تحليل مكانيك شكست ترك ستاره اي درز ريل و معرفي پارامترهاي موثر بر نرخ رشد ترك

Fracture mechanics analysis of rail-end bolt hole crack and effects of different parameters on fatigue crack growth rate

امروزه اغلب خطوط به صورت جوشكاري شده پيوسته اجرا شده و درز ريل پيچي كمتر استفاده مي شود. اما اين نوع اتصال ريل ها به دليل كاربرد در سيستم علايم الكتريكي و مدار راه، همچنان مورد استفاده قرار مي گيرد. رشد ترك ستاره اي (ترك سوراخ پيچ ريل)، يكي از دلايل اصلي شكست ريل در ناحيه درز بوده و از نقطه نظر ايمني نيز حايز اهميت مي باشد؛ زيرا اگر در حين عبور قطار اين شكستگي رخ دهد، منجر به خروج از خط خواهد شد. مشاهدات ميداني نشان مي دهد كه اين ترك ها اغلب در جداره اولين سوراخ جوانه زده و با زاويه حدود 45 درجه، به سمت تاج و پاشنه ريل رشد مي كنند. در اين پژوهش، ابتدا با استفاده از روش اجزا محدود، مدلي براي درز ريل ارايه و به صورت شبه استاتيكي تحليل شده است. پس از آن، ضمن بررسي روند تغييرات ضرايب شدت تنش براي حالت هاي مختلف، محدوده اي كه در آن حداكثر مقدار ضريب شدت تنش معادل ايجاد مي شود، تعيين شده است. سپس تاثير تغييرات سه پارامتر بار محوري، سرعت قطار و سختي تكيه گاه ريل بر مقدار ضريب شدت تنش معادل و نسبت KI به KII بررسي شده است. در پايان، مساله رشد ترك خستگي بر اساس رابطه پاريس، براي 5 حالت مختلف تحليل شده است. به كمك معيار حداكثر تنش مماسي، امتداد رشد ترك در هر مرحله به دست آمده و نهايتا طول بحراني ترك و تعداد كل سيكل هاي بارگذاري تا لحظه شكست محاسبه شده است. نتايج نشان مي دهد كه ضريب شدت تنش معادل به نيروي چرخ حساسيت بيشتري دارد. همچنين نرخ رشد ترك با افزايش نيروي چرخ و يا كاهش سختي تكيه گاه ريل، به طور تصاعدي افزايش مي يابد. از نتايج كاربردي اين مقاله مي توان به بهينه سازي امور نگهداري خط و تصميم گيري در مواردي همچون تعويض ريل ترك خورده يا عدم آن و زمان بندي مناسب جهت بازرسي هاي درز ريل اشاره كرد.

Bolted rail joints are one of sensitive components in railway tracks which is used in signaling and broken rail identification systems. Rail joints are the most vulnerable spots in the track structure and many man-hours are spent on their maintenance. A common mode of failure in bolted rail joints is fatigue crack initiation and growth from the bolt holes at the end of the rail. Nowadays, fatigue and fracture of railway track components has been a critical problem. Consequently it caused high cost of maintenance and it threatened the safety of mobility. On the other hand, in addition to casualties and financial loss, this occurrence could have serious consequences. The fatigue failure around rail-end bolt holes is particularly dangerous since it leads to derailment of trains and consequently occurs inevitable accidents. However, researchers have not treated the crack growth in much detail. Therefore, this research will focus on fracture mechanics analysis of the rail-end bolt hole crack. Firstly, a 3D finite element model of rail joint has been provided using commercially available software Abaqus/CAE. In this study, FE models analyzed quasi-statically. After the verification of model and checking the condition of LEFM, fracture mechanics analysis of cracks were carried out. In this stage, considering the stress intensity factor of cracks, the effects of variation of axle load, train speed and the rail support stiffness was determined on the equivalent stress intensity factor and the ratio of KI to KII. In addition, step by step fatigue crack growth analysis has been conducted based on Paris law and Maximum Tangential Stress (MTS) criterion. As a result, the estimation of cracks path and cracks growth rate were obtained