A 3D model for growth of dry and liquid-filled "SQUAT" type cracks - a tool for estimating thr scale of damage in rails

• Autorzy: Bogdański S. , Brown M.W.

Warianty tytułu

PL

Trójwymiarowy model rozwoju suchych i wypełnionych płynem pęknięć zmęczeniowych typu "SQUAT" - jako narzędzie oceny stopnia zniszczenia szyn kolejowych

• Konferencja: Sympozjum Mechaniki Zniszczenia Materiałów i Konstrukcji (23-26.05.2001 ; Augustów ; Polska)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

A model of the fatigue growth of 3D semi-elliptical rolling contact fatigue (RCF) cracks was developed by combining the results of numerical (3D FEM) loading simulations with mixed-mode fatigue crack growth rate data. The model was applied for the "squat" type of crack, which is typical for rail RCF failure, to predict shape development and the directions of crack extension. The following kinds of crack behaviour were distinguished; co-planar extension, spalling and branching to transverse defects. The results obtained from the model indicated that propagation of "squats" is feasible when a fluid interaction inside the crack is introduced, encouraging a mixed-mode shear dominated growth. However cracks may branch to a Mode I direction when various components of loading create favourable conditions. In certain conditions, branching to transverse defects can lead to catastrophic rail damage.

PL

Praca przedstawia model rozwoju półeliptycznych pęknięć zmęczeniowych usytuowanych w strefie kontaktu tocznego opracowany z wykorzystaniem wyników numerycznej symulacji obciążenia (3D MES) skojarzonych z wynikami pomiarów prędkości propagacji pęknięć dla dwuosiowego nieproporcjonalnego obciążenia. W pracy przedstawiono też przykładowe zastosowanie tego modelu do przewidywania prędkości, kierunków rozwoju i modyfikacji kształtu pęknięć typu "squat" będących typowym przykładem tej klasy pęknięć dla szyn kolejowych. W wyniku zastosowania modelu rozróżnione zostały następujące sposoby rozwoju pęknięcia; rozwój wzdłuż płaszczyzny pęknięcia, rozwidlenie w kierunku powierzchni szyny powodujące wykruszanie materiału oraz rozwidlenie w głąb szyny prowadzące do pęknięcia poprzecznego. Wykazano, że efektywny rozwój pęknięć typu "squat" jest możliwy wtedy jeśli w ich wnętrzu znajduje się płyn, którego oddziaływanie stwarza warunki do wystąpienia mieszanego zdominowanego ścinaniem sposobu obciążenia. Jednakże, tego typu pęknięcia mogą się również rozgałęziać w kierunku, w którym dominuje pierwszy sposób obciążenia, jeśli tylko konfiguracja obciążenia zewnętrznego stworzy sprzyjające temu warunki. Rozwidlenia pęknięcia w głąb szyny mogą w niektórych konfiguracjach obciążenia prowadzić do niebezpiecznego pęknięcia szyny na wskroś.

Słowa kluczowe

EN

fatigue crack; failure; railway rail

PL

pęknięcie zmęczeniowe; zniszczenie; szyna kolejowa

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Politechniki Białostockiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Politechniki Białostockiej. Mechanika
• Rocznik: 2001
• Tom: Z. 24
• Strony: 57--65
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., wykr.

Twórcy

autor

Bogdański S.

• Politechnika Warszawska, Instytut Aeronautyki i Zastosowań Mechaniki, ul. Nowowiejska 24, 00-665 Warszawa

autor

Brown M.W.

