FATIGUE DE CONTACT DE ROULEMENT

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 (porosité) 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.