تحلیل مکانیک شکست ترک ستاره‌ای درز ریل و معرفی پارامترهای موثر بر نرخ رشد ترک

امروزه اغلب خطوط به صورت جوشکاری شده پیوسته اجرا شده و درز ریل پیچی کمتر استفاده می‌شود. اما این نوع اتصال ریل‌ها به دلیل کاربرد در سیستم علائم الکتریکی و مدار راه، همچنان مورد استفاده قرار می‌گیرد. رشد ترک ستاره‌ای (ترک سوراخ پیچ ریل)، یکی از دلایل اصلی شکست ریل در ناحیه درز بوده و از نقطه نظر ایمنی نیز حائز اهمیت می‌باشد؛ زیرا اگر در حین عبور قطار این شکستگی رخ دهد، منجر به خروج از خط خواهد شد. مشاهدات میدانی نشان می‌دهد که این ترک‌ها اغلب در جداره اولین سوراخ جوانه زده و با زاویه حدود 45 درجه، به سمت تاج و پاشنه ریل رشد می‌کنند. در این پژوهش، ابتدا با استفاده از روش اجزا محدود، مدلی برای درز ریل ارائه و به صورت شبه استاتیکی تحلیل شده است. پس از آن، ضمن بررسی روند تغییرات ضرایب شدت تنش برای حالت‌های مختلف، محدوده‌ای که در آن حداکثر مقدار ضریب شدت تنش معادل ایجاد می‌شود، تعیین شده است. سپس تاثیر تغییرات سه پارامتر بار محوری، سرعت قطار و سختی تکیه‌گاه ریل بر مقدار ضریب شدت تنش معادل و نسبت ki به kii بررسی شده است. در پایان، مساله رشد ترک خستگی بر اساس رابطه پاریس، برای 5 حالت مختلف تحلیل شده است. به کمک معیار حداکثر تنش مماسی، امتداد رشد ترک در هر مرحله به دست آمده و نهایتاً طول بحرانی ترک و تعداد کل سیکل‌های بارگذاری تا لحظه شکست محاسبه شده است. نتایج نشان می‌دهد که ضریب شدت تنش معادل به نیروی چرخ حساسیت بیشتری دارد. همچنین نرخ رشد ترک با افزایش نیروی چرخ و یا کاهش سختی تکیه‌گاه ریل، به طور تصاعدی افزایش می‌یابد. از نتایج کاربردی این مقاله می‌توان به بهینه‌سازی امور نگهداری خط و تصمیم‌گیری در مواردی همچون تعویض ریل ترک‌خورده یا عدم آن و زمان‌بندی مناسب جهت بازرسی‌های درز ریل اشاره کرد.

Fracture mechanics analysis of railend bolt hole crack and effects of different parameters on fatigue crack growth rate

Bolted rail joints are one of sensitive components in railway tracks which is used in signaling and broken rail identification systems. Rail joints are the most vulnerable spots in the track structure and many manhours are spent on their maintenance. A common mode of failure in bolted rail joints is fatigue crack initiation and growth from the bolt holes at the end of the rail. Nowadays, fatigue and fracture of railway track components has been a critical problem. Consequently it caused high cost of maintenance and it threatened the safety of mobility. On the other hand, in addition to casualties and financial loss, this occurrence could have serious consequences. The fatigue failure around railend bolt holes is particularly dangerous since it leads to derailment of trains and consequently occurs inevitable accidents. However, researchers have not treated the crack growth in much detail. Therefore, this research will focus on fracture mechanics analysis of the railend bolt hole crack. Firstly, a 3D finite element model of rail joint has been provided using commercially available software Abaqus/CAE. In this study, FE models analyzed quasistatically. After the verification of model and checking the condition of LEFM, fracture mechanics analysis of cracks were carried out. In this stage, considering the stress intensity factor of cracks, the effects of variation of axle load, train speed and the rail support stiffness was determined on the equivalent stress intensity factor and the ratio of KI to KII. In addition, step by step fatigue crack growth analysis has been conducted based on Paris law and Maximum Tangential Stress (MTS) criterion. As a result, the estimation of cracks path and cracks growth rate were obtained.