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原文传递基于轮轨弹塑性接触模型的钢轨疲劳裂纹分析及钢轨疲劳寿命预测

论文题名：	基于轮轨弹塑性接触模型的钢轨疲劳裂纹分析及钢轨疲劳寿命预测
关键词：	钢轨伤损;疲劳裂纹;弹塑性轮轨滚动接触;有限元模型;寿命预测
摘要：	随着我国经济的飞速发展，既有线路的使用频次逐年提高，钢轨承受的载荷水平也显著增大，钢轨伤损问题日益凸显，威胁行车安全的同时也带来了一定的经济损失。因此，对钢轨疲劳伤损问题进行深入研究，对于延长钢轨的服役期限，维护列车运营安全，降低铁路运营成本具有重要意义。　　本文基于三维弹塑性轮轨滚动接触有限元模型，结合Jiang-Sehitoglu损伤参量理论，对影响钢轨疲劳裂纹萌生寿命的因素展开分析。根据虚拟裂纹闭合法建立预设裂纹的钢轨模型，分析钢轨表面疲劳裂纹的类型以及影响裂纹应力强度因子的因素。本文具体开展的研究内容如下：　　（1）根据实际尺寸建立三维弹塑性轮轨滚动接触有限元模型，整个模型由轮对、扣件、轨枕、钢轨共4部分组成，车轮踏面类型为LM型，钢轨为75kg/m型轨。并对轮轨间可能发生接触的位置进行网格细化处理，在保证精度的前提下提升计算效率,并对模型的准确性进行了验证。　　（2）分析轨底坡参数对钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响。轨底坡参数分别设置为1∶10、1∶20、1∶30、1∶40、1∶50、0，当采用1∶20这一轨底坡参数时，轮轨间发生共形接触，钢轨表面接触应力值最小，钢轨的疲劳裂纹萌生寿命最大。采用这一轨底坡参数，可以有效降低钢轨表面接触应力，延长钢轨的使用寿命。　　（3）分析轴重和轮轨间摩擦系数对钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响。随着轴重的提高，钢轨表面接触应力不断增加，钢轨的疲劳裂纹萌生寿命持续降低。随着轮轨间摩擦系数的提高，钢轨的纵向剪切应力值随之增加，钢轨的疲劳裂纹萌生寿命随之降低。　　（4）分析车轮踏面类型对钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响，对比LM和LMa两种类型的车轮踏面，在均选用较为适配的轨底坡参数时，LM型踏面与钢轨的匹配程度更好，重载列车采用LM型车轮踏面可以有效提高钢轨的疲劳裂纹萌生寿命。　　（5）分析轮对偏移量对钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响。与不发生偏移时相比，当偏移量为5mm时，左轨表面最大接触应力有所降低，钢轨的疲劳裂纹萌生寿命略有增加，右轨表面最大接触应力明显增加，钢轨的疲劳裂纹萌生寿命明显下降；当轮对偏移量为10mm时，左轨表面最大接触应力显著增加，钢轨的疲劳裂纹萌生寿命急剧降低，右轨表面的最大接触应力明显减小，钢轨的疲劳裂纹萌生寿命明显提升。　　（6）建立预设疲劳裂纹的钢轨模型，对钢轨表面疲劳裂纹的应力强度因子进行计算。钢轨表面疲劳裂纹属于以Ⅱ型为主的Ⅱ、Ⅲ型复合裂纹，且当接触斑中心位于裂纹正上方时应力强度因子值最大。裂尖应力强度因子KⅡ、KⅢ随着列车轴重的提高而增加。随着裂纹深度的增加KⅡ值显著提升，KⅢ值随着裂纹深度的增加略有提升但增量较低。对钢轨表面同时预设3条平行裂纹，组合裂纹裂尖的应力强度因子值明显大于单裂纹情况的数值，但随着裂纹间距的增加，组合裂纹的应力强度因子呈下降趋势。本文的研究内容可为预防钢轨疲劳裂纹的萌生和扩展，延长钢轨的使用寿命提供一定的建议。
作者：	刘云涛
专业：	工程力学
导师：	段志东
授予学位：	硕士
授予学位单位：	兰州交通大学
学位年度：	2022