On residual stresses distributions due to elasto-plastic rolling contact.

• Autorzy: Bijak-Żochowski M. , Marek P. , Tracz M.

Warianty tytułu

PL

O naprężeniach własnych wywołanych sprężysto-plastycznym kontaktem przy rolowaniu.

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The way of creation and final description of resisual stress due to the process of rolling contact is of a great interest from cognitive, as well as practical point of view. While residual stress can be created by controlled production process to improve strength properties (e.g. technological cold rolling of pins, threads etc.), they can be introduced also unintentionally in the course of the regular work of the object. Residual stresses in rails are created in this last way; they strongly influence cracking tendencies and the expected life of rails. Distribution of residual stress due to elastic-plastic rolling contact depend on several factors: magnitude of maximum loading pressure, number of passages during the rolling process, character of the motion (free rolling, rolling with tangential forces due to the breakings and accelerations) etc. However, investigations conducted by different authors have not delivered here any unique solution even for the free rolling contact. Particularly it is not clear what is the distribution of residual stress in the subsurface area, whether and when they can be positive (tensile) at the rolled surface etc. The aim od this work is the determination of the influence of some of above mentioned factors on the residual stress distribution. The analysis has been conducted by the FEM method using the SEGLA program developed by authors, as well as the professional ANSYS program. The numerical results have been broadly verified by the experimental investigations. Experiments have been applied also as a main tool in such cases, where using the numerical methods is still very expensive (if even possible), e.g. for the great number (several thousands) of paassges.

PL

Sposób tworzenia i ostateczny rozkład naprężeń własnych wywołanych w procesie rolowania są ważne i z poznawczego i praktycznego punktu widzenia. Naprężenia własne mogą być wprowadzone zarówno przez kontrolowane procesy technologiczne w celu zwiększenia wytrzymałości (np. rolowanie na zimno czopów, gwintów, itp.), jak i niezamierzony efekt eksploatacji obiektu. Naprężenia własne w szynach kolejowych powstaja właśnie w ten drugi sposób; wpływają one silnie na procesy pękania i trawałość szyny. Rozkłady naprężeń własnych wprowadzonych sprężysto-plastycznym rolowaniem zależą od wielu czynników: wielkości maksymalnych nacisków w kontakcie tocznym, charakteru ruchu (rolowanie czyste, z siłami stycznymi wywołanymi hamowaniem i przyspieszaniem) liczby przejazdów etc. Badania prowadzone tu przez bardzo wielu autorów nie dostarczyły wszakże jednoznacznego rozwiązania nawet dla czystego rolowania. Szczególnie nie jest jasne jakie naprężenia powstają w cienkiej warstwie podpowierzchniowej, oraz czy i kiedy mogą być rozciągające na samej powierzchni. Celem tej pracy jest określenie wpływu niektórych ze wspomnianych czynników na rozkłady naprężeń własnych. Analizę przeprowadzono numerycznie stosując Metodę Elementów Skończonych. Wyniki szeroko zweryfikowano doświadczalnie.

Słowa kluczowe

EN

elastic-plastic rolling contact; residual stresses; rolling

PL

elastyczno-plastyczny kontakt przy rolowaniu; naprężenia własne; rolowanie

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2004
• Tom: Vol. LI, nr 1
• Strony: 5--26
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Bijak-Żochowski M.

• Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Warsaw University of Technology, ul. Nowowiejska 24, 00-665 Warsaw

autor

Marek P.

• Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Warsaw University of Technology, ul. Nowowiejska 24, 00-665 Warsaw

autor

Tracz M.

• Institute of Aeronautics and Applied Mechanics, Warsaw University of Technology, ul. Nowowiejska 24, 00-665 Warsaw

Bibliografia

• [1] Yu M. M., Morgan В., Keer L. М.: A direct analysis of three-dimensional elastic-plastic rolling contact. ASME J. Tribology 117 (1995).
• [2] Kulkarni S. M., Hahn G.T., Rubin C. A., Bhargava V.: Elasto-plastic finite element analysis of three-dimensional pure rolling contact at the shakedown limit. ASME J. Appl. Mech. 57, 57-65 (1990).
• [3] Yu C. C., Morgan В., Keer L. M.: A simplified direct method for cycling strain calculations: repeated rolling/sliding contact on a case-hardened half-plane. ASME J. Tribology 118 (1996).
• [4] Howell M., Hahn G. Т., Rubin C. A., Mc Dowell D. L.: Finite element analysis of rolling contact for nonlinear kinematic hardening bearing steel. ASME J. Tribology, 117 (1995).
• [5] Jiang Y., Sehitoglu H.: Rolling contact stress analysis with the application of a new plasticity model. Elsevier. Wear 191 (1996), pp. 35-44.
• [6] Jiang Y., Sehitoglu H.: Modeling of cyclic ratchetting plasticity. Part I: Development of constitutive relations. Journal of Applied Mechanics. Vol. 63, 1996, pp. 720-725.
• [7] Jiang Y., Sehitoglu H.: Modeling of cyclic ratchetting plasticity. Part II: Comparison of model simulations with experiments. Journal of Applied Mechanics. Vol. 63, 1996, pp. 726-733.
• [8] Yu С. C., Keer L. M., Steele R. K.: Three-dimensional residual stress effects on the fatigue crack initiation in rails. ASME Journal of Tribology. Vol. 119, 1997, pp. 660-666.
• [9] Jiang Y., Sehitoglu H.: A model for rolling contact failure. Wear 224 (1999), pp. 38-49.
• [10] Ringsberg J. W., Loo-Morrey M., Josefson B. L., Kapoor A., Beynon J. H.: Prediction of fatigue crack initiation for rolling contact fatigue. International Journal of Fatigue, 22 (2000) pp. 205-215.
• [11] Jiang Y., Chang J., Xu В.: Elastic-plastic Finite Element Stress analysis of Two-Dimensional Rolling Contact. ASTM STP 1339. 2001, pp. 37-54.
• [12] Xu В., Jiang Y.: Elastic-plastic finite element analysis of partial slip rolling contact. ASME J. of Tribology, 124 (2002), pp. 20-26.
• [13] Bijak-Żochowski M., Marek P., Residual stress in some elasto-plastic problems of rolling contact with friction. Int. J. Mech. Sci., Vol. 39, No 1 (1997).
• [14] Bijak-Żochowski M., Tracz M.: Investigation of residual stress distribution in a rail head. Journal of Strain Analysis. Vol. 28, No 1 (1994).