A probabilistic analysis method for fatigue crack growth in metal componentsapplication to the damage tolerance assessment of railway axles

Resumen

Con el rápido desarrollo de la industria ferroviaria, surgen cada vez más retos en la seguridad y la fiabilidad de componentes críticos, entre los cuales la fatiga es el problema principal. En servicio, el material rodante está sujeto a cargas cíclicas extremadamente complejas, que pueden dar lugar a una serie de problemas de fatiga. Estas dificultades amenazan seriamente la seguridad ferroviaria y pueden llegar a causar importantes pérdidas en términos de vidas y bienes. Aunque científicos e ingenieros de todo el mundo han realizado esfuerzos extraordinarios durante los últimos siglos, existen todavía muchos desafíos e incertidumbres, especialmente en el desarrollo de la próxima generación de medios de transporte. Esta tesis pretende abordar una serie de cuestiones relativas a la fatiga en ejes ferroviarios. Los temas incluyen, entre otros, la investigación analítica, teórica y computacional acerca de: (i) mecanismos de fallo, crecimiento de grieta por fatiga; (ii) modelización del proceso de fatiga; (iii) métodos de evaluación probabilista de aplicación en ejes ferroviarios; (iv) refuerzo de las metodologías de propagación de incertidumbre mediante aproximaciones de primer y segundo orden; (v) rendimiento y degradación por fatiga caracterizados mediante momentos estocásticos y distribuciones de probabilidad de vida; (vi) evaluación de la fatiga y el mantenimiento mediante inspecciones periódicas; y (vii) identificación y validación del comportamiento a fatiga mediante métodos con base probabilista para la determinación de intervalos de inspección y probabilidades de detección de grieta asociadas. Esta tesis parte de los primeros desarrollos en la evaluación de la seguridad de ejes ferroviarios y su evolución. Continúa con una extensión de los métodos habituales para el análisis probabilista de propósito general especialmente adecuados para el fenómeno de crecimiento de grieta por fatiga en componentes metálicos. A continuación, ofrece una extensión de los enfoques de tolerancia al daño con identificación y particular énfasis en la caracterización de sus aspectos probabilistas y sus efectos, lo que resulta en un procedimiento para la determinación de intervalos de inspección basado en una descripción probabilista de la vida a fatiga. Finalmente termina con una ilustración detallada de la metodología probabilista concebida para ser aplicada en la evaluación de tolerancia al daño de ejes ferroviarios. En su conjunto, esta tesis presenta nuevos tratamientos probabilistas y resultados útiles para la planificación del mantenimiento de ejes ferroviarios en el marco de tolerancia al daño. En resumen, esta tesis proporciona un método de análisis probabilista para el crecimiento de grieta por fatiga en componentes metálicos. Además, ofrece un procedimiento eficiente para la definición de intervalos de inspección en el mantenimiento de ejes ferroviarios, considerando escenarios estocásticos complejos dentro del enfoque de tolerancia al daño. Planteamientos de diseño y análisis de productos con especial consideración de los impactos ecológicos y económicos asociados a su fabricación y mantenimiento, se esfuerzan por conseguir productos que tengan el menor impacto ambiental a lo largo de su ciclo de vida. Se espera que el método proporcionado tenga un efecto positivo y global en la optimización de intervalos de mantenimiento, promoviendo así un uso eficiente del transporte ferroviario para mover personas y mercancías. En este sentido, también disminuiría el impacto medioambiental de la humanidad asociado con la contaminación atmosférica causada por el transporte, ya que ayuda a que el transporte ferroviario sea una alternativa más respetuosa con el medio ambiente. Como consideración final, se espera que el novedoso marco operativo en esta tesis sea un recurso para una amplia gama de problemas de ingeniería que tratan con variables aleatorias.