Finite element analysis of the frictional wheel-rail rolling contact using explicit and implicit methods

A three-dimensional finite element rolling contact model between wheel and rail with increased spin effect is developed in this paper to study the normal and the tangential contact problems, as well as the creep force characteristics in elasticity and in elasto-plasticity. Three finite element analyses using the explicit and the implicit integration scheme are employed and the finite element solution is compared to the solution of the CONTACT software in elasticity. The numerical results show a good agreement between the finite element methods and CONTACT for the normal contact solution and the creep force characteristics in the longitudinal and the lateral direction. The tangential solution obtained by the implicit methods show an internal oscillation of the contact shear force whose origin is independent of the mesh size, the longitudinal creepage and the coefficient of friction. The explicit dynamic solution agrees with CONTACT for the stick-slip area and for the contact shear force. When the elasto-plastic material behavior is applied, the contact pressure and the Von Mises stresses are reduced, the contact patch becomes an egg like area instead of elliptic area and the stick area become larger with the explicit dynamic solution. In addition, the initial slopes of the creepage-creep force curves are reduced by 31% in the longitudinal direction and by 27% in the lateral direction.Un modèle 3D par éléments finis de contact roue-rail roulant avec effet de spin augmenté est développé dans cet article pour étudier les problèmes de contact normal et tangentiel, ainsi que les courbes de saturation en élasticité et en élasto-plasticité. Trois méthodes par éléments finis utilisant les schémas d'intégration explicite et implicite sont utilisées et la solution par éléments finis est comparée à la solution élastique donnée par le logiciel CONTACT. Les résultats numériques montrent un bon accord entre les méthodes par éléments finis et CONTACT pour la solution du problème normal et les courbes de saturation dans les directions longitudinale et latérale. La solution tangentielle obtenue par les méthodes implicites montre une oscillation interne de la force de cisaillement au contact dont l'origine est indépendante de la taille maillage, du pseudoglissement longitudinal et du coefficient de frottement. La solution dynamique explicite est en accord avec CONTACT pour la zone d'adhérence/glissement et pour la force de cisaillement au contact. Lorsque le comportement élasto-plastique du matériau est appliqué, la pression de contact et les contraintes de Von Mises sont réduites, la zone de contact prend une forme d'ovoïde au lieu d'elliptique et la zone d'adhérence s'élargit avec la solution dynamique explicite. En outre, les pentes initiales des courbes de de saturation sont réduites de 31% dans la direction longitudinale et de 27% dans la direction latérale