考虑塑性的钢轨表面疲劳微裂纹分析

摘要

目的研究塑性条件下受重复轮轨荷载的钢轨表面的初始疲劳裂纹行为。方法建立含表面微裂纹的钢轨二维有限元模型,通过耦合裂纹面对应节点达到无裂纹的效果。经过几次循环加载后取消节点耦合设置,达到出现裂纹的效果。分析随着轮轨循环加载钢轨的响应,计算残余应力强度因子,并利用渐进状态(随着循环次数的增加,裂纹尖端区新产生的塑性越来越小,裂尖小范围内塑性不再增加)下的应力强度因子计算初始疲劳裂纹扩展速率。结果有限元模拟中,轮轨荷载循环加载在钢轨上表面,使其产生拉伸残余应力,且随着深度增加,拉伸残余应力越来越小。裂纹萌生后,不同角度的裂纹残余(KI)都随循环次数的增加而减小,但残余(KII)都随循环次数的增加而增大。受残余应力的影响,渐进状态下的钢轨表面初始微裂纹应力强度因子随裂纹角度(θ)的增加而增加。结论钢轨表面的残余应力加快了初始微裂纹的扩展速率,降低了钢轨的使用寿命。