• The University of Sheffield, Department of Mechanical Engineering, Mappin Street, Sheffield S1 3JD, UK

Bibliografia

• 1. Baloch R. A. & Brown M. W. (1993): Crack closure analysis for the threshold of fatigue crack growth under mixed mode I/H loading, Mixed Mode Fatigue and Fracture, (eds. H.P. Rossmanith and K.J. Miller), ESIS Publication No. 14, 1993, 125-137.
• 2. Beynon J. H., Brown M. W. & Kapoor A. (1999): Initiation, growth and branching of cracks in railway track, Engineering Against Fatigue (eds. J. H. Beynon, M. W. Brown et al.), Balkema, 461-472.
• 3. Bogdanowicz Z., Kocańda D. & Kocańda S. (1997): Experimental and analytical study of fatigue crack behaviour in gear wheels, Proceedings of the International Conference "Eng. Against Fatigue", Sheffield (UK), 17-21 March, 575-581.
• 4. Bogdański S., Olzak M., Stupnicki J. (1998): Numerical Modelling of 3D Rail RCF "Squat" - Type Crack Under Operating Load, mt. Journ. of Fatigue & Fracture of Eng. Materials & Structures, Vol. 21, 923-935.
• 5. Bogdański S. (1996): Finite element modelling of surface fatigue crack in EHD contact, Elastohydrodynamics - 96 - Fundamentals and Applications in Lubrication and Traction, Trib. Ser., (Ed. D. Dowson) Els., 325-336.
• 6. Bogdański S. (1997): The behaviour of surface breaking contact fatigue crack in EHL conditions, Proceedings of the "5th mt. Conf On Biaxial/Multiaxial Fatigue & Fracture", Vol. II, Cracow 8-12 Sept. 1997, 9-28.
• 7. Bogdański S. (1997a): A mechanism of loading of surface RCF crack in EHD lubrication conditions, Proc. of the 6th National Conference on Fract. Mech., Ameliówka, Poland, 21 - 24 September 1997, 77-84.
• 8. Bogdański S. (1999): Growth of the rolling contact fatigue cracks in the presence of liquid (in polish), Habilitation Dissertation, Warsaw University of Technology, Prace Naukowe, Mechanika, Zeszyt Nr 171, 1999.
• 9. Bogdański S. & Brown M. W. (1997): Modelling of surface fatigue crack growth in EHD contact, presented at the International Conference "Engineering Against Fatigue", Sheffield (UK), 17-21 March 1997.
• 10. Bogdański S. & Brown M. W. (1999): Modelling the Growth of Rolling Contact Fatigue Cracks in Rails, Proceedings of the 71th National Conference on Fracture Mechanics, Vol. I, 23-35 September 1999, Cedzyna, Poland, 53-58.
• 11. Bogdański S. & Brown M. W. (2000): Modelling the Three Dimensional Behaviour of Shallow Rolling Contact Fatigue Cracks in Rails, Proceedings of the 5th International Conference on "Contact Mechanics and Wear of Rail/Wheel Systems", Tokyo, Japan, July 2000, 9-16.
• 12. Bold P. E., Brown M. W. & Allen R. J. (1991): Shear crack growth and rolling contact fatigue, Wear, Vol. 144, 307-317.
• 13. Bower A. F. (1988): The influence of crack face friction and trapped fluid on surface initiated rolling contact fatigue cracks, J. Trib., ASME 110, 704-711.
• 14. Hourlier F., Pineau A. (1981): Fatigue crack propagation behaviour under complex mode loading, Advances in Fracture Research, Proceedings 5th mt. Conf on Fract, Vol. 4, 1841-1849.
• 15. Kaneta M. & Mu rakami Y. (1991): Propagation of semi-elliptical surface cracks in lubricated rolling/sliding elliptical contacts, J. Trib., ASME, 270-275.
• 16. Wang C. H., & Brown M. W. (1996): Life prediction techniques for variable amplitude multiaxial fatigue - Part I: Theories, J. Engineering Materials and Technology, Trans. ASME, Vol. 118, 367 - 370.
• 17. Way. S., (1935): Pitting due to rolling contact, ./. App. Mech., Trans. ASME 2, 49-58.
• 18. Wong S. L., Bold P. E., Brown M. W., Allen R. J. (1996): A branch criterion for shallow angled rolling contact fatigue cracks in rails, Wear, Vol. 191, 45-53.