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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.3.2020.tde-24032021-154137
Document
Author
Full name
Ricardo Nunhez da Silva
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2020
Supervisor
Committee
Gay Neto, Alfredo (President)
Profito, Francisco José
Scandian, Cherlio
Title in Portuguese
Modelagem numérica de ensaios de contato disco-disco para avaliação do campo elástico de tensões em cenários de rolamento.
Keywords in Portuguese
Curvas de creep
Ensaio disco-disco
Mecânica do contato
Método dos elementos finitos
Modelos numéricos
Rodas
Trilhos
Abstract in Portuguese
Estudos recentes vêm procurando investigar fenômenos de contato mecânico por meio de modelos computacionais. Muitas vezes, no contexto roda-trilho em aplicações de engenharia ferroviária, o contato roda-trilho e fenômenos relacionados são estudados por meio de ensaios físicos disco-disco. O cenário de rolamento promovido pelo ensaio, embora simplificado, fornece dados consistentes para o estudo dos fenômenos. Porém, ao mesmo tempo, o controle dos parâmetros de ensaio e seu viés físico-experimental tornam a análise detalhada dos campos de tensões e deformações envolvidos mais dificultada. Modelos analíticos e numéricos, dessa forma, podem ser vistos como complementares aos experimentos, uma vez que procuram prever campos de tensões e deformações nos materiais. Nesse contexto, essa dissertação procura, em primeiro lugar, avaliar a condição de contato em ensaios disco-disco por meio de simulações computacionais de mecânica dos sólidos, utilizando-se do Método dos Elementos Finitos (MEF). Essa abordagem traz liberdade no processo de modelagem, dado o caráter geral do método, e é de grande valia, particularmente, para o estudo da fadiga e do desgaste, problemas muito frequentes no sistema ferroviário. Para se realizar simulações do cenário do ensaio existe a dificuldade de representar no modelo todos os aspectos inerentes ao sistema, em especial, a cinemática dos discos. A taxa de deslizamento relativo entre os discos, parâmetro cinemático chave no ensaio, representa uma etapa crucial na modelagem. É por meio dela que se estabelece a relação constitutiva do contato, manifestada na chamada curva de creep. Existem também programas específicos, como o CONTACT, onde as particularidades do contato com rolamento são facilmente manipuladas e são tomados como referências de comparação.Os resultados numéricos aqui apresentados servem de embasamento conceitual para melhor interpretar resultados experimentais de um ensaio disco-disco. Além disso, o estudo numérico permite uma avaliação detalhada dos estados de tensão e de deformação do cenário dos discos. Isso auxiliará estudos que objetivam prever o local dos pontos candidatos a nucleação de trincas e das maiores taxas de desgaste. Esse trabalho, assim, representa uma ponte conceitual entre um cenário idealizado do contato roda-trilho representado em laboratório experimental e seu entendimento sob uma perspectiva de modelagem computacional.
Title in English
Numerical modeling of the twin-disc test for elastic stress field evaluation in rolling scenarios.
Keywords in English
Contact mechanics
Creep curves
Numerical models
Twin-disc test
Abstract in English
Recent studies have been aiming to evaluate mechanical contact phenomena through numerical simulations. Commonly, in the wheel-rail context for Railway Engineering applications, the wheel-rail contact and related phenomena has been addressed by the twin disc test approach. Although the rolling scenario present in the test is simplified, it offers reliable source for the study of the phenomena. Nevertheless, at the same time, the test control parameters and its physical-experimental nature turn out the stress-strain field analysis much more difficult. The numerical model, by this way, represents a complementary way for this study, since stress and strain fields are able to be addressed.Present work seeks, in a first moment, to evaluate and understand the contact nature in twin- disc test with the aid of computational simulations using mainly Finite Element Methods. This approach brings a clear way in the modelling process due to its general features, especially for the study of wear and fatigue, which are common problems in railways. At the same time, the reproduction of all inherent characteristics of the test is a difficult task, specially the discs kinematics. The relative slip rate of the discs, a key kinematic parameter of the test, represents a crucial step of the modelling process. By means of this rate it is possible to reproduce the constitutive relation of the contact, translated into a curve called creep curve. There are also specific software, such as CONTACT, where the inherent characteristics of the rolling contact are easily manipulated, and can be used as reference for the sake of comparison. The numerical results will be a conceptual base for better evaluation of the experimental results. Moreover, the numerical study will allow a detailed evaluation of the discs stress-strain states. It will help in studies where the prediction of the crack initiation candidate points and wear rate are sought. Therefore, this work represents a conceptual link between an idealized test environment and the understanding of a more realistic scenario, such as the wheel-rail contact.
 
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Publishing Date
2021-04-01
 
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