Simulation numérique transitoire de la sollicitation cyclique du contact roue-rail

Transient numerical simulation of wheel-rail contact cyclic loading

• Auteur / Autrice : Loïc Saint-Aimé
• Direction : Philippe Dufrénoy, Éric Charkaluk
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 11/12/2017
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Lille (LML)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes résiduelles

Acier -- Fatigue

Écrouissage

Modélisation tridimensionnelle

Contact de roulement

Rails

Mots clés libres

Fissure de head check

Résumé

Sous l’effet des sollicitations mécaniques répétées induites par les passages des trains, on observe l’apparition de fissures de fatigue de contact dans les rails. Une fois amorcées, celles-ci peuvent se propager et mener à la rupture du rail. Dans un contexte d’intensification du trafic, l’optimisation de la politique de maintenance devient stratégique pour les entreprises du transport ferroviaire. Dans ce contexte, un modèle 3D éléments finis du contact roue/rail en courbe a été développé pour reproduire les mécanismes d’amorçage des fissures "Head Check". Ce modèle permet de simuler la sollicitation répétée du contact roue/rail. Cette modélisation a permis d’analyser l’influence de la plasticité sur la distribution de la pression de contact et sur les champs mécaniques résiduels au sein du rail au cours du chargement cyclique. Il ainsi est montré que l’actualisation du contact au cours des chargements répétés est du premier ordre. Les résultats ont permis d’identifier des zones potentielles d’amorçage de fissures de Head Check correspondant à des points matériels sur lesquels la déformation plastique s’accumule de manière considérable. En effet, on observe une correspondance entre ces orientations « accommodées » de la déformation plastique principale et l’orientation des micro-fissures amorcées sur la surface des rails ayant cumulé un faible tonnage (0-10 MGT). Ceci conforte le fait que la méthode proposée est un outil prometteur pour la simulation 3D de la fatigue du contact roue-rail.

As a result of repeated loading induced by train passages, rails are subjected to rolling contact fatigue cracks. Once initiated, cracks could propagate and lead to rail failure. In a context of increased traffic, maintenance policy optimization becomes strategic for railway companies. Thus to define an enhanced planning of maintenance, a better understanding of rail fatigue damage mechanisms is crucial. Under the circumstances, a 3D wheel-rail rolling contact finite element model has been developed in order to reproduce « Head Check » cracks initiation mechanisms. This model allows sequential repeated wheel-rail rolling contact loading. Thus this calculation procedure is used to analyze the influence of plasticity on contact pressure distribution and consequently on residual mechanical fields in the rail during cyclic loading. It is shown that contact conditions evolution during repeated loading must be considered in the first order. The results allowed the identification of potential Head Check cracks initiation zones that correspond to material points on which plastic deformation accumulates significantly. Indeed, there is a correspondence between the « accommodated » principal plastic strain directions and orientation of micro-cracks initiated on rails surface subjected to low cumulative tonnage (0-10MGT). This reinforces the fact that our proposed method is a promising tool for 3D wheel-rail rolling contact fatigue simulation.