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原文传递钢轨踏面斜裂纹扩展行为的仿真研究

论文题名：	钢轨踏面斜裂纹扩展行为的仿真研究
关键词：	钢轨踏面伤损;斜裂纹;裂纹扩展;三维仿真模型
摘要：	本论文是铁道科学研究院研发中心项目“钢轨的滚动接触疲劳伤损与安全评价研究(2004YF04)”的部分研究内容。论文研究旨在定量分析不同工况下钢轨踏面斜裂纹的扩展行为和机理，探讨钢轨斜裂纹扩展、转向的主要影响因素，为钢轨斜裂纹缺陷的维修养护对策、安全评价提供理论和数据支持。论文主要研究内容是：按照现场观察到的钢轨踏面斜裂纹形态，利用ANSYS软件建立不同尺寸的典型钢轨踏面斜裂纹的三维模型；根据实际现场观察的轮轨接触光带位置，模拟轮轨接触状态，采用双线性随动强化材料，对钢轨踏面斜裂纹的应力场和应力强度因子进行仿真计算；研究了接触力、接触位置、轴重、摩擦系数、钢种、运行速度这些工况参数对钢轨踏面斜裂纹的扩展影响，并计算了两种典型工况下的斜裂纹扩展行为，阐述了其扩展机理。关于无裂纹轮轨接触条件下钢轨承载能力和工况参数对它的影响问题，国内外学者已经开展了大量研究，也取得了很好的成效，但针对钢轨踏面斜裂纹问题的带裂纹体轮轨接触仿真计算还是空白。本论文综合考虑轮轨作用影响区范围及仿真计算量，按照60kg/m钢轨标准断面建立CAD模型，取4跨距长钢轨，每跨568.2mm。轨枕采用S-II型混凝土枕，上宽为169.5mm。取轴重23t，钢轨弹性模量E=2.06×10<'5>MPa，泊松比v=0.．3，轮轨摩擦系数μ=0.3。模型采用双线性材料，屈服强度分别为σ<,0.2>=565MPa(U75V热轧轨)和σ<,0.2>=870MPa(U75V淬火轨)，随动强化系数0.1。根据Hertz接触理论，轮轨接触区取为赫兹椭圆接触面，并提出了相应的半轴a和b的计算公式，从而可计算出不同接触状态下的接触斑长短轴大小。斜裂纹位于4跨钢轨中部，结合现场实际，取为半椭圆形，与钢轨横向成30°，倾斜角为20°，长短轴比为2：1，斜裂纹中心距轨距边15mm。对所建模型采用Solid95、Solid92、Solid45、Mesh200(线、面)单元划分网格，取轨底网格尺寸为10mm，轨顶网格尺寸为6mm，裂纹尖端处最小网格尺寸为0,1mm，过渡区网格尺寸为4mm，轮轨接触区网格尺寸为1mm。将模型逐块划分，然后通过APDL编程对裂纹尖端单元进行奇异化处理，对自由划分部分单元进行退化转变处理以获得较高精度网格。在模型两端面处施加对称约束，轨枕处施加除纵向外的全约束。仿真直线线路钢轨，对轮轨接触斑施加垂向和纵向载荷；仿真曲线段钢轨，则对轮轨接触斑施加垂向、纵向及横向三向载荷。由于所研究问题涉及到形状、位置都较为复杂的三维斜裂纹，所以在实体模型处理上需要一些技巧性较强的方法来完成。首先要对裂纹形状进行简化，参照现场实际情况而近似取为半椭圆形，在尽量接近实际的前提下方便模型的建立。确定下裂纹中心所在的位置，在该处建立一个包含半裂纹面在内的椭圆柱体，通过一系列的几何布尔运算操作主要为Partition和带选项的用工作平面切割等，从而得到具有裂纹特性的模型，即在裂纹尖端处保持共线，而两个半椭圆裂纹面重合存在，这样的模型在划分网格时才能初步具有裂纹的性质，接下来在裂纹处生成奇异单元，并进行退化处理，便得到了最终的裂纹模型。