Les TGV parcourent plus de 400000 km par an, ce qui correspond à plus de 106 cycles durant toute leur durée de vie. Pour cette raison, certains organes doivent être en conformité avec les critères de fatigue à grand nombre de cycles. Cependant, le retour de service a montré que, sous la portée de calage de la roue, plus précisément dans l’entrée conique, les spectres de magnétoscopie révèlent la présence de fissures de fatigue. Ces fissures sont situées dans la discontinuité géométrique, dans une zone très affectée par le fretting, ce qui diminue la limite de fatigue. L’étude présentée est consacrée à l’analyse du comportement en fatigue de contact de l’assemblage roue / essieu. Il s’agit tout d’abord de modéliser numériquement l’assemblage par frettage à la presse à température ambiante de la roue sur l’essieu. La simulation permet de mettre en évidence une zone de tension axiale dans l’entrée conique. Les résultats numériques sont confrontés à des mesures de déformations par diffraction de neutrons dans un assemblage neuf. Des mesures analogues, réalisées sur un assemblage après un essai de fatigue en flexion rotative, permettent de valider le modèle de simulation numérique du chargement cyclique. Cette simulation prend en compte le contact à l’aide d’un modèle de Coulomb, avec évolution du coefficient de frottement. Le comportement élastoplastique des matériaux est décrit par une loi de Lemaître et Chaboche, les paramètres étant identifiés à partir d’essais cycliques en traction / compression. Les calculs et les mesures montrent que l’état de contrainte initial après calage subit une redistribution sous l’effet du chargement cyclique : à chaque extrémité de la portée de calage, une perte locale de serrage se produit et un glissement relatif de faible amplitude, caractéristique de la sollicitation de fretting, apparaît entre les deux organes. Au final, sous sollicitations cycliques, l’assemblage s’adapte. L’application des critères multiaxiaux de fatigue polycyclique, dans la zone affectée par la fissuration par fretting fatigue, concorde remarquablement avec les essais sur banc réalisés sur des reproductions à l’échelle 1:3 de l’assemblage roue / essieu. Notamment, en prenant en compte les contraintes résiduelles de calage, le critère de Dang Van permet l’identification des conditions d’amorçage de fissures par fretting fatigue. Une fois les conditions d’amorçage clairement définies, la propagation de la fissure en mode I dans l’essieu, sous le chargement cyclique, est étudiée. Pour cela le facteur d’intensité des contraintes est calculé empiriquement à partir des champs de contraintes dans l’assemblage à l’état stabilisé. Un chargement seuil pour l’arrêt de la fissure est alors détecté. La profondeur de la zone d’arrêt correspond à une zone dans laquelle le champ de contraintes résiduelles du frettage est fortement compressif. La mise en évidence par la modélisation numérique de conditions d’arrêt de fissures est en accord avec l’expérience du retour de service. En effet, toutes les expertises montrent que les fissures amorcées sous portée de calage s’arrêtent.
EDF R&D, Les Renardières
Les TGV parcourent plus de 400000 km par an, ce qui correspond à plus de 106 cycles durant toute leur durée de vie. Pour cette raison, certains organes doivent être en conformité avec les critères de fatigue à grand nombre de cycles. Cependant, le retour de service a montré que, sous la portée de calage de la roue, plus précisément dans l’entrée conique, les spectres de magnétoscopie révèlent la présence de fissures de fatigue. Ces fissures sont situées dans la discontinuité géométrique, dans une zone très affectée par le fretting, ce qui diminue la limite de fatigue. L’étude présentée est consacrée à l’analyse du comportement en fatigue de contact de l’assemblage roue / essieu. Il s’agit tout d’abord de modéliser numériquement l’assemblage par frettage à la presse à température ambiante de la roue sur l’essieu. La simulation permet de mettre en évidence une zone de tension axiale dans l’entrée conique. Les résultats numériques sont confrontés à des mesures de déformations par diffraction de neutrons dans un assemblage neuf. Des mesures analogues, réalisées sur un assemblage après un essai de fatigue en flexion rotative, permettent de valider le modèle de simulation numérique du chargement cyclique. Cette simulation prend en compte le contact à l’aide d’un modèle de Coulomb, avec évolution du coefficient de frottement. Le comportement élastoplastique des matériaux est décrit par une loi de Lemaître et Chaboche, les paramètres étant identifiés à partir d’essais cycliques en traction / compression. Les calculs et les mesures montrent que l’état de contrainte initial après calage subit une redistribution sous l’effet du chargement cyclique : à chaque extrémité de la portée de calage, une perte locale de serrage se produit et un glissement relatif de faible amplitude, caractéristique de la sollicitation de fretting, apparaît entre les deux organes. Au final, sous sollicitations cycliques, l’assemblage s’adapte. L’application des critères multiaxiaux de fatigue polycyclique, dans la zone affectée par la fissuration par fretting fatigue, concorde remarquablement avec les essais sur banc réalisés sur des reproductions à l’échelle 1:3 de l’assemblage roue / essieu. Notamment, en prenant en compte les contraintes résiduelles de calage, le critère de Dang Van permet l’identification des conditions d’amorçage de fissures par fretting fatigue. Une fois les conditions d’amorçage clairement définies, la propagation de la fissure en mode I dans l’essieu, sous le chargement cyclique, est étudiée. Pour cela le facteur d’intensité des contraintes est calculé empiriquement à partir des champs de contraintes dans l’assemblage à l’état stabilisé. Un chargement seuil pour l’arrêt de la fissure est alors détecté. La profondeur de la zone d’arrêt correspond à une zone dans laquelle le champ de contraintes résiduelles du frettage est fortement compressif. La mise en évidence par la modélisation numérique de conditions d’arrêt de fissures est en accord avec l’expérience du retour de service. En effet, toutes les expertises montrent que les fissures amorcées sous portée de calage s’arrêtent.
EDF R&D, Les Renardières