Seo, Jung-Won;Kwon, Seong-Tae;Lee, Dong-Heong;Kwon, Seok-Jin
Proceedings of the KSR Conference
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2011.10a
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pp.637-642
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2011
Rails are subjected to damage from rolling contact fatigue, which leads to defects such as cracks. Rolling contact fatigue damages on the surface of rail such as head check, squats are one of growing problems. Another form of rail surface damage, known as "Ballast imprint" has become apparent. This form of damage is associated with ballast particles becoming trapped between the wheel and the surface of rail. These defects are still one of the key reasons for rail maintenance and replacement. In this study, we have investigated whether the ballast imprint is an initiator of head check type cracks and effect of defect size using Finite element analysis. The FE analysis were used to investigate stresses and strains in subsurface of defects according to variation of defect size. Based on loading cycles obtained from FE analysis, fatigue analysis for each point was carried out.
In this study, fatigue testing was carried out for long-term use of rail according to track type. From S-N curves for 50%~0.01% failure probability, the fatigue life of the long-term use rail for each track type was derived using the weight probability analysis technique on the experimental data. Because the rails used in the fatigue test have different cumulative tonnages, the number of repetitions was modified by averaging the cumulative tonnage. In addition, the bending stresses of rail bottoms, considering rail surface irregularities, track support stiffnesses and train speeds, were evaluated using the predicted rail bending stresses derived from existing studies. As a result, for rail fatigue life evaluation, the fatigue life of rail on the ballast track was found to be more than 200 million tons higher than the standard value for rail replacement. Also, the fatigue life of rail on concrete track is more than 300 million tons higher than that on ballast track. The Haibach rule is adaptable for the fatigue life evaluation of rail for stress range under fatigue limit.
In this study, contact fatigue in wheel-rail contact is simulated. It is necessary to calculate contact stress and subsurface stresses accurately to predict fatigue behavior. Contact stresses are obtained by contact analysis of semi-infinite solid based on influence function and subsurface stress field obtained by using rectangular patch solutions. Based on these stress values, several multiaxial high-cycle fatigue criteria are used and the critical loads corresponding to fatigue limits are calculated. The simulation results show that the critical load is decreasing rapidly and the site of crack initiation also moves rapidly to the surface from the subsurface when friction coefficient exceeds a specific value for all of three fatigue criteria.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.28
no.5
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pp.565-571
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2011
Because most fatigue cracks in wheel and rail take place by rolling contact of wheel and rail in railroad industry, it is critical to understand the rolling contact phenomena, especially for the three-dimensional situation. This paper presents an approach to steady-state rolling contact problem of three-dimensional contact bodies, with or without tangential force, based on the finite element method. The steady-state conditions are controlled by the applied relative slip and tangential force. The three-dimensional distribution of tangential traction and contact stresses on the contact surface are investigated. Results show that the distribution of tangential traction and contact stresses on the contact surface varies rapidly as a result of the variation of stick-slip region. The tangential traction is very close in form to Carter's distribution.
Ratcheting is a cyclic accumulation of strain under a cyclic loading. It is a kind of mechanisms which generate cracks in rail steels. Though some experimental and numerical study has been performed, modeling of ratcheting is still a challenging problem. In this study, an elastic-plastic constitutive equation considering non-linear kinematic hardening and isotropic hardening was applied. Under the tangential stress of the contact stresses, a cyclic stress-strain relation was obtained by using the model. Strain under repeated cycles was accumulated.
The rail surface defects can cause the high impact load on the track and lead to the progress of the rail fatigue damage and the rail break. In case of the rail break, there is a great deal of risk for derailment, and thus the maintenance criteria for the rail surface defects are of great importance. In this study, using the dynamic train-track interaction analysis program, the impact wheel loads and rail bending stresses according to the depths of the surface defects have been calculated with the input data of the rail surface irregularities measured at 43 spots with surface defects in the ballasted track of high-speed railway. Considering the irregularity of track geometry, the allowable limits of wheel load and rail bending stress have been set, and the maintenance criteria for the rail surface defects was suggested by analyzing the relationship of the maximum values of wheel load and rail bending stress versus depth and width of rail surface defect. The analysis results suggest that the allowable depth of the surface defect is determined approximately 0.2mm from the limit of the impact wheel load.
Track-bridge interaction (TBI) problem often arises from the adoption of modern continuously welded rails. Rail expansion devices (REDs) are generally required to release the intensive interaction between long-span bridges and tracks. In their necessity evaluations, the key techniques are the numerical models and methods for obtaining TBI responses. This paper thus aims to propose a preferable model and the associated procedure for TBI analysis to facilitate the designs of long-span bridges as well as the track structures. A novel friction-spring model was first developed to represent the longitudinal resistance features of fasteners with or without vertical wheel loadings, based on resistance experiments for three types of rail fasteners. This model was then utilized in the loading-history-based TBI analysis for an urban rail transit dwarf tower cable-stayed bridge installed with a RED at the middle. The finite element model of the long-span bridge for TBI analysis was established and updated by the bridge's measured natural frequencies. The additional rail stresses calculated from the TBI model under train loadings were compared with the measured ones. Overall agreements were observed between the measured and the computed results, showing that the proposed TBI model and analysis procedure can be used in further study.
Rails are produced by several rolling processes. These processes play an important role on the performance of rails. We analysed the rolling processes by finite element code, DEFORM. The distributions of temperatures and effective strains are obtained. After the rolling processes, the rails are sent to the cooling bed. During the cooling, the rails are bended and twisted. These bending and twisting should be minimized to produce a high quality rail. The analyses of cooling processes and residual stresses produced through the rolling processes will be Presented in the next paper.
Seo, Jung-Won;Lee, Dong-Hyong;Ham, Young-Sam;Kwon, Sung-Tae;Kwon, Seok-Jin;Cho, Ha-Yong
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.29
no.6
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pp.613-620
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2012
Rails are subjected to damage from rolling contact fatigue, which leads to defects such as cracks. Rolling contact fatigue damages on the surface of rail such as head check, squats are one of growing problems. Another form of rail surface damage, known as "Ballast imprint" has become apparent. This form of damage is associated with ballast particles becoming trapped between the wheel and the surface of rail. These defects are still one of the key reasons for rail maintenance and replacement. In this study, we have investigated whether the ballast imprint is an initiator of head check type cracks and effect of defect size using Finite element analysis. The FE analysis were used to investigate stresses and strains in subsurface of defects according to variation of defect size. Based on loading cycles obtained from FE analysis, fatigue analysis for each point was carried out.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.6
no.5
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pp.59-66
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2002
Long-rails in railways and high-speed railway are subjected to additional stresses resulted from the displacements inconsistence between upper structures, and this phenomenon is more remarkable in continuous bridges than in simple bridges. For the sake of safety, railways have to guarantee trains to stop safely without derailment even in the event of earthquake. The influences of acceleration, braking, and temperature were analyzed by static nonlinear method. But earthquake loads that require dynamic nonlinear analysis are not considered in these methods. Because linear relation between relative displacements of decks and rail stresses is not guaranteed at the nonlinear systems such as long rails on the bridges, it is required compute to rail stresses considering both braking and earthquake load by nonlinear dynamic analysis method. In this study, dynamic analysis method with material non-linearity for rails on continuous bridges according to the Taiwan High Speed Railway(THSR) Design Specification volume 9 was developed. And additional stresses and displacements of long rails for acceleration, braking, and earthquake loads were analyzed by this method.
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