Modelo elastoplástico para avaliação rápida da vida em fadiga de trilhos ferroviários submetidos a carregamentos de contato variáveis

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Costa, Thairon Reis, 1989-
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Tese
Idioma: por
Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/20.500.12733/5751
Resumo: Orientadores: Auteliano Antunes dos Santos Júnior, Allan Patrick Cordeiro Dias
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Inicialmente, o trilho é modelado utilizando o Método dos Elementos Finitos – MEF, considerando regime linear elástico; e a aplicação de carga de contato é feita utilizando uma abordagem analítico-numérica. Em seguida, um conjunto de simulações é realizado empregando uma estratégia especialmente desenvolvida para obter a resposta pseudo-elástica do trilho para quaisquer posições e áreas de contato. O resultado desse conjunto de simulações é organizado de modo a gerar um mapa, com o qual o ciclo das componentes da tensão pseudo-elástica referente a uma passagem de roda pode ser definido para qualquer condição de contato (dimensão da área de contato, posição e cargas normal, lateral e longitudinal). Utilizando o mapeamento previamente obtido e dados de simulações de dinâmica de multicorpos, o histórico das componentes de tensão pseudo-elástica é calculado. As tensões pseudo-elásticas são então convertidas em elastoplásticas utilizando um algoritmo incremental, proposto originalmente para correção de tensões em entalhes e estendido no presente trabalho para o caso do contato em rolamento. As tensões elastoplásticas são utilizadas para avaliação de falha por Fadiga Multiaxial empregando o modelo de Dang Van. A análise e os resultados foram comparados com os resultados obtidos com um modelo elastoplástico não linear amplamente utilizado na literatura, que emprega o MEF, para um carregamento típico de ferrovias heavy haul. Para a análise comparativa de fadiga, duas abordagens diferentes foram empregadas, uma baseada em tensões e outra em deformações. A comparação do dano calculado com o modelo proposto e com o modelo não linear em MEF mostrou que o modelo desenvolvido é adequado para avaliar a vida em fadiga de trilhos. A principal vantagem do novo modelo em relação a outros modelos presentes na literatura é a de ser rápido sem comprometer a precisão dos resultados. Enquanto o modelo não linear baseado no MEF requer 40 horas de simulação para calcular um ciclo de contato de rolamento, o modelo proposto requer apenas 8 horas de simulação, requerendo apenas alguns segundos adicionais por ciclo para calcular uma resposta elastoplástica completa. Devido à sua rapidez, o modelo proposto viabiliza a obtenção da resposta de tensões para longos históricos de carga em problemas reaisAbstract: This work proposes a model for fatigue life evaluation of railroad rails subjected to rolling contact loads which produces results faster than the models currently employed in the literature. The accuracy of the proposed model is high enough for use in multiaxial fatigue analysis and can be adapted for other applications. Initially, the rail is modelled with the Finite Element Method – FEM, considering the linear elastic regime; the load application is done by a coupled analytical and numerical approach. Then, a set of simulations is executed by employing a specially developed strategy to get the pseudo-elastic response of the rail for any position and contact area. This set of pseudo-elastic responses is arranged to generate a map with which the cycle of the pseudo-elastic stress components referring to a wheel passage can be defined for any contact condition (contact dimensions, position, and normal, lateral, and longitudinal loads). Using the previously obtained map, and data from multibody dynamics simulations, the time histories of the pseudo-elastic stress components are calculated. The pseudo-elastic stresses are converted into elastic-plastic stresses by using an incremental algorithm originally proposed for notch root stresses. The approach is extended to the rolling contact problem in this work. The elastic-plastic stresses are used for the multiaxial fatigue analysis by employing the Dang Van fatigue criterion. The analysis and the results of the proposed model were compared with results obtained from a non-linear elastic-plastic model employing FEM, that is widely used in the literature. A typical load case observed in heavy haul railroads is simulated using the non-linear model in FEM and in the proposed model. For the comparative fatigue analysis, two fatigue approaches are used: stress-based and strain-based. The comparison of the damage calculated with the proposed model and with the non-linear model in FEM showed that the proposed model is suitable for evaluating the fatigue life of rails. The main advantage of the new model when it is compared to other models present in the literature, is that it is fast, and the accuracy of the results is not compromised. The non-linear model in FEM requires 40 hours of simulation to calculate one rolling contact cycle. To accomplish the same task, the proposed model requires a set of pseudo-elastic responses which can be obtained in only 8 hours of simulation. The set of pseudo-elastic responses is calculated only once and, additionally, only a few seconds per cycle are needed to calculate the complete elastic-plastic response. Due to the significant reduction in the calculation time, the proposed model enables quick the calculation of long elastic-plastic responses observed in real problemsDoutoradoMecânica dos Sólidos e Projeto MecânicoDoutor em Engenharia Mecânica[s.n.]Santos Júnior, Auteliano Antunes dos, 1963-Dias, Allan Patrick Cordeiro, 1984-Pavanello, RenatoBittencourt, Marco LúcioSouza, Roberto Martins deGay Neto, AlfredoUniversidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Faculdade de Engenharia MecânicaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia MecânicaUNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINASCosta, Thairon Reis, 1989-20222022-06-03T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdf1 recurso online (108 p.) : il., digital, arquivo PDF.https://hdl.handle.net/20.500.12733/5751COSTA, Thairon Reis. Modelo elastoplástico para avaliação rápida da vida em fadiga de trilhos ferroviários submetidos a carregamentos de contato variáveis. 2022. 1 recurso online (108 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: https://hdl.handle.net/20.500.12733/5751. 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