Выбор расчетных методов учета сложного напряженно-деформированного состояния и среднего напряжения цикла для локализации места зарождения усталостной трещины в упругой клемме

Введение. Проведен обоснованный выбор методов учета сложного напряженно-деформированного состояния и среднего напряжения цикла в расчетах упругих клемм узлов промежуточных рельсовых скреплений, связанных с локализацией потенциально критических мест по условию усталостной долговечности. Определены методы, ко- торые позволяют наиболее точно локализовать места усталостных изломов упругих клемм.
Материалы и методы. В качестве исследуемой клеммы была выбрана упругая клемма ЦП 369.102 (клем- ма ЖБР-65). Выбор возможных методов учета сложного напряженно-деформированного состояния и учета влия- ния среднего напряжения цикла проведен посредством обзора и анализа существующих методов. Для проведения виртуальных испытаний разработана конечно-элементная модель упругой клеммы. Проведены натурные уста- лостные испытания упругих клемм. Для сравнения результатов натурных усталостных испытаний клемм и вирту- ального эксперимента применялось 3D-сканирование изломанных фрагментов клемм.
Результаты. Установлено, что экземпляры упругой клеммы ЦП 369.102 при натурных испытаниях на усталостную долговечность разрушались в двух различных зонах с вероятностью 5 и 95 %. Результаты расчетов, выполненных с использованием комбинаций методов учета сложного напряженно-деформированного состояния и влияния среднего напряжения цикла, показали удовлетворительное совпадение с экспериментально определенными ме- стами зарождения усталостных трещин в клеммах.
Обсуждение и заключение. Определены комбинации методов учета сложного напряженно-деформированного состояния и учета влияния среднего напряжения цикла, которые позволяют при проведении расчетов локализо- вать потенциально критические с точки зрения усталостной долговечности места упругой клеммы. Запланированы дальнейшие исследования по разработке на основе текущих результатов модели для упругой клеммы, позволяю- щей с достаточной степенью точности оценивать ее долговечность.

1. Park Y.-C., An C., Sim H.-B., Kim M., Hong J.-K. Failure ana­lysis of fatigue cracking in the tension clamp of a rail fastening system. International Journal of Steel Structures. 2019;19(5):1570–1577. https://doi.org/10.1007/s13296-019-00231-5. EDN: https://elibrary.ru/oiozcc.

2. Xiao H., Guo X., Wang H., Ling X., Wu S. Fatigue damage analysis and life prediction of e-clip in railway fasteners based on ABAQUS and FE-SAFE. Advances in Mechanical Engineering. 2018;10(3):1–12. https://doi.org/10.1177/1687814018767249.

3. Kim S.-H., Fang X.-J., Park Y.-C., Sim H.-B. Evaluation of structural behavior and fatigue performance of a KR-type rail clip. Applied Sciences. 2021;11(24):12074. https://doi.org/10.3390/app112412074. EDN: https://elibrary.ru/dpczcv.

4. Cho J.-G., Kim J.-W., Koo J.-S. A study on fatigue strength impro­ vement for tension clamp of railway using work hardening. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2019;491:012028. https://doi.org/10.1088/1757-899X/491/1/012028.

5. Wang Y.-X., Xiao W.-J., Wang Z.-F., Liu Y., Wang E.-B., Chang H.‑T. Fracture behavior analysis and fatigue assessment of the spring clip in heavy-haul railway. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. 2024;47(10):3658–3672. https://doi.org/10.1111/ffe.14401. EDN: https://elibrary.ru/xcqxop.

6. Liu Y., Jiang X., Li Q., Liu H. Failure analysis and fatigue life prediction of high-speed rail clips based on DIC technique. Advances in Mechanical Engineering. 2021;13(12):1–13. https://doi.org/10.1177/16878140211066225. EDN: https://elibrary.ru/hykfco.

7. Liu Y., Li Q., Jiang X., Liu H., Yuan X., Zhu Z. The effect of material static mechanical properties on the fatigue crack initiation life of rail fastening clips. Advances in Civil Engineering. 2021;2021(1):1366007. https://doi.org/10.1155/2021/1366007. EDN: https://elibrary.ru/tmxhjs.

8. Ferreño D., Casado J. A., Carrascal I. A., Diego S., Ruiz E., Saiz M., Sainz-Aja J. A., Cimentada A. I. Experimental and finite element fatigue assessment of the spring clip of the SKL-1 railway fastening system. Engineering Structures. 2019;188:553–563. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.03.053.

9. Liu Z., Tsang K. S., Liu Y., Pang J. H. L. Finite element and experimental study on multiaxial fatigue analysis of rail clip failures. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. 2020;43(10):2390–2401. https://doi.org/10.1111/ffe.13310. EDN: https://elibrary.ru/fnemrs.

