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轮轨钢材料棘轮-疲劳交互作用实验和理论模型研究
| 论文题名： | 轮轨钢材料棘轮-疲劳交互作用实验和理论模型研究 |
| 关键词： | U75V钢轨;ER7车轮钢;循环特性;棘轮行为;疲劳失效 |
| 摘要： | 当前我国铁路运输事业正面临着蓬勃发展的新阶段，随着车辆轴重、行车密度及通行总重的进一步提高，钢轨和车轮的服役环境近乎苛刻。以往的研究中，多针对车轮或钢轨一种材料进行实验和模型研究，同时对钢轨和车轮钢两种材料进行的研究尚显不足。亟待对车轮和钢轨钢材料开展棘轮-疲劳交互作用实验研究，了解材料的循环特性以及棘轮-疲劳交互作用对材料疲劳寿命的影响，进而建立能够较为精确描述U75V钢轨和ER7车轮钢材料循环特性和棘轮行为的循环本构模型，最终建立能够准确预测轮轨钢材料疲劳失效寿命的疲劳失效模型。研究成果不仅可以用于评估轮轨钢材料的疲劳失效寿命，也将为车轮和钢轨材料的在役服役性能评估提供重要的评估手段。 本文的主要工作总结如下: 1)为了探究U75V钢轨和ER7车轮钢材料的循环特性和棘轮行为，在室温下对材料进行低周应力和应变控制下的循环变形实验。研究表明，U75V钢轨材料在初始循环（约80圈）下，表现出明显的循环软化特性，且应变幅值越小软化现象越明显;材料的棘轮行为与应力幅值、平均应力和应力比密切相关，在初始循环下随循环周次的增加而迅速增长，但很快达到准安定状态。棘轮演化对U75V钢轨材料的低周疲劳寿命影响并不是单一的增大或减小材料的疲劳寿命，而是与棘轮应变率有关。当应变幅值小于0.6％时，ER7车轮钢材料在初始循环下（约30圈）表现出明显的循环软化现象，但很快达到稳定状态，当应变幅值大于0.6％时，ER7车轮钢材料表现出初始循环硬化现象，但随即进入准安定状态。 2)为定量地描述U75V钢轨和ER7车轮钢材料的循环塑性变形，基于已有的弹塑性本构模型，在各向同性硬化律中引入了与累积塑性应变有关的饱和应力幅值方程，在非线性随动硬化律中引入与累积塑性应变有关的棘轮参数来控制棘轮演化从初始加速到迅速达到准安定状态过程。基于隐式应力积分法和一致性切线刚度矩阵推导，对改进的循环塑性本构模型进行了有限元实现，对两种材料的循环特性和棘轮行为进行模拟并与实验结果了比较。结果表明改进的循环塑形本构模型能够很好地描述U75V钢轨和ER7车轮钢材料的循环变形特性和棘轮演化行为。 3)在对已有疲劳失效寿命预测模型进行评估的基础上，同时考虑应变能密度和棘轮应变率的影响，建立了改进的疲劳失效模型，进而对U75V钢轨和ER7车轮钢材料的疲劳失效寿命进行了预测。结果表明，改进的疲劳失效模型能够较为精确地预测两种材料的疲劳失效寿命。 |
| 作者： | 方涛 |
| 专业： | 力学 |
| 导师： | 康国政;阚前华 |
| 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 |
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