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

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。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 列车轮轨滚动接触疲劳研究现状

1．3 滚动接触疲劳裂纹萌生及扩展机理

1．3．1 疲劳裂纹萌生机理

1．3．2 疲劳裂纹扩展机理

1．4 本文的主要研究工作

2 滚动接触疲劳裂纹研究理论基础与分析方法

2．1 接触问题分析理论

2．1．1 接触力学概述

2．1．2 赫兹接触理论

2．2 断裂力学理论

2．2．1 断裂力学概述

2．2．2 裂纹尖端应力强度因子理论

2．2．3 疲劳裂纹扩展速率

2．3 有限单元法

2．3．1 有限单元法概述

2．3．2 ANSYS面—面接触分析

2．4 本章小结

3 轮轨滚动接触疲劳裂纹萌生计算分析

3．1 轮轨接触有限元模型的建立

3．1．1 有限元模型建立的假设

3．1．2 轮轨接触三维实体模型建立以及网格划分

3．1．3 轮轨接触模型的材料以及边界条件设定

3．2 有限元法分析疲劳裂纹萌生

3．2．1 轴重对疲劳裂纹萌生的影响

3．2．2 摩擦系数对疲劳裂纹萌生的影响

3．2．3 牵引力矩对疲劳裂纹萌生的影响

3．3 本章小结

4 轮轨滚动接触疲劳裂纹扩展计算分析

4．1 钢轨表面疲劳裂纹有限元模型的建立

4．1．1 应力强度因子的计算方法

4．1．2 有限元模型材料设定及建立

4．2 有限元法分析疲劳裂纹扩展

4．2．1 轴重对裂纹尖端应力强度因子的影响

4．2．2 摩擦系数对裂纹尖端应力强度因子的影响

4．2．3 行车速度对裂纹尖端应力强度因子的影响

4．3 本章小结

5 缓解滚动接触疲劳裂纹伤损的措施

5．1 优化轮轨接触型面

5．1．1 优化轮轨接触型面设计原则

5．1．2 优化轮轨接触型面设计方法

5．1．3 优化前后两种轮轨接触型面接触应力对比分析

5．2 钢轨磨损对滚动接触疲劳伤损的影响

5．2．1 磨损与滚动接触疲劳裂纹的竞争关系

5．2．2 预防性打磨技术缓解滚动接触疲劳裂纹

5．3 本章小结

6 结论

7 展望

参考文献

9 论文发表情况

致谢