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轮轨接触表面微裂纹扩展研究

作　者: 李士一
导　师: 江晓禹
学　校: 西南交通大学
专　业: 工程力学
关键词: 表面微裂纹接触斑有限元模拟分析应力强度因子疲劳扩展门槛值断裂韧性疲劳寿命
分类号: U213.42
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

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K1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K1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一磨耗型新轨、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。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-12
第1章绪论  12-21
  1.1 研究背景及意义  12-15
  1.2 轮轨接触疲劳研究现状  15-18
    1.2.1 国外研究现状  16-17
    1.2.2 国内研究现状  17-18
  1.3 轮轨接触疲劳研究的发展趋势  18-19
  1.4 本论文的主要工作及意义  19-21
第2章钢轨表面微裂纹扩展研究  21-32
  2.1 断裂力学相关理论  21-26
    2.1.1 线弹性断裂力学基本理论  21-24
    2.1.2 疲劳裂纹扩展基本理论  24-26
  2.2 ANSYS计算断裂问题  26-28
  2.3 ANSYS计算接触问题  28-31
  2.4 本章小结  31-32
第3章不考虑摩擦力作用下的钢轨表面微裂纹扩展研究  32-37
  3.1 无摩擦力下的钢轨表面微裂纹有限元模型  33-34
  3.2 计算结果与讨论  34-36
  3.3 本章小结  36-37
第4章磨耗型踏面下钢轨表面微裂纹的有限元模拟  37-52
  4.1 磨耗型轮对接触情况的钢轨表面微裂纹有限元模型的建立  37-40
  4.2 磨耗型车轮踏面-磨耗型新轨的计算结果与讨论  40-46
  4.3 磨耗型车轮踏面-已磨耗钢轨的计算结果与讨论  46-50
  4.4 本章小结  50-52
第5章锥型踏面下钢轨表面微裂纹的有限元模拟  52-58
  5.1 锥型轮对接触情况的钢轨表面微裂纹有限元模型的建立  52-53
  5.2 锥型车轮踏面-磨耗型新轨的计算结果与讨论  53-57
  5.3 本章小结  57-58
第6章钢轨疲劳寿命分析  58-66
  6.1 疲劳和疲劳寿命  58-59
  6.2 疲劳累计损伤  59-60
  6.3 疲劳寿命预测  60-64
  6.4 本章小结  64-66
结论与展望  66-68
致谢  68-69
参考文献  69-73
攻读硕士学位期间发表的学术论文  73

轮轨接触表面微裂纹扩展研究

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