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原文传递车轮踏面滚动接触疲劳损伤研究

论文题名：	车轮踏面滚动接触疲劳损伤研究
关键词：	铁路轨道;轮轨滚动接触;疲劳损伤;踏面剥离现象;塑性变形
摘要：	轮轨滚动接触疲劳损伤是铁路工业界难以解决的技术问题。随着列车速度、轴重的提高，轮轨滚动接触疲劳损伤现象变得日趋严重，导致较高的铁路运输成本，直接影响铁路运输安全。虽然人们通过理论和数值方法对轮轨滚动接触疲劳损伤有一定程度的认识，但对于不同类型疲劳损伤形成机理并没有完全理解和掌握。因此，开展轮轨滚动接触疲劳损伤研究具有重要的理论指导意义和工程应用背景。　　本文在详细论述轮轨滚动接触疲劳破坏现象分类及其研究历史与现状的基础上，主要以车轮踏面滚动接触剥离损伤现象为研究对象，采用轮轨滚动接触理论与有限元仿真计算相结合的方法，研究移动载荷条件下车轮踏面剥离损伤的形成过程。主要研究内容如下: 　　1、建立了车轮滚动接触三维弹塑性有限元模型。模型中接触斑形状、黏着区和滑动区划分、接触法向应力和切向应力分布由Kalker三维非Hertz滚动接触理论确定。采用能描述材料塑性累积的循环塑性本构模型，研究了不同滚动接触条件下车轮的残余应力、应变和变形，获得车轮材料在循环滚动接触条件下，应力、应变和变形的变化规律。　　2、通过车轮滚动接触三维弹塑性有限元模型，将仿真计算得到的应力应变历程作为多轴低周疲劳预测模型的输入量，用以预测车轮材料在滚动接触条件下疲劳裂纹萌生位置和萌生循环数等。最后车轮将滚动接触疲劳寿命预测结果与现有滚动接触疲劳双盘试验结果进行了对比分析，验证了滚动接触疲劳寿命预测方法的可行性。　　3、建立了带缺陷孔的车轮滚动接触弹塑性有限元模型。模型中考虑了循环移动载荷条件下车轮材料缺陷孔处残余变形累积。采用基于应变能的疲劳损伤参量和基于临界平面法的多轴低周疲劳模型，研究了法向接触载荷、缺陷孔深度和摩擦系数对材料缺陷孔处疲劳损伤参量和疲劳裂纹萌生循环数的影响，获得了疲劳损伤参量在不同参数影响下沿缺陷孔圆周的分布规律。　　4、建立了表面斜裂纹、亚表面裂纹和表面多裂纹三种不同形式裂纹的有限元模型，运用线弹性断裂力学理论分析了车轮在移动载荷作用下裂纹尖端应力强度因子的变化规律。研究了垂向接触载荷、表面摩擦系数、裂纹面摩擦系数、裂纹长度、斜裂纹角度、多裂纹间距和制造残余应力等因素对裂纹尖端应力强度因子特性的影响。基于裂纹尖端应力强度因子的变化规律，分析了不同作用工况下裂纹的扩展特性。　　5、基于以上对不同形式裂纹尖端应力强度因子特性的研究，采用适用于多轴非比例载荷作用条件下的裂纹扩展准则，研究了表面斜裂纹、亚表面裂纹和表面多裂纹三种形式的初始裂纹在多种工况下的裂纹扩展行为，得到了不同形式裂纹在移动载荷条件下的裂纹扩展路径，揭示了车轮踏面材料的剥离过程。　　6、研究了轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展和轮轨材料磨耗之间的耦合竞争关系。利用轮轨表面裂纹扩展和磨耗耦合分析模型，分析了表面摩擦系数、最大接触压力、裂纹面摩擦系数和磨耗系数等不同参数影响下，材料磨耗对滚动接触疲劳裂纹扩展的影响。
作者：	于荣泉
专业：	车辆工程
导师：	任尊松
授予学位：	博士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文