Contribution au dimensionnement des roues ferroviaires en fatigue de contact de roulement

Contribution to the design of railway wheels in rolling contact fatigue

• Auteur / Autrice : Amavi Mawulé Guissou Langueh
• Direction : Philippe Dufrénoy, Éric Charkaluk, Jean-François Brunel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 10/06/2013
• 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

Éléments finis, Méthode des

Contraintes résiduelles

Plasticité

Acier

Contact de roulement

Simulation par ordinateur

Trains

Mots clés libres

Algorithme stationnaire

Résumé

L'augmentation des charges transportées par essieu, des vitesses de circulation et l’état des voies peuvent conduire à des endommagements des roues en surface ou sous-surface, généralement appelés écaillage. L’objectif de cette thèse est de développer une approche complète de dimensionnement des roues ferroviaires en fatigue de roulement permettant de prendre en compte les sollicitations locales via la géométrie réelle du contact roue/rail, le comportement inélastique du matériau de la roue (acier) et les conditions d'exploitation. A l’heure actuelle, les méthodes de dimensionnement des roues ne permettent pas de prendre en tous ces éléments au travers d’une même simulation. L’algorithme stationnaire fondé sur la formulation eulérienne est utilisé pour déterminer l’état stabilisé de la structure. L’influence du glissement, du mésalignement, de la position du chargement, et de la nuance d’aciers sur la réponse mécanique, les trajets de chargement en fatigue et la limite d’adaptation a été étudiée. Les critères de fatigue de Dang Van et de Manson-Coffin sont principalement utilisés pour l’analyse en fatigue. Les résultats obtenus permettent la construction de cartes d’adaptation numérique et celles-ci sont alors discutées. D'autre part, l’influence des contraintes résiduelles introduites par le traitement thermique de la bande de roulement est analysée. Il est montré qu’elles modifient les contraintes hydrostatiques comme c'est généralement le cas en fatigue, mais aussi le cisaillement mésoscopique, qui constitue un résultat nouveau.

The increasing of the railways axles loads; the traffic speeds and track conditions can lead to surface and sub-surface damage of wheel, usually called scaling. The aim of this thesis is to develop a numerical approach of railways wheel design in rolling contact fatigue which takes into account the local solicitations via the real geometric of rail/wheel contact, the inelastic behavior of the wheel material (steel) and the operating conditions. At present, the simplified methods for the wheel design are not possible to take all these elements through a single simulation. The stationary algorithm based on the Eulerian formulation is used to determine the steady state of the structure. The influence of the slip, the slip angle, the position of the load and the steel grades on the mechanical response, the fatigue loading paths and the shakedown are investigated. For the fatigue analysis, the criteria of Dang Van and Manson-Coffin are used. The results allow the establishment of the numerical shakedown maps and these are then discussed. Furthermore, the influence of residual stresses introduced by the heat treatment of the tread is analysed. It is shown that they modify the hydrostatic pressure as it is usually the case in fatigue, but also the mesoscopic shear stress, which is a new result.