10. Xie M., Wei K., Liu Y., Li J., Zhao Z., Wang P. Fatigue life prediction and verification of railway fastener clip based on critical plane method. International Journal of Applied Mechanics. 2024;16(05):2450053. https://doi.org/10.1142/s1758825124500534. EDN: https://elibrary.ru/beereu.

11. Papuga J., Vízková I., Lutovinov M., Nesládek M. Mean stress effect in stress-life fatigue prediction re-evaluated. MATEC Web of Confe­ rences. 2018;165:10018. https://doi.org/10.1051/matecconf/201816510018.

12. Стрижиус В. Е. Методы расчета на усталость элементов авиа­ционных конструкций при многоосном нагружении // Научный вестник МГТУ ГА. 2013. № 187. С. 65–73. EDN: https://www.elibrary.ru/pxqkhn.

13. Findley W. N. A theory for the ef fect of mean stress on fatigue of me­tals under combined torsion and axial load or bending. Journal of Engi­neering for Industry. 1959;81(4):301–305. https://doi.org/10.1115/1.4008327.

14. Brown M. W., Miller K. J. A theory for fatigue failure under multiaxial stress-strain conditions. Proceedings of the Institution of Mecha­ni­cal Engineers. 1973;187(1):745–755. https://doi.org/10.1243/PIME_PROC_1973_187_161_02.

15. Fatemi A., Socie D. F. A critical plane approach to multiaxial fatigue damage including out-of-phase loading. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. 1988; 11(3):149–165. https://doi.org/10.1111/j.1460-2695.1988.tb01169.x.

16. Kim J.-H., Park Y.-C., Kim M., Sim H.-B. A fatigue reliability assessment for rail tension clamps based on field measurement data. Applied Sciences. 2022;12(2):624. https://doi.org/10.3390/app12020624.EDN: https://elibrary.ru/dltxjo.

17. Glinka G., Wang G., Plumtree A. Mean stress ef fects in multi­ axial fatigue. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Struc­ tures. 1995;18(7–8):755–764. https://doi.org/10.1111/j.1460-2695.1995.tb00901.x.

18. Ali R., Shehbaz T., Felicis D. D., Sebastiani M., Bemporad E. Investigations into fatigue failure in e-type fastening clips used in railway tracks. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2020;235(7):898–905. https://doi.org/10.1177/0954409720967802. EDN: https://elibrary.ru/beddby.

19. Hasap A., Noraphaiphipaksa N., Kanchanomai C. Influence of malposition on the performance of elastic rail clip: Toe load, stress, and friction. Structures. 2020;28:2661–2670. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2020.10.073. EDN: https://elibrary.ru/buusua.

20. Xiao H., Wang J.-B., Zhang Y.-R. The fractures of e-type fastening clips used in the subway: Theory and experiment. Engineering Failure Ana­ lysis. 2017;81:57–68. https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2017.07.006.

21. Ballard P., Dang Van K., Deperrois A., Papadopoulos Y. V. High cycle fatigue and a finite element analysis. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. 1995;18(3):397–411. https://doi.org/10.1111/j.1460-2695.1995.tb00886.x.

22. McDiarmid D. L. A general criterion for high cycle multiaxial fatigue failure. Fatigue and Fracture of Engineering Materials and Structures. 1991;14(4):429–453. https://doi.org/10.1111/j.1460-2695.1991.tb00673.x.

23. Бураго Н. Г., Журавлев А. Б., Никитин И. С. Модели много­ осного усталостного разрушения и оценка долговечности элементов конструкций // Известия Российской академии наук. Механика твердого тела. 2011. № 6. С. 22–23. EDN: https://www.elibrary.ru/oncsyn.

24. Yu Z.-Y., Zhu S.-P., Liu Q., Liu Y. A new energy-critical plane damage parameter for multiaxial fatigue life prediction of turbine blades. Materials. 2017;10(5):513. https://doi.org/10.3390/ma10050513.

25. Березин В. О., Замуховский А. В., Ефимов А. А., Гречаник А. В. Валидация конечно-элементной модели клеммы узла промежуточного рельсового скрепления // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2025. Т. 84, № 2. С. 113–125. EDN: https://elibrary.ru/qyogfn.

26. Chu C.-C., Conle F. A., Bonnen J. Multiaxial stress-strain mo­deling and fatigue life prediction of SAE axle shafts. Advances in Multi­ axial Fatigue, ASTM STP 1191. American Society for Testing and Materials. 1993;1191:37–54. https://doi.org/10.1520/STP1191‑EB.

27. Dowling N. E., Calhoun C. A., Arcari A. Mean stress ef fects in stress-life fatigue and the Walker equation. Fatigue and Fracture of En­ gineering Materials and Structures. 2009;32(3):163–179. https://doi.org/10.1111/j.1460-2695.2008.01322.x.

28. Tamagawa S., Kataoka H., Deshimaru T. A Fatigue Limit Diagram For Plastic Rail Clips. Computers in Railways XIV. 2014;135:839–848. https://doi.org/10.2495/CR140701.