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原文传递轮轨接触表面微裂纹扩展研究

论文题名：	轮轨接触表面微裂纹扩展研究
关键词：	Hertz接触理论;轮轨结构;疲劳寿命;断裂力学;奇异单元
摘要：	新世纪以来，随着我国铁路旅客列车速度的提高和货物列车轴重的增加，对铁道科技研究提出了一系列挑战，急需解决许多关键技术问题，轮轨滚动接触问题就是其中之一。轮轨滚动接触疲劳和磨损一直是铁路运输业难以解决的老问题，其中又以疲劳裂纹的扩展及断裂危害最大。本文利用ANSYS建立了钢轨表面微裂纹的二维有限元模型。在裂纹面上引入了接触单元，模拟裂纹面的张开和闭合;在裂纹尖端引入了奇异单元，以研究裂尖应力强度因子。计算中考虑了钢轨材料的非线性和接触边界的非线性。通过计算，获得了钢轨表面竖直微裂纹的裂尖应力强度因子及应力。利用断裂力学的裂纹起始扩展判据和裂纹断裂判据，对U71Mn钢轨表面竖直微裂纹的扩展情况进行了分析，并在此基础上，通过Paris公式对钢轨的疲劳寿命进行了估算。具体开展的研究工作如下: 　　 1、采用Hertz接触理论，利用ANSYS有限元模型分别计算了10吨和20吨轴重下无摩擦力作用的钢轨表面微裂纹的裂尖应力强度因子及应力。结果表明，轴重对应力强度因子有着显著影响，尤其是对KI的影响;在车轮滚动过程中，表面微裂纹位于接触斑边缘处时，其应力强度因子达到最大值。　　 2、通过建立钢轨表面微裂纹的有限元模型，在真实轮轨接触摩擦力作用下，对于磨耗型车轮踏面-磨耗型新轨和磨耗型车轮踏面-已磨耗钢轨的两种接触外形，计算了钢轨表面不同长度的微裂纹在不同轴重下的裂尖应力强度因子及其应力。结果表明:磨耗型车轮踏面-磨耗型新轨下的应力强度因子要比磨耗型车轮踏面-已磨耗钢轨下的大得多，新钢轨表面微裂纹更容易扩展，因此对于铁路新轨应避免重车运行;随着车轮滚动，裂尖应力强度因子呈现先增大后减小的趋势，峰值出现在接触斑边缘附近;轴重增加，裂尖应力强度因子大幅增大;裂纹尺寸增大，裂尖应力强度因子Kl先增大后减小;在车轮碾压过程中，微裂纹只在位于接触斑边缘附近时才会张开，其它位置微裂纹是闭合的。　　 3、在真实轮轨接触摩擦力作用下，对于锥型车轮踏面-磨耗型新轨的接触外形，计算了钢轨表面不同长度的微裂纹在不同轴重下的裂尖应力强度因子及其应力。对比磨耗性踏面下的计算结果，可知锥轮下钢轨表面微裂纹更容易扩展。　　 4、根据Paris公式，获得了微裂纹的疲劳寿命估算式，并据此对磨耗型车轮踏面-磨耗型新轨、磨耗型车轮踏面-已磨耗钢轨和锥型车轮踏面-磨耗型新轨下的钢轨表面微裂纹疲劳寿命进行了估算。结果表明:轴重对钢轨表面微裂纹疲劳寿命有着重要影响;同时，轮轨接触外形也对钢轨表面微裂纹的疲劳寿命有重要影响。
作者：	李士一
专业：	工程力学
导师：	江晓禹
授予学位：	硕士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2013
正文语种：	中文