轮轨滚动接触弹塑性分析及疲劳损伤研究

摘要

轮轨关系是轨道交通系统中的基础问题之一，其中轮轨接触问题一直以来都是国内外学者非常重视且从未停止研究的重要问题。近些年，随着数值方法和计算机的发展，有限元方法在轮轨滚动接触问题研究中得到广泛应用。为了高效、准确的研究轮轨滚动接触问题，本论文采用有限元方法在并行计算环境中完成了轮轨接触静态、稳态和瞬态分析，并在此基础之上结合轮轨间函数型摩擦系数模型完成了轮轨接触疲劳寿命预测和轮轨接触表面裂纹扩展分析。
　　具体开展的研究工作如下:
　　(1)针对轮轨接触区网格尺寸细化至1mm后，轮轨接触三维大规模有限元模型节点数在百万以上且在单机上难以完成计算的情况。采用非线性有限元软件ABAQUS的区域分解并行计算方式，在MPI通信模式的12节点并行计算环境中完成轮轨接触大规模有限元模型的并行计算。根据隐式计算和显式计算的特点，合理选择并行计算节点数以实现优质的并行计算效率，可以较好的解决有限元计算精度和计算效率的矛盾问题。
　　(2)以CRH2型动车组使用的LMA磨耗型车轮和我国标准CHN60钢轨为分析对象，按照Lagrangian方法建立轮轨滚动接触静态模型，重点研究轮对横移、冲角、轴重、转矩和摩擦系数对轮轨接触静态特性的影响。轮轨滚动接触稳态分析则采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立轮轨滚动接触有限元模型，其中车轮的滚动用Eulerian方法描述，而钢轨采用Lagrangian方法描述，轮轨网格无相对运动，采用隐式方法完成轮轨滚动接触稳态分析;以mixedLagrangian/Eulerian轮轨接触有限元模型的稳态计算结果为初始条件，按照Lagrangian方法建立轮轨滚动接触瞬态分析有限元模型并用显式方法完成计算。通过轮轨接触静态、稳态和瞬态分析结果发现摩擦系数对轮轨接触斑内纵向剪切应力和横向剪切应力影响较大，其值与摩擦系数取值成倍率变化，在轮轨滚动接触疲劳寿命分析和裂纹扩展分析中应予以重视。
　　(3)考虑到轮轨摩擦系数对轮轨滚动接触切向特性的影响，在有限元模型的接触定义中采用轮轨函数型摩擦系数替换传统的常数摩擦系数，并结合非线性有限元软件ABAQUS中集成的金属棘轮效应塑性本构模型进行轮轨滚动接触棘轮效应分析;在此基础上使用基于损伤因子的Jiang-Sehitoglu疲劳寿命预测模型进行轮轨滚动接触疲劳寿命分析;最后对滚动接触疲劳寿命分析结果与日本学者AKAMA M和瑞典学者Ringsberg的轮轨接触疲劳分析结果进行了对比，结果表明本文计算结果与日本学者计算结果更为接近，主要是因为轮轨材料参数以及计算工况等与日本学者AKAMA M所使用参数大致相同。
　　(4)扩展有限元方法是求解不连续力学问题的有效方法，在求解裂纹问题时不需要对裂尖进行高密度的网格细化，在模拟裂纹扩展时也不需要对裂纹进行网格重划。以轮轨滚动接触疲劳分析结果为基础，建立轮轨接触扩展有限元裂纹模型，重点分析了轮轨摩擦系数、裂纹位置和裂纹尺寸对轮轨接触表面裂纹扩展的影响。结果表明:轮轨表面裂纹尺寸在8mm左右时J积分值较大，超出钢轨材料在常温下的断裂韧度，裂纹易于扩展，可能导致钢轨横向断裂，该结果与现场观测结果较吻合。
　　已有的轮轨函数型摩擦系数虽然在一定程度上能反映轮轨间摩擦真实状态，但对于存在第三介质（如水、油、磁场）等多场耦合作用下的高速轮轨来说，还需要开展更深入的研究来揭示高速轮轨间的摩擦行为，建立更为准确的轮轨间函数型摩擦系数。另外，轮轨滚动接触疲劳寿命和表面裂纹扩展也与多因素相关，后续研究需要将试验手段和数值分析手段有效结合，系统开展轮轨滚动接触表面损伤的研究。