تحلیل تنش قطعه تکه‌مرکزی سوزن ریلی با کاربرد روش مدل‌سازی المان محدود و تخمین عمر با معیارهای خستگی چندوجهی

در سیستم ریلی قطعه تکه‌مرکزی به عنوان یکی از اجزای مهم سوزن به دلیل تماس‌های شدید خود با چرخ قطار مستعد رشد ترک‌های خستگی و شکست می‌باشد. این تماس‌های شدید که در حین گذر چرخ از روی سوزن سبب ایجاد تنش‌های قابل ملاحظه‌ای در سطح ریل می‌شود، به دلیل ماهیت تکرار شونده و مقادیر قابل ملاحظه خود در نهایت سبب ایجاد تخریب خستگی در سطح ریل می‌گردد. هدف از این پژوهش، انجام مطالعه عددی به روش المان محدود بر روی تکه مرکزی منوبلوک آر300 (uic60 r300)، تراورس‌ها و چرخ منوبلوک آرهفت‌تی (r7t) با پروفیل استاندارد 920 میلی‌متر اس1002 (ore s1002)، به منظور ارزیابی تنش‌ها، کرنش‌ها و نیروهای تماسی می‌باشد. در این پژوهش از مدل چرخ و ریل به همراه المان‌های فنر به منظور شبیه‌سازی مجموعه ریل، تراورس‌ها و چرخ قطار استفاده شده است. به منظور به‌دست آوردن منطقه بحرانی در مسیر تکه‌مرکزی، تحلیل دینامیکی سیر چرخ روی ریل شبیه‌سازی شده است. سپس در مدلی اصلاح شده که فقط شامل منطقه بحرانی از تکه‌مرکزی بوده از روش زیر-مدلسازی جهت تحلیل تنش دقیق استفاده شده است. جهت به دست آوردن خواص مکانیکی و خستگی تکه‌مرکزی نمونه‌های استاندارد تهیه شده از جنس ریل و تراورس‌ها تحت آزمون‌های کششی، فشاری و خستگی قرارگرفته‌اند. در نهایت از سه مدل پیش‌بینی عمر بر پایه تئوری صفحه بحرانی جهت تخمین عمر استفاده شده است. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد، قطعه تکه مرکزی در جهت عمق ریل و در صفحاتی که تنش‌های برشی ماکزیمم است مستعد به رشد ترک خستگی می‌باشد.

stress analysis of the railway turnout crossing using finite element method and life estimation with multi-axial fatigue criteria

in the rail system, the turnout crossing is prone to the growth of fatigue cracks and failure due to its strong contact with the train wheel. the intense contacts during the passage of the wheel cause significant stresses on the rail surface which cause fatigue damage. this is a numerical study using the finite element method on the central piece of the uic60 r300 mono-block, the traverses, and the r7t mono-block wheel with the ore s1002 920 mm standard profile, in order to evaluate the stresses, strains, and contact forces. in this research, the wheel and rail model along with the spring elements have been used in order to simulate the set of rails, traverses, and train wheels. to obtain the critical zone in the path, the dynamic analysis of the wheel pass on the rail has been simulated. then, in a modified model that only included the critical region, the sub-modeling technique was used for accurate stress analysis. in order to acquire the mechanical properties, the standard samples made of rail and traverses have been subjected to tensile, compressive and fatigue tests. finally, three life prediction models based on critical plane theory have been used to estimate life. the results of this research show that the turnout crossing is prone to fatigue crack growth in the direction of rail depth and in the plates where the shear stresses are maximum.