Studio della resistenza a fretting di assili ferroviari in presenza di difetti

The aim of the work, presented in this thesis, is to evaluate cracks propagation under a fretting fatigue on railway axles. Experimental tests on specific geometry of axles have been carried out with two test ring type: Minden (simple bending) and Vitry (3-point bending). A FEM analysis has been carried out to simulate experimental test and return true stresses in the critical regions of the shaft. Furthermore was adopted the Dang Van criterion and the Liu-Mahadevan criterion, widely used in literature for the prediction of fatigue life in rolling contact fatigue problems, to obtain the critical length of the crack along the damaged area. The axles processed in laboratory were inspected and conveniently sectioned to confirm analytical results: the length of the non-propagating cracks was analysed by the electron microscope (SEM). The first section of the thesis describes the fretting damage and shows axle’s geometry and the load condition in experimental test. The second part of the work applies the method to the finite element analysis in order to obtain the stress tensor on the contact surface and through the multiaxial fatigue criterion provides a prediction of the critical length of the cracks. Moreover, the results of the analytical approach are compared with the specimens tested and inspected with electron microscope. Finally, a feasibility analysis has performed in order to evaluate how the experimental tests on specimens in scale 1: 3 may be representative of the damage of the real components.

Per il seguente lavoro di tesi si è sviluppato un modello numerico con lo scopo di studiare il danneggiamento da fretting su assili ferroviari. L’obiettivo dell’analisi è quello di individuare quale sia la zona della portata più esposta alla nucleazione di cricche di fatica e di calcolare la lunghezza critica dei difetti dai quali è avvenuta la propagazione. Sono state eseguite delle apposite simulazioni FEM atte a riprodurre alcune prove sperimentali su assili full-scale e a restituire i valori locali di sollecitazione in corrispondenza del caletto. Gli sforzi risultanti, estrapolati dal programma ad elementi finiti, sono stati elaborati tramite due diversi criteri di fatica multiassiali: il criterio di Dang Van e il criterio di Liu-Mahadevan. Successivamente la correzione di El Haddad ha permesso di paragonare lo sforzo equivalente restituito dai criteri con il limite di fatica teorico del materiale e stimare la lunghezza critica del difetto che ha causato il cedimento nel corso dei test. Nella prima parte si discute brevemente del fenomeno di danneggiamento, delle principali problematiche in esercizio e dei metodi utilizzati per prevenire le rotture. Vengono inoltre presentate le prove sperimentali eseguite su assili full-scale nell’ambito del progetto Europeo Euraxles, che sono oggetto della modellazione numerica. La seconda parte del lavoro riguarda la realizzazione di una simulazione numerica dei test tramite il metodo agli elementi finiti e la successiva previsione della lunghezza critica del difetto ad opera dei criteri di fatica. Si è valutata la bontà della modellazione confrontando gli output delle previsioni con gli esiti delle prove e le osservazioni al microscopio elettronico. Infine, si è eseguita un’analisi di fattibilità finalizzata a valutare quanto i test sperimentali su provini in scala 1:3 possano essere rappresentativi del danneggiamento dei componenti reali al fine di avviare di una campagna di prove su assili a geometria ridotta.