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高速铁路轮轨滚动接触疲劳裂纹萌生及扩展的有限元分析
| 论文题名： | 高速铁路轮轨滚动接触疲劳裂纹萌生及扩展的有限元分析 |
| 关键词： | 轮轨接触应力;疲劳裂纹;摩擦系数;应力强度因子;有限元分析;高速铁路 |
| 摘要： | 近年来铁路运输不断向高速、重载方向发展，创造了巨大的经济效益和社会效益。然而高速铁路运输向科学研究提出了一系列挑战，许多关键科学技术问题急需解决，其中轮轨接触疲劳裂纹伤损问题就是铁路运输中最复杂的科学问题之一。 接触疲劳裂纹的萌生和扩展与轮轨接触应力密切相关，所以求解分析轮轨之间接触应力就成为研究裂纹萌生和扩展状况的关键问题。本文采用三维建模软件Pro/E以车轮和钢轨实际的几何尺寸建立三维实体模型，运用有限元分析软件ANSYS建立有限元模型，然后进行了计算分析。首先研究了在不同轴重，摩擦系数和牵引力矩下轮轨接触应力的变化，阐述了接触应力的变化对接触疲劳裂纹萌生的影响。随后在原有模型的基础上，建立了含有裂纹的有限元模型，计算分析了不同轴重、摩擦系数和行车速度对裂纹尖端应力强度因子的影响。 计算分析结果表明:在针对疲劳裂纹萌生方面，随着轴重和牵引力矩的增加，轮轨接触剪切应力和最大Mises应力会逐渐增大，加剧了塑性变形和塑性流动，加快了疲劳裂纹的萌生速度;摩擦系数的增加基本不会对法向接触应力和Mises应力产生很大影响，但是会使垂向剪切应力和纵向剪切应力有增大的趋势，这个趋势也会加快疲劳裂纹的萌生。在针对疲劳裂纹扩展方面，轴重对裂纹尖端应力强度因子影响较大，但是轴重的变化对三种类型裂纹的变化有不是十分明显的影响，随着行车速度增大应力强度因子逐渐增大，加快了疲劳裂纹的扩展速率，随着摩擦系数的增大裂纹尖端应力强度因子会逐渐减小。这说明钢轨涂抹润滑油在减小磨损的同时，反而会使应力强度因子增大，加快裂纹的扩展。 这些研究结果有助于制定缓解疲劳裂纹伤损的措施。可以通过优化轮轨接触型面减小接触应力，本文对比优化前后轮轨接触Mises应力，优化后应力值明显减小，达到了优化车轮踏面的目的。预防性打磨技术利用疲劳裂纹向垂直方向增长速率开始增大的转折点，对钢轨轨头表面的疲劳裂纹进行控制，使裂纹在没有垂向扩展之前就消除掉。 |
| 作者： | 赵运磊 |
| 专业： | 机械设计及理论 |
| 导师： | 胡军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津科技大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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