钢轨表面疲劳裂纹的扩展与预防研究

摘要

轮轨接触疲劳是指轮轨接触过程中，在接触区，由于车轮对钢轨的循环力作用，使得钢轨表面或次表面形成微裂纹，随后微裂纹扩展，导致钢轨表面大块剥离，甚至发生断裂。随着铁路客货运量的增大和列车运行速度的提高，轮轨接触疲劳破坏变得越来越严重，直接威胁行车安全。因此，对钢轨表面疲劳裂纹进行研究，能够更加清晰的认识钢轨的疲劳断裂机理，进而改进钢轨的抗疲劳性能，延长钢轨的使用寿命;这样既能减少经营成本，又能降低运行风险。
　　本文通过有限元分析软件ANSYS，对含表面裂纹的轮轨接触疲劳问题进行研究。首先研究ANSYS求K因子的原理并验证其计算结果的正确性，随后分析轴重、摩擦力、摩擦系数、裂纹角度等因素对裂纹扩展的影响。本文研究主要得出如下结论:
　　1、在线弹性范围内，ANSYS计算K因子的精确度可以达到99.9％;当裂纹尖端的屈服范围很小时，属于小范围屈服，则此时塑性区的影响可忽略不计。
　　2、以赫兹理论的接触压力为基础，分析轮轨接触疲劳问题时，存在适用范围小、计算结果偏大、误差累计等缺点;而有限元法的接触压力不仅可以解决比较复杂的轮轨接触疲劳问题，计算结果精度也较高。
　　3、钢轨表面疲劳裂纹属于张开型和滑开型同时存在的复合型裂纹;当接触斑压在裂纹上时，裂纹闭合，接触斑趋近或离开裂纹时，裂纹张开;裂纹发生张开型破坏的最危险位置基本都发生在接触斑边缘位置。
　　4、随着轴重的增加，应力强度因子KⅠ呈增加趋势;而对于KⅡ，不考虑摩擦力时，KⅡ约为KⅠ的5％，纯滚动时，KⅡ约为KⅠ的20％，全滑动时，KⅡ约为KⅠ的55％，也就是摩擦力的存在，大大加剧了轮轨接触疲劳，但是摩擦力的影响往往依赖于轴重。
　　5、当裂纹与钢轨表面的夹角大于75°时，裂纹以张开型为主;在30°～75°之间时，KⅠ、KⅡ的值相差不大，此时钢轨表面裂纹的疲劳扩展由两者共同控制。随着裂纹角度的增加，KⅠ增加而KⅡ减小，其中，裂纹扩展速率最快的方向约为60°。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 轮轨接触疲劳研究现状

1．2．1 钢轨接触疲劳缺陷

1．2．2 国外研究现状

1．2．3 国内研究现状

1．3 轮轨接触疲劳研究的发展趋势

1．4 本论文的主要工作及意义

第2章 断裂理论

2．1 线弹性断裂理论

2．1．1 裂纹的分类

2．1．2 裂纹尖端附近的应力场与位移场

2．2 弹塑性断裂理论

2．2．1 塑性区修正

2．3 断裂判据

2．4 ANSYS计算应力强度因子的原理及技巧

2．4．1 应力强度因子表

2．4．2 ANSYS计算应力强度因子的原理

2．4．3 ANSYS求解应力强度因子的实例验证

2．4．4 ANSYS计算斜裂纹的技巧

2．4．5 裂纹尖端塑性区的影响

2．5 本章小结

第3章 轴重和摩擦力对轮轨接触疲劳的影响

3．1 有限元软件

3．1．1 ANSYS简介

3．1．2 ANSYS典型分析过程

3．2 ANSYS分析的依据

3．2．1 非线性

3．2．2 本构模型

3．2．3 屈服准则

3．2．4 非线性计算的特性

3．2．5 收敛性

3．3 车轮经过钢轨表面裂纹整个过程的有限元分析

3．3．1 有限元分析过程

3．3．2 模型精度验证

3．3．3 计算结果分析

3．4 轴重和摩擦力对轮轨接触疲劳的影响

3．4．1 疲劳裂纹扩展条件

3．4．2 轴重对轮轨接触疲劳的影响

3．4．3 摩擦力对轮轨接触疲劳的影响

3．5 本章小结

第4章 Hertz理论与有限元法分析轮轨接触疲劳的差异性

4．1 轮轨接触分析

4．1．1 基于赫兹理论的轮轨接触荷载计算

4．1．2 基于有限元法的轮轨接触荷载计算

4．2 钢轨疲劳分析

4．2．1 基于赫兹理论的钢轨疲劳分析

4．2．2 基于有限元法的钢轨疲劳分析

4．3 两种方法分析轮轨接触疲劳的差异性

4．4 本章小结

第5章 裂纹角度对轮轨接触疲劳的影响

5．1 垂直裂纹与斜裂纹的扩展差异性

5．2 运行状态的影响

5．2．1 运行状态对裂纹危险位置的影响

5．2．2 运行状态对裂纹扩展速率的影响

5．2．3 运行状态对裂纹危险角度的影响

5．3 轴重的影响

5．3．1 轴重对裂纹危险位置的影响

5．3．2 轴重对裂纹扩展速率的影响

5．3．3 轴重对裂纹危险角度的影响

5．4 轮轨间摩擦系数的影响

5．5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文