RICERCA ITALIANA     

Modelli numerici per la previsione della vita a fatica per contatto di rotolamento

Politecnico di Bari

Abstract

Il programma di ricerca si sviluppera' su diversi temi, coordinati dai Proff. Demelio e Ciavarella, e in prosecuzione di attivita' intraprese negli ultimi 5 anni, anche in collaborazione con centri di eccellenza europei come Sheffield, Ecole Polytechnique, Leicester, etc.

Il programma di ricerca del Prof. Demelio esaminera' il meccanismo di rottura dovuta a difetti e inclusioni subsuperficiali. Esso verterà quindi intorno allo studio della concentrazione di tensione con metodi semi-analitici ad-hoc estendendo il lavoro sviluppato da Greenwood, validato con un metodo piu' sofisticato di Kelly et al., nonche' da una analisi ad elementi finiti.

Si passerà quindi ad un programma sperimentale, che permettera' di esaminare alcune correlazioni tra il limite di fatica a flessione e a RCF, in funzione della dimensione del foro circolare per acciai tipici di binari. Le prove sperimentali faranno uso della macchina di prova realizzata presso il DIMeG, permettendo entro certi limiti, di studiare l'effetto scala.

Una seconda parte del programma di ricerca sara' principalmente dedicata all'analisi del meccanismo di danneggiamento indotto dalle deformazioni plastiche, sia in termini di tensioni residue, sia per il calcolo dei criteri standard di fatica multiassiale, nonche' gli effetti delle deformazioni di ratchetting.

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giuseppe Pompeo DEMELIO Politecnico di BARI

Obiettivo del Programma di Ricerca

La fatica da contatto di rotolamento riguarda importanti applicazioni ingegneristiche, quali i cuscinetti di rotolamento, gli ingranaggi e il contatto ruota-rotaia. In quest'ultimo caso la frattura può interessare sia la ruota che il binario, senza che sia possibile rilevare apprezzabili segni premonitori e producendo gravi conseguenze in termini di danni alle persone e alle cose.
Le tre applicazioni citate sono riconducibili tutte alla fatica superficiale, ma sono tradizionalmente studiate e trattate in modo differente, trascurando l'approfondimento dei fenomeni di danneggiamento all'origine di tali differenze.
Esiste quindi la necessità di disporre di modelli predittivi affidabili, che siano frutto di una migliore comprensione dei fenomeni di danneggiamento e che consentano di inquadrare meglio le analogie e le differenze tra le varie applicazioni.
Nel caso di contatto ruota-rotaia sono stati individuati negli studi in letteratura differenti meccanismi di danneggiamento, costituiti principalmente da: fatica innescata in superficie, fatica con iniziazione sub-superficale e fatica che si genera da difetti posti in profondità.
Nel primo caso non si può prescindere dalla presenza in superficie di carichi elevati al punto da produrre deformazioni plastiche cicliche, che portano a meccanimi di danneggiamento per accumulo progressivo e/o per fatica oligociclica. Nella fatica che si origina subsuperficialmente (3-10 mm) i modelli >>>

Risultati parziali attesi

Unita' di ricerca coordinata dal Prof. Demelio:

1) Diagrammi di concentrazione delle tensioni in presenza di foro e inclusione in varie condizioni di carico, geometria, combinazione di materiali

2) Determinazione dei cicli di tensione (eventualmente multiassiali) per poro/inclusione sottosuperficiale

3) Diagrammi di Atzori-Lazzarin per carico Hertziano e cricca o poro/inclusione sottosuperficiale


Unita' di ricerca coordinata dal Prof. Ciavarella:

1) Tensioni residue per modelli perfettamente plastici (in particolare, componente idrostatica come richiesto dal criterio di DangVan);
2) Come 1 ma per il caso linear kinematic;
3) Come 1 ma per il caso modello di Bower non-linear kinematic;
4) Come 1 ma per il modello Chaboche.

Parametri per la Fatica Multiassiale:
5) criterio di DangVan ;
6) criterio di Papadopoulos ;
7) criterio Susmel-Lazzarin ;
8) confronto con criteri standard

Geometrie:
1) 2D contatto Hertziano (Carter type tractions);
2) Assialsimmetrico o 3D contatto Hertziano(tensioni tipo 'lemon like');

Condizioni di Carico (Q tangenziale, P normale):
1) rotolamento Puro,
2) rotolamento con Q/P>0 (trazione), fino allo slittamento Q/P=f;
3) rotolamento con Q/P<0 (frenatura), fino allo slittamento Q/P=-f.Risultati sperimentali
1) test >>>

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La fatica da contatto di rotolamento (RCF) rappresenta una delle aree più complesse nello studio della fatica dei materiali, dal momento che si colloca al confine tra fatica classica, meccanica della propagazione delle cricche e dei fenomeni di usura. Lo sviluppo di materiale rotabile ha avuto progressi continui e significativi dal lontano 1820 ad oggi a partire dal ferro agli acciai Bessemer fino agli attuali acciai perlitici ad elevato tenore di carbonio e basso contenuto di fosforo ed altre impurezze (ed agli acciai bainitici e Hadfield al manganese per i componenti degli gli scambi e degli incroci soggetti a più severe condizioni operative).
Questi miglioramenti nella metallurgia dei materiali hanno risolto una serie di problemi tecnici e permesso importanti progressi nelle ferrovie, ottenuti però indipendemente dalla comprensione dei meccanismi della RCF (Smith, [1]).

Poichè RCF e l'usura sembrano correlate sulla base di comuni meccanismi di rottura per ratchetting, cioè per accumulo progressivo di deformazioni tangenziali che crescono fino a raggiungere valori molto elevati, non è sorprendente che sia difficile ricondursi a casi semplici di fatica per la caratterizzazione meccanica dei materiali a RCF. Infatti, per lo studio del danneggiamento da usura, si utilizzano modelli empirici, quali ad esempio la legge di Archard, il cui coefficiente va valutato sperimentalmente dal momento che è soggetto a variazioni di diversi ordini di grandezza nei >>>