Modélisation du comportement à la fatigue et à la fissuration d’un bogie de train
Zellagui redouane Faculté des sciences de l’Ingénieur,
laboratoire ingénierie des transports et environnement, Université Mentouri de Constantine 25000 Algeria
Email: [email protected]
Bellaouar ahmed Faculté des sciences de l’Ingénieur,
laboratoire ingénierie des transports et environnement, Université Mentouri de Constantine 25000 Algeria
Email: [email protected]
Abstract — This study is on the modeling of a self-rail in order to highlight some defects bogie. Indeed, during the operation it was noticed premature deterioration axes bogie. The purpose of this model is to present a numerical model to predict the mechanical behavior under various loads. The numerical model and geometry will be directed by Ansys software.
Mots clés : Modélisation; Comportement mécanique; Fissures;
Axes; Bogie.
I. INTRODUCTION
Les systèmes mécaniques de transmission de puissance doivent être de plus en plus fiable, cette tendance est vraie pour tous les systèmes de transports, les appareils de manutention etc. Les bureaux d’étude sont parfois confrontés à des problèmes de conception et d’intégration, exploitent de plus en plus les résultats des modèles numériques.
Aujourd’hui, on parle de maquette numérique de comportement mécanique globale. La modélisation numérique est devenue un outil incontournable pour gagner plus de temps et pour faciliter la mise en forme des systèmes complexes.
Notre travail s’inscrit dans de cette logique. Le mécanisme étudié est un bogie de train où certains éléments, tel que les axes, présentent des fissurations prématurées. Il comprend les composants qui contribuant a la transmission du couple des moteur jusqu’aux roues et la transmission des efforts exercés par la caisse jusqu’aux roues. Le bogie constitue un dispositif mécanique d’une grande importance dans l’architecture de train. D’un point de vue fonctionnel les organes qui le constituent sont les suivant : le châssis, les deux ensembles (essieux+roues), Les trois ensembles (ressort+boites d’essieux+disques de freins). Nous avons essayé de déterminée le champ de contrainte et de déformation en tête de fissure et la propagation de fissure.
II. DÉCOMPOSITION FONCTIONNELLE DU MÉCANISME
Le mécanisme étudié est présenté à la figure 1. Cette maquette numérique est très importante dans la modélisation puisque elle présente l’ensemble des liaisons entre les éléments constitutifs. Elle comprend tous les composant d’un bogie de train qui contribuent à la transmission du couple de moteur jusqu’aux à la transmission des efforts exercés par la caisse jusqu’aux roues. D’un point de vue fonctionnel .les organes qui constituent le mécanisme sont les suivants [2] : -Le châssis.
-Les deux ensembles « essieu+roues ».
-Les trois ensembles « ressort+boites d’essieux+disques de freins».
Fig 1: Mécanisme étudié.
Pour simplifier l’étude, on a séparé certaines pièces essentielles, qui peuvent êtres considérées comme des
éléments pénalisants. Chaque élément supporte différente sollicitation et présente plusieurs zones critiques.
Fig2 : Chassis de Bogie Fig 3 : Axe d’essieu
Fig 4: Ressort Fig 5 : La roue
D’après l’étude bibliographique on a vue que l’axe d’essieu contient les zones critiques les défavorables, la (figure 6) présente l’emplacement de la zone fissurée [5], [6], [7], [8].
Figure 6 : La zone très dangereuse dans essieu.
Les essieux-axes réalisés en acier au carbone XC38 (EA1N) à l’état normalisé, sont soumis à des sollicitations de flexion rotative. Il existe donc un risque de rupture par la propagation de fissures en fatigue.
Tableau 1 : Propriété mécanique d’acier XC38 [3].
Propriété mécanique valeur Module élastique 210000N/m Coefficient de poisson 0.26 Module de cisaillement 78000N/m
Densité 7300Kg/m2
Conductivité thermique 38w/(m.k) Chaleur spécifique 440J/(kg.k)
III. MÉTHODE NUMÉRIQUE
Le but visé par ce modèle est de déterminer le sens et l'amplitude de la contrainte maximale à la traction principale, ce qui donne lieu à l'apparition de fissures potentiel et la direction de propagation attendue. La contrainte maximale à la traction principale se trouve être sur la face interne à la jonction de l'enveloppe du récipient et de la manière de l'homme, à la figure 7. En outre, la contrainte principale maximale est orientée dans la direction circonférentielle de la cuve, représenté sur la figure 8. Il est probable qu'une fissure potentielle initie à l'emplacement de la contrainte principale maximale la plus élevée, et que la fissure se propage perpendiculairement à la direction de cette contrainte principale maximale.
Fig 7: Maillage de l’axe.
Fig 8: Vatiation de von misses.
