Experimental multiaxial ratcheting tests and finite element based models for ratcheting damage prediction in railway wheels

The growing interest in reducing greenhouse gas emissions is driving innovation and optimization in the transport sector. The railway system plays a crucial role in improving energy efficiency, pushing towards higher traffic and axle loads. A key aspect is the wheel–rail interaction, characterized by severe contact stresses that lead to material damage and require effective maintenance strategies. This thesis investigates the ratcheting behaviour of ER8 wheel steel, focusing on the accumulation of plastic deformation near the rolling contact surface, a primary cause of wear and crack initiation in wheels and rails. Uniaxial and multiaxial experimental tests were performed under stress- and strain-controlled conditions to characterize the material response. The experimental results were used to calibrate the nonlinear combined isotropic–kinematic Chaboche model, which was implemented in a finite element framework to reproduce rolling–sliding contact loading conditions. Two representative contact scenarios, derived from the load spectra of a high-speed route multibody simulation, were analysed and compared. A damage prediction model was applied to assess the location and initiation life of ratcheting damage on the wheel tread and flange. While experimental techniques remain essential for material characterization, they are limited in providing detailed stress–strain information during service. The proposed numerical model represents a valuable tool for investigating plastic deformation and contributes to improved damage initiation prediction, material design, and wheel maintenance planning.

Il crescente interesse verso la riduzione delle emissioni di gas serra sta guidando l’innova-zione e l’ottimizzazione nel settore dei trasporti. Il sistema ferroviario svolge un ruolo cruciale nell'aumentare l’efficienza energetica, ottenuta con l'aumento del traffico e dei carichi in movimento. Un aspetto chiave è l’interazione ruota–rotaia, caratterizzata da elevati sforzi di contatto che portano al danneggiamento del materiale, richiedendo strategie di manutenzione efficaci. Questa tesi studia il comportamento dell’acciaio per ruote ER8, concentrandosi sull’accumulo di deformazione plastica in prossimità della superficie di contatto, che rappresenta una delle cause di usura e innesco di cricche in ruote e rotaie. Lo svolgimento di prove sperimentali monoassiali e multiassiali in controllo di sforzo e di deformazione ha permesso di caratterizzare la risposta del materiale, e in particoare il ratcheting. I risultati sono stati utilizzati per calibrare il modello costitutivo isotropo–cinematico di Chaboche, implementato in un modello agli elementi finiti capace di riprodurre condizioni di carico da contatto volvente–strisciante. Due scenari rappresentativi sono stati estrapolati dagli spettri di carico in una simulazione multibody di una tratta ad alta velocità. In seguito all'analisi e al confronto dei risultati, è stato applicato un modello di previsione del danno per valutare la posizione e la vita a fatica per ratcheting sulla tavola di rotolamento e sul bordino della ruota. Sebbene le tecniche sperimentali rimangano fondamentali per la caratterizzazione del materiale, esse sono limitate nel fornire informazioni dettagliate sullo stato di sforzo e deformazione durante l’esercizio. Il modello numerico proposto rappresenta un valido strumento per lo studio della deformazione plastica e contribuisce a migliorare la previsione della nucleazione di cricche, la progettazione dei materiali e la pianificazione della manutenzione delle ruote.