Modélisation de l'assemblage roue/essieu ferroviaire et de sa tenue en fatigue sous chargement cyclique

Modeling of the railway wheelset and its fatigue strength under cyclic loading

• Auteur / Autrice : Baptiste Hendrycks
• Direction : Philippe Dufrénoy, Vincent Magnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMcube - Laboratoire de mécanique, multiphysique, multiéchelle
• Jury : Président / Présidente : Mirentxu Dubar
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Omar Bettinotti
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Habibou Maitournam, Honoré Yin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acier -- Fatigue

Mécanique du contact

Simulation par ordinateur

Essieux

Roues

Trains

Mots clés libres

Frettage

Flexion rotative

Fatigue multiaxiale

Méthode des sauts de cycles

Contact

Press fitting

Rotating bending

Multiaxial fatigue

Numerical simulation

Skipped cycles

Résumé

Cette thèse a pour objectif de proposer des modèles numériques permettant une meilleure compréhension du comportement en fatigue de l'assemblage roue-essieu ferroviaires.Un premier modèle simule l'opération de calage des roues sur les portées de l'essieu. Pour sa réalisation, une attention particulière a été portée au comportement en friction entre la roue et l'essieu ce qui a notamment permis de montrer une dépendance du facteur de frottement à la pression de contact. Aussi, la simulation met en évidence la création d'une singularité géométrique en début d'opération ayant une influence sur la distribution de contraintes dans la structure.Ensuite, un modèle permet la simulation de la sollicitation cyclique multiaxiale subie par un assemblage roue/essieu éprouvette échelle 1. Un modèle de comportement pour l'acier EA1N, utilisé pour la fabrication des essieux, a été développé afin de traduire à la fois la réponse monotone et cyclique du matériau. Le choix d'un niveau de chargement élevé a permis à ce modèle de caractériser l'influence du contact en montrant une déformation importante de la portée lorsqu'il y a ouverture.Afin d'avoir un dimensionnement en fatigue compatible avec le bureau d'étude, la méthode des sauts de cycles a été choisie afin de calculer rapidement un état mécanique stabilisé. L'utilisation de cette méthode dans un premier temps sur un assemblage roue/essieu simplifié, puis sur un cas réel montre une bonne précision des résultats malgré une dépendance au raffinement locaux et au comportement matériau développé qui peut contraindre le temps de calcul.Enfin, on s'intéresse à la durée de vie en fatigue de la structure avec l'application d'un critère de fatigue sur l'état stabilisé. On propose également une discussion à partir de trajets de chargement, notamment sur l'apparition de cisaillement alterné sur la portée de l'essieu.

The objective of this thesis is to propose numerical models allowing a better understanding of the fatigue behavior of the railway wheel-axle assembly.A first model simulates the press fit operation in the assembly of a railway axle and wheel. A particular attention was paid to the friction between the wheel and the axle, which notably made it possible to show a dependence of the friction factor on the contact pressure. Also, the simulation highlights the creation of a geometric singularity at the start of the operation having an influence on the distribution of stresses in the structure.Then, a model simulates the multiaxial cyclic stress on a scale 1 test specimen wheel/axle assembly. A behavior model for the EA1N steel, used for the axles, was developed in order to be used for both monotonic and cyclic problems. This model, with a high loading level, shows a significant deformation of the wheel seat with the contact opening.The skipped cycles method was chosen in order to quickly calculate a stabilized mechanical state. The use of this method initially on a simplified wheel/axle assembly, then on a real case shows good precision of the results despite a dependence on local refinement and the developed material behavior which can constrain the calculation time.Finally, we calculate the fatigue strength of the structure with the application of a fatigue criterion. We also propose a discussion based on loading paths, in particular on the appearance of alternating shear on the wheel seat.