Fatigue de contact de roulement

Rolling Contact Fatigue

• Auteur / Autrice : Médiateur Nemeyuko
• Direction : Abderrahim Zeghloul, Norman Mathieu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 03/04/2023
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Hamid Zahrouni
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abderrahim Zeghloul, Norman Mathieu, Omar Oussouaddi, David Thévenet, Fazilay Laraba Abbes
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Omar Oussouaddi, David Thévenet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rails

Détérioration

Roues

Trains

Éléments finis, Méthode des

Rupture, Mécanique de la

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Corrosion de contact

Contact de roulement

Mots clés libres

Mécanique de la rupture

Mécanique du contact

Endommagement par fatigue

Fatigue de Contact de Roulement

Simulation numérique

Eléments finis

Fracture mechanics

Contact mechanics

Fatigue damage

Rolling Contact Fatigue

Numerical simulation

Finite element

Résumé

Dans ce travail, un modèle bidimensionnel par éléments finis est utilisé pour simuler la réponse mécanique d'une roue ferroviaire roulant sur un rail. Le matériau (acier pour roue) est élastoplastique avec une loi de comportement de Chaboche-Lemaitre combinant l'écrouissage isotrope et l'écrouissage cinématique non linéaire. Les contraintes et les déformations locales dans la zone près de la surface de contact roue-rail sont calculées en fonction de la charge par essieu, du coefficient de frottement et de la force centrifuge. A l'interface roue-rail, les forces tangentielles dues au frottement sont prises en compte. On suppose que le contact roue-rail est situé entre le boudin de la roue et le congé de roulement du rail pour des valeurs relativement faibles du coefficient de frottement (µ ≤ 0.05) pendant la phase de traction et entre la bande de roulement de la roue et le champignon du rail pour des valeurs relativement élevées du coefficient de frottement (0.1 ≤ µ ≤ 0.4) pendant la phase de freinage. En première approximation, on suppose que le contact roue-rail est similaire à un contact entre un cylindre et un plan, qui est linéique; ensuite on suppose que ce contact est similaire à un contact entre deux cylindres à axes perpendiculaires, qui est elliptique. Les écarts entre les résultats obtenus dans le cas linéique et ceux obtenus dans le cas elliptique ont été analysés. Pour valider le modèle numérique du contact roue-rail, on compare les évolutions des contraintes normales et de cisaillement obtenues analytiquement par la théorie du contact de Hertz (en élasticité plane) dans Matlab et celles obtenues numériquement sous Abaqus. La quantification de l'endommagement par fatigue de contact de roulement est réalisée en utilisant le critère de fatigue multiaxiale modifié de Jiang-Sehitoglu et le calcul de la durée de vie d'une roue ferroviaire N_f est effectuée à l'aide de la relation entre le paramètre de fatigue maximum FP_max et la loi de Smith-Watson-Topper sur un plan critique où s'amorce une fissure de fatigue. Le diagramme d'accommodation a été construit en considérant une roue ferroviaire sans défaut dans le cas d'un contact roue-rail linéique et le cas d'un contact roue-rail elliptique. La fatigue de contact de roulement d'une roue ferroviaire a été étudiée par la technique de sous modélisation. Un défaut géométrique est inséré dans la section de la roue ferroviaire afin d'étudier son effet, notamment celui de sa forme, sur la fatigue de contact de roulement. Ce défaut est situé à une profondeur où se situe la valeur maximale de la contrainte de cisaillement tau_max. Les résultats obtenus dans le cas sans défaut, dans le cas d'un défaut circulaire et dans le cas d'un défaut elliptique ont été comparés. L'influence des paramètres du matériau sur la fatigue de contact de roulement d'une roue ferroviaire dans le cas sans défaut et dans le cas avec un défaut circulaire a été étudiée. L'influence de la force centrifuge a été étudiée dans le cas sans défaut.

In this work, a two-dimensional finite element model is used to simulate the mechanical response of a wheel rolling on a rail. The material (wheel steel) is elastoplastic with a Chaboche-Lemaitre behavior law combining isotropic and nonlinear kinematic strain hardening. The local stresses and strains in the area near the wheel-rail surface are calculated as a function of axle load, friction coefficient, and centrifugal force. At the wheel-rail interface, tangential forces due to friction are taken into account. It is assumed that the wheel-rail contact is located between the wheel flange and the rail gauge corner for relatively low values of the friction coefficient (µ ≤ 0.05) during the traction phase and between the wheel tread and the rail head for relatively high values of the friction coefficient (0.1 ≤ µ ≤ 0.4) during the braking phase. As a first approximation, we assume that the wheel-rail contact is similar to a contact between a cylinder and a plane, which is linear; then we assume that this contact is similar to a contact between two cylinders with perpendicular axes, which is elliptical. The differences between the results obtained in the linear case and those obtained in the elliptical case are studied. To validate the numerical model of the wheel-rail contact, the evolution of the normal and shear stresses obtained analytically by the Hertz contact theory (plane elasticity) in Matlab and those obtained numerically in Abaqus are compared. The quantification of rolling contact fatigue damage is performed using the modified Jiang-Sehitoglu multiaxial fatigue criterion and the calculation of the life of a railway wheel N_f is performed using the relationship between the maximum fatigue parameter FP_max and the Smith-Watson-Topper law on a critical plane where a fatigue crack initiates. The shakedown map was constructed considering a defect-free wheel in the case of a linear wheel-rail contact and in the case of elliptical wheel-rail contact. The rolling contact fatigue of a railway wheel has been studied by the sub-modeling technique. A geometric defect is inserted in the railway wheel section to study its effect, particularly the effect of its shape, on rolling contact fatigue. This defect is located at a depth where the maximum value of the shear stress tau_max is located. The results obtained in the case without defect, in the case of a circular defect, and in the case of an elliptical defect were compared. The influence of the material parameters on the rolling contact fatigue of the railway wheel in the case without defect and in the case with a circular defect was studied. The influence of the centrifugal force was studied in the case without defect.