Nous avons modélisé une section d’un axe d’essieu de locomotive comme une structure bidimensionnelle (185*135mm2) comportant une fissure (état de déformation plane), (figure 9) [4].
Fig 9: Representation du fissure.
Zones critiques
IV. PROCEDURES ET RESULTATS Ce travail est basé sur trois parties :
1. L’effet de l’inclinaison d’angle de la fissure :
Nous avons modélisé une fissure de longueur de 6mm et d’angle d’inclinaison variable qui est représentée sur la (figure 7).
2. Dans la deuxième partie nous avons étudié l’influence d’un défaut de 1mm de diamètre dans différentes positions.
3. Dans la troisième partie on a suppose que l’angle de l’inclinaison de la fissure soit 0° et il y a aucun défaut, et nous avons déterminé la propagation de la fissure.
D’après les figure (9,10) on voie clairement que les contraintes de Von mises augmentent avec l’augmentation de l’angle d’inclinaison, au même temps les déformations suivant X augmentent et diminue suivant Y.
Dans l’étude suivante on a choisi l’angle d’inclinaison a=
45° puisque c’est le cas le plus défavorable, on crée un défaut autour de la tête de fissure pour quatre différents cas qui sont représente sur la figure (11,12).Les figure(11,12) montrent que les valeurs des contraintes et déformations se diminue lorsqu’on s’éloignée de la tête de fissure.
1000 2000 3000 4000 5000
0,0000 0,0002 0,0004 0,0006 0,0008 0,0010 0,0012 0,0014 0,0016 0,0018 0,0020 0,0022 0,0024 0,0026 0,0028 0,0030 0,0032 0,0034 0,0036
Strain (%)
pressure applied (Pa)
=0°
=15°
=30°
=45°
1000 2000 3000 4000 5000
0,0000 0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 0,0035
Strain (%)
Pressure applied (Pa) a=0°
a=15°
a=30°
a=45°
Fig 9: évolution des déformations suivant X et Y.
1000 2000 3000 4000 5000
0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000
Von mises (MPa)
Pressure applied(Pa)
=0°
=15°
=30°
=45°
Fig 10: évolution de Von mises.
1000 2000 3000 4000 5000
30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000
Von mises stress (Pa)
Pressure applied (N/m) =0°
=30°
=60°
=90°
Without defauld
1000 2000 3000 4000 5000
0,0005 0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 0,0035
Strain (%)
Pressure applied (N/m) =0°
=30°
=60°
=90°
without default
Figure 11 : évolution de déformation suivant l’axe X et Y.
1000 2000 3000 4000 5000
0,0012 0,0014 0,0016 0,0018 0,0020 0,0022 0,0024 0,0026
Strain (%)
Pressure applied (N/m)
=0°
=30°
=60°
=90°
Without default
Figure 12 : évolution de la contrainte de Von mises.
Supposons que l'angle est de 0 ° et détermine les variations de différentes contraintes langueur de la fissure.
-0,02 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 220000
240000 260000 280000 300000 320000 340000 360000 380000 400000 420000 440000
Von mises (MPa)
Distance (mm) a=5mm a=6mm a=7mm a=8mm a=9mm
Fig 13: evolution of von misses stress.
0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12
100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 450000
von misess (MPa)
Distance (mm)
a=5mm a=6mm a=7mm a=8mm a=9mm
Fig 14: evolution of von misses stress.
-0,02 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 280000
300000 320000 340000 360000 380000 400000 420000 440000
Von mises (MPa)
Distance (mm) Quad 4 node 42 Quad 4 node 182
Fig 15: l’influence de maillage.
V. CONCLUSION
Les axes d’essieux sont des organes de bogie de train qui supportent des sollicitations mécaniques à grande nombre de cycle. Notre approche consiste à modéliser le comportement mécanique a la fatigue a la fissuration des axes dont le but est de montrer les différents états de contrainte et de déformation sous l’effet de l’inclinaison de fissure dans un ou il y a un pression hydraulique (différents fluides de lubrification donc différents pressions) qui sont les responsables des différentes dégradations.
REFERENCES
[1]. J. Campedlli. Modélisation globale statique des systèmes mécaniques hyperstatiques pre-charges (application a un bogie de train), 2005.
[2]. J.Rice, R.Rosengren. Plain strain deformation near a crack-tip in a power-law hardening material, 1968.
[3]. R.Smith, S.Hillmansen. Monitoring Fatigue in Railway Axles, 2001.
[4]. Carpinteri, R. Brighenti, A. Spagnoli. Fatigue growth simulation of part through flaws in thick walled pipes under rotary bending, 2000.
[5]. H. Weixing. Calculation and analysis of expanding fatigue cracks on axle, 1992.
[6]. Bower. The influence of crack face friction and trapped fluid in surface initiated rolling contact fatigue cracks, 1988.