需要注意的是，由于ANSYS在求解应力强度因子时要求所选择路径点坐标与X轴平行，否则无法计算。因此在划分网格以前，有必要对做好的裂纹实体模型进行预处理。在所要计算点处对裂纹面用工作平面切分，然后建立局部坐标系并保存，便可以得到满足求解应力强度因子要求的路径及相应坐标系。目前，关于三维裂纹问题的有限元分析在很多领域都有应用，但全部局限于正切裂纹。本论文对形状、位置都更加复杂的具有倾斜角度的裂纹建立三维模型并进行有限元分析计算，是在钢轨斜裂纹研究领域的一个创新应用。在已经建立起钢轨斜裂纹有限元模型的基础上，设置相应计算参数，研究了接触力、接触位置、轴重、摩擦系数、钢种、运行速度等不同工况对钢轨踏面斜裂纹的扩展影响，并计算了两种典型工况下的斜裂纹扩展行为，阐述了其扩展机理。计算得到一系列有用的结果，包括： (1)垂向力对三型K值均有较大影响，横向力主要影响Ⅱ、Ⅲ型K值，纵向力主要影响Ⅱ型K值；在三向力中，只有垂向力对K<,1>贡献较大，横向力和纵向力对K<,1>几乎没有影响。 (2)车轮沿钢轨纵向运动时，在距离钢轨踏面斜裂纹左右各1/4跨距范围内，对裂纹扩展影响突出，其余位置影响很小可以忽略。轮轨横向接触位置偏离轨顶中央4.5mm以内对斜裂纹扩展影响不明显；在4.5～7.5mm区间内裂纹扩展开始变快；超过7.5mm后裂纹扩展大大加快。 (3)重车对裂纹影响明显大于空车；不同轴重对于裂纹影响差别并不明显。 (4)较小的轮轨摩擦系数，较高的钢种屈服强度和货车速度，都将有利于裂纹扩展。另外还计算了直线钢轨和半径800m曲线外股钢轨两种典型线路下的斜裂纹应力场和应力强度因子，从理论分析角度得到了钢轨踏面斜裂纹扩展行为的定量规律，并以轮轨踏面中心附近接触模式下的应力场分布解释了裂纹扩展机理。论文指出：直线线路轮轨偏离轨顶面中央5mm接触下，钢轨踏面斜裂纹以Ⅰ-Ⅱ型扩展为主，在距踏面深度3.5～6.1mm时可能转向形成水平裂纹；在距踏面深度8～14mm时容易发生横向转向；而一旦深度超过30mm时很难再发生转向。半径800m曲线外股钢轨踏面斜裂纹以Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型复合方式扩展，且比直线线路扩展迅速；裂纹距踏面深度2.1～4.8mm时可能发生水平转向；裂纹一旦扩展至更深位置时很可能会保持初始角度扩展下去。弯曲剪应力是控制钢轨踏面斜裂纹扩展及转向的主要因素。随着线路工况及轮轨接触位置的变化，弯曲剪应力场的分布区域和方向都会不同。裂纹萌生点附近区域为向上弯曲剪应力，裂纹处于该区域受上弯曲剪应力影响可能转向形成水平裂纹；当斜裂纹发展到较深区域后，一种情况是存在较大向下弯曲剪应力，此时斜裂纹可能转向横向扩展，另一种情况是弯曲剪应力变小，此时斜裂纹会保持初始角度斜向扩展。这些研究结果有助于定性掌握和定量评估钢轨斜裂纹扩展行为及其影响因素，对钢轨的维修养护策略和安全监测有理论指导意义。
作者：	李晓宇
专业：	材料加工工程
导师：	习年生
授予学位：	硕士
授予学位单位：	铁道科学研究院
学位年度：	2007
正文语种：	中文