Modélisation de la tenue en fatigue d’essieux ferroviaires issus d’un procédé de forgeage

Fatigue design of the forged railway axles

• Auteur / Autrice : Sofiane Saad
• Direction : Philippe Dufrénoy, Éric Charkaluk, Vincent Magnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, Énergétique et Sciences des matériaux
• Date : Soutenance le 09/03/2016
• Etablissement(s) : Lille 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Lille (LML)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes résiduelles

Flexion (mécanique)

Éléments finis, Méthode des

Acier -- Fatigue

Conception et construction

Essieux

Trains à grande vitesse

Simulation par ordinateur

Forgeage

Mots clés libres

Chaînage numérique

Amorçage de fissures

Résumé

Dans un contexte économique compétitif au niveau des coûts de fabrication et des matières premières utilisées, un procédé innovant de conception et de fabrication des essieux ferroviaires est mis en place. Il consiste à forger des axes creux permettant une réduction significative de la consommation d’acier. Il s’agit d’analyser en quoi ces modifications de conception et de fabrication ont un impact sur la tenue en service et notamment sur la résistance aux sollicitations cycliques pouvant conduire à une rupture par fatigue. Suivant cet objectif, une chaîne numérique a été développée, allant de la simulation du procédé de fabrication jusqu’à l’analyse de la sollicitation cyclique en conditions de service. La première étape est la modélisation du procédé de forgeage afin de prédire les contraintes résiduelles et les déformations plastiques initiales. A partir de cet état de sollicitation, l’opération d’usinage et d’assemblage de la roue sur l’essieu, par frettage, est ensuite simulée afin d’analyser la redistribution des contraintes et des déformations. La dernière étape consiste à obtenir les trajets de sollicitations cycliques issus des sollicitations répétées du service permettant de disposer des données nécessaires pour l’analyse en fatigue. Les difficultés de ce type de simulation résident dans la conservation des états de contraintes et de déformations résiduelles aux différents stades de la simulation et dans la détermination de l’état mécanique stabilisé sous sollicitation cyclique. La méthode développée s’appuie sur la détermination de l’état mécanique asymptotique, permettant d’utiliser un critère de fatigue afin d’évaluer le risque d’amorçage de fissure.

In today’s competitive business environment, it has become increasingly important to reduce manufacturing and raw materials cost. For this purpose, an innovative process of design and manufacturing railway axles is developed. It is based on forging hollow axles, which allows a significant reduction in steel consumption. In this work, we tried to analyze how these modifications induced by the new process and design impact the service behavior and particularly the durability face to cyclic loadings that can lead to fatigue failure. In the present study, a numerical chain has been developed going from the simulation of the manufacturing process up to the analysis in fatigue. In the first step, the forging process is modeled in order to predict the residual stress field and the initial plastic strain. From this initial condition, the assembly operation of the wheel on the axle is simulated before the redistribution of stresses and strains under cyclic load. The final objective is to obtain the cyclic loading paths, in order to provide the data needed for the analysis of fatigue. The difficulties of this type of simulation are not only to keep the residual stress and deformation states at different stages of the numerical chain but also to obtain the stabilized cyclic response of the structure. The method developed is based on an implicit resolution to determine the asymptotic mechanical condition of the structure, which allows the use of a multiaxial fatigue criterion in order to evaluate the crack initiation risk.