轮轴裂纹随机特性接触模型及其应力分析

摘要

轮轴作为高铁列车的重要行走部件，由于复杂受力环境和配合区非线性特性的影响，易产生各种损伤，其损伤的主要表现形式是疲劳裂纹。轮轴的疲劳裂纹产生于配合边缘局部，具有随机特性，使轮轴接触问题成为复杂的三维接触问题。传统的弹性力学解析法和二维轴对称有限元法将轮轴接触问题看作二维接触问题来研究，无法解释裂纹随机产生的成因。因此，研究轮轴的三维接触建模方法，能够反映轮轴接触应力随机分布的特性，完成接触应力的不均匀性分析，对于揭示轮轴随机局部裂纹机理及其强度校核具有十分重要的理论与工程意义。
　　本文将轮轴二维接触问题转化为三维接触问题，首先定性的分析了轮轴接触应力分布随机特性的成因;然后重点研究了轮轴随机圆度模型、三维接触几何模型和有限元模型的建模方法;最后通过建立含有随机圆度缺陷的轮轴三维随机接触模型以及有限元计算，验证了圆度误差缺陷对轮轴接触应力分布的影响，并提出了轮轴接触应力不均匀性分析的方法。研究的具体内容如下:
　　1.通过轮轴裂纹声发射系统的试验结果，进行采集的声发射表征参数、裂纹产生结果与轮轴过盈接触特性的综合分析，分析结果表明，轮轴疲劳裂纹分布具有随机特性，其产生的主要原因是轮轴接触应力不均匀分布。
　　2.分析了过盈量、配合面材质均匀性、硬度、表面粗糙度、几何误差以及形位误差等因素对轮轴配合面接触应力分布的影响，分析结果认为，具有随机特性的轮轴圆度缺陷是接触应力不均匀分布的主要成因;
　　3.应用线性混合同余理论和分段保形三次Hermite插值法，借助MATLAB软件，完成轮轴圆度轮廓随机插值点的生成和随机圆度模型曲线的描述，提出了具有随机特性的圆度轮廓建模方法。
　　4.利用分层抽样法，提取小样本圆度模型曲线。利用逆向建模理论，在Pro/E中建立轮轴三维随机接触几何实体模型;然后对其进行有限元前处理、求解定义并计算;进而将轮轴二维接触问题转化为三维接触问题，并完成了轮轴三维随机接触模型的应力计算。
　　5.结合有限元计算结果，分析圆度误差缺陷、附加过盈量对轮轴不均匀性的接触状态、接触应力以及预紧力的影响;并对轮轴圆度的随机轮廓模型建立的方法进行评价;上述应力分析可为轮轴设计提供接触强度校核计算方法。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 课题相关领域国内外研究现状

1．2．1 轮轴疲劳裂纹的国内外研究现状

1．2．2 圆柱面过盈配合的国内外研究现状

1．3 研究内容

1．4 技术路线

2 轮轴裂纹随机特性与接触应力不均匀性分析

2．1 轮轴装配结构

2．2 基于声发射(AE)检测技术的轮轴疲劳裂纹试验

2．2．1 试验测试系统的总体设计与组成

2．2．2 试验平台与试验方案

2．2．3 试验采集数据分析

2．3 轮轴裂纹随机特性影响因素研究

2．3．1 过盈配合的弹性力学理论

2．3．2 轮轴过盈配合的接触应力计算

2．3．3 接触应力分布的影响因素研究

2．4 接触有限元理论

2．4．1 接触问题概述

2．4．2 接触问题有限元理论

2．5 本章小结

3 具有随机特性的轮轴圆度轮廓模型研究

3．1 轮轴圆度误差描述

3．2 圆度轮廓模型随机插值点生成

3．2．1 线性同余理论

3．2．2 随机插值点生成的研究

3．2．3 随机插值点概率特性研究

3．3 圆度轮廓模型曲线的描述

3．3．1 插值理论概述

3．3．2 多项式插值法的分类

3．3．3 圆度模型曲线插值法研究

3．3．4 圆度模型曲线的描述

3．4 圆度轮廓随机模型的描述实例

3．5 本章小结

4 轮轴三维随机接触模型研究

4．1 几何实体模型研究

4．1．1 逆向建模理论

4．1．2 实体模型简化

4．1．3 几何实体逆向建模

4．2 随机接触有限元模型研究

4．2．1 网格划分

4．2．2 接触对设置

4．2．3 实常数与单元关键选项设置

4．2．4 边界条件设定

4．2．5 载荷设定

4．2．6 求解定义

4．3 本章小结

5 轮轴接触应力不均匀性分析

5．1 圆度缺陷接触应力分析

5．1．1 接触区域应力分析

5．1．2 接触预紧应力分析

5．1．3 接触边缘应力分布

5．1．4 圆度误差精度的接触应力分析

5．2 附加过盈量的接触应力分析

5．3 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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