfer across the contact surface and wear. This contact problem is governed by the coupled elastoplatic and heat conductive equations. Temperature and stress distributions on the contact boundary are provided and discussed.

Słowa kluczowe

PL

sprężystoplastyczny kontakt toczny; materiał gradientowy; badania eksperymentalne; symulacja numeryczna

EN

elastoplastic rolling contact; graded materials; experimental research; numerical simulation

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Mechanika
• Rocznik: 2015
• Tom: z. 267
• Strony: 19--24
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., wykr.

Twórcy

autor

Myśliński A.

• Wydział Inżynierii Produkcji, Politechnika Warszawska

autor

Chudzikiewicz A.

• Wydział Transportu, Politechnika Warszawska

Bibliografia

• [1] W. Han, B.D. Reddy: Computational Plasticity: the variational basis and numerical analysis. Comput. Mech. Adv., 1995, vol. 2, pp. 283-400.
• [2] W. Han, B.D. Reddy: Plasticity. Mathematical Theory and Numerical Analysis, 2nd edition, Springer, New York, 2013, pp. 101-124.
• [3] W. Han, . Sofonea: Quasistatic contact problems in viscoelasticity and viscoplasticity, AMS and IP, 2002, pp. 104-110.
• [4] P. Wriggers: Computational contact mechanics, 2nd edition, Springer, Berlin, 2006, pp. 368-376.
• [5] C. Hager, B.I. Wohlmuth: Nonlinear complementarity functions for plasticity problems with frictional contact, Comput. Methods Appl. Mech. Engrg., 2009, vol. 198, pp. 3411-3427.
• [6] Seitz, A. Popp, W.A. Wall: A semi-smooth Newton method for orthotropic plasticity and frictional contact at finite strains, Comput. Methods Appl. Mech. Engrg., 2015, vol. 285, pp. 228-254.
• [7] S. Kucharski, G. Starzyński: Study of contact of rough surfaces: Modeling and experiment, Wear, 2014, vol. 311, pp. 167-179.
• [8] M. Sebes, H. Chollet, J.B. Ayasse, L. Chevalier: A multi-Hertzian contact model considering plasticity, Wear, 2014, vol. 314, pp. 118-124.
• [9] X. Zhao, Z. Li; The solution of frictional wheel-rail rolling contact with a 3D transient finite element model: Validation and error analysis, Wear, 2011, vol. 271, pp. 444-452.
• [10] A. Chudzkiewicz, A. Myśliński: Thermoelastic Wheel-Rail Contact Problem with Elastic Graded Materials, Wear, 2011, vol. 271, pp. 417-425.
• [11] I.S. Choi, M. Dao, S. Suresh: Mechanics of indentation of plastically graded materials–I: Analysis, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2008, vol. 56, pp. 157-171.
• [12] I.S. Choia, A.J. Detora, R. Schwaigerb, M. Daoa, C.A. Schuha, S. Suresh: Mechanics of indentation of plastically graded materials–II: Experiments on nanocrystalline alloys with grain size gradients, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2008, vol. 56, pp. 172-183.
• [13] A. Prasad, M. Dao, S. Suresh: Steady-state frictional sliding contact on surfaces of plastically – graded materials, Acta Materialia, 2009, vol. 57, pp. 511-524.
• [14] S. Ahn, Y. H., Jang: Frictionally excited thermo-elastoplastic instability, Tribology International, 2010, vol. 43, pp. 779-784.
• [15] N. Branch, N. Arakere, G. Subhash, M. Klecka: Determination of constitutive response of plastically graded materials, International Journal of Plasticity, 2011, vol. 27(5). pp. 728-738.
• [16] F. Yuan, P. Jiang, J. Xie, X. Wu: Analysis of spherical indentation of materials with plastically graded surface layer, International Journal of Solids and Structures, 2012, vol. 49(3-4), pp. 527-536.
• [17] S. Ahmadi, M. Sheikhlou, V. M. Gharebagh: Thermo-elastic/plastic semi-analytical solution of incompressible functionally graded spherical pressure vessel under thermo-mechanical loading, Acta Mech., 2011, vol. 222, pp. 161-173.
• [18] A. Bhattacharyya, G. Subhash, N. Arakere: Evolution of subsurface plastic zonedue to rolling contact fatigue of M-50 NiL case hardened bearing steel, International Journal of Fatigue, 2014, vol. 59, pp. 102-113.
• [19] A. Nikbakht, M. Sadighi, A Fallahi Arezoodar, A. Zucchelli: Elastic-plastic frictionless indentation analysis of a functionally graded vitreous enameled steel plate by a rigid spherical indenter, Materials Science & Engineering A, 2013, vol. 564, pp. 242-254.
• [20] S. Kugler, P. A. Fotiu, J. Murin: Enhanced functionally graded material shell finite elements, ZAMM Journal of Applied Mathematics and Mechanics, 2013, vol. 94(1-2), pp. 72-84.
• [21] Y. Efendiev, T. Hou: Multiscale Finite Element Methods: Theory and Applications, Springer, New York, 2009, pp.204-230.