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原文传递轮轨滚动接触疲劳裂纹的动态扩展研究

论文题名：	轮轨滚动接触疲劳裂纹的动态扩展研究
关键词：	轮轨滚动接触;显式有限元法;疲劳裂纹;动态扩展
摘要：	随着列车速度的提高和轴重的增加，轮轨间滚动接触疲劳已逐渐成为国内外钢轨损伤的主要形式之一，若处理不及时，疲劳裂纹将持续扩展最终导致断轨和崩轮，因此对于钢轨表面疲劳裂纹的萌生和扩展研究显得尤为重要。随着计算机技术的发展，在过去的几十年里，部分学者基于Abaqus和Ansys等有限元软件研究钢轨表面裂纹的扩展行为，也有学者基于Sympack等动力学软件研究钢轨的疲劳寿命，但大多数是建立静态或准静态模型研究二维裂纹问题。正因为之前学者研究的不足，本文中采用虚拟裂纹闭合技术研究三维裂纹的瞬态扩展行为，为理解滚动接触疲劳的扩展机理和优化其防治措施提供支撑。　　为了研究三维裂纹的瞬态扩展行为，本文基于国内某条高速线路，采用ANSYS-LS/DYNA建立了考虑钢轨表面疲劳裂纹的三维轮轨瞬态滚动接触模型，于时域内分析了轮轨滚滑作用下疲劳裂纹的瞬态扩展行为。模型中可以充分考虑轮轨的几何型面，轮轨间和裂纹面接触均采用“面-面”接触算法定义，切向接触满足库伦摩擦定律。本文通过设置该“面-面”接触来求解轮轨间和裂纹面间的法、向瞬态滚动接触响应，并且可求得轮轨接触斑内的“粘-滑”分布，分析车轮滚过裂纹缺陷处的高频响应，再现车轮滚过裂纹缺陷时的冲击行为，着重分析轮轨间、裂纹面间接触解和裂尖应力场强度因子。　　本文中计算裂尖应力场强度因子采用虚拟裂纹闭合技术，不考虑裂纹面之间的间隙，即两个裂纹面上的离散节点完全重合。本文计算过程中主要分为两步，首先基于裂尖节点力和裂尖附近重合节点的位移差计算出应变能释放率，然后基于应变释放率和应力场强度因子的相互关系计算出KⅠ、KⅡ和KⅢ。由于模型中建立了三维裂纹，其裂尖均由一些离散的节点构成，故可以研究裂尖应力场强度因子沿裂尖的分布情况。　　为了验证模型的必要性，本文建立了带三维裂纹的静态模型，主要方法是将车轮平行的移动到钢轨表面的不同位置，并求得轮轨间、裂纹面间接触解和裂尖应力场强度因子。同时，本文也采用动态模型求得相同裂纹尺寸下的结果，将静态计算的结果与动态进行对比，最终发现发现利用静态模型计算得到的结果要比动态低，主要是由于静态裂纹模型中忽略了车轮滚过裂纹时产生的瞬态冲击力。　　对模型进行验证分析后，本文考虑较为简单的模型，即钢轨表面存在直裂纹的三维轮轨瞬态滚动接触模型，并且考虑了列车在牵引状态下，裂纹面摩擦系数、轮轨间粘着系数、裂纹深度和列车速度对于轮轨间和裂纹面接触力以及裂尖应力场强度因子的影响，得出的主要结论如下:轮轨滚滑状态下，直裂纹均闭合，其KⅠ值为0。当裂纹面摩擦系数由0变化到0.5时，\|KⅡ\|max降低了20.66％，\|KⅢ\|max降低了18.53％;轮轨黏着系数在0-0.5之间变化时，\|KⅡ\|max变化了3.98％，\|KⅢ\|max降低20.8％;当裂纹深度由0.5mm增大到3mm时，\|KⅡ\|max增大30.88％，\|KⅢ\|max降低20.06％;当列车速度在250-350km/h范围内变化时，轮轨间和裂纹面接触力以及裂尖应力场强度因子不发生变化。　　在实际的现场调查中很少存在直裂纹的情况，大多数是与轨面成一定夹角，因此为了进一步贴合实际，本文建立了带钢轨表面斜裂纹的三维瞬态轮轨滚动接触模型，考虑轮、轨均为线弹性材料时，列车处于牵引状态下，斜裂纹角度、斜裂纹长度和牵引系数对于钢轨表面斜裂纹瞬态扩展行为的影响。基于所得结果，可以得到以下结论:在不同的倾角下，斜裂纹均处于闭合状态，其KI值均接近0，在所研究的四个角度下，以等效应力场强度因子Keq为评判标准，其值先降低后增加，在α=30°时达到最大，α=75°时达到最小，两者相差25.18％;牵引系数由0增大到0.4时，裂纹将会张开，裂尖应力场强度因子\|KⅡ\|max和\|KⅢ\|max幅值分别增大了48.81％和25.76％。　　最后，在考虑了直裂纹和斜裂纹的瞬态扩展行为后，本文对已经研究的内容进行总结并基于已有成果对未来研究进行了展望。
作者：	赵小罡
专业：	载运工具运用工程
导师：	金学松
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文