鋼軌踏面斜裂紋擴(kuò)展行為的仿真研究

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1、鐵道科學(xué)研究院學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不舍任何其他個人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品或成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均己在文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。論文作者簽名：蒼琉寧日期：訕07年7月歲J日關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)說明本人了解鐵道科學(xué)研究院有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留學(xué)位論文，允許學(xué)位論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨紝W(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用復(fù)印、縮印

2、或其他手段保存學(xué)位論文；學(xué)校可根據(jù)有關(guān)規(guī)定，送交學(xué)位論文。對以上規(guī)定中的任何一項，本人表示同意，并愿意提供使用。作者簽名：套奶字導(dǎo)師簽名；日期；p司年7月爿日鐵道科學(xué)研究院碩士學(xué)位論文摘要隨著鐵路向高速、重載和高密度運(yùn)行發(fā)展，鋼軌滾動接觸疲勞傷損大為增加。傷損類型及傷損發(fā)展特點也在發(fā)生變化。鋼軌踏面斜裂紋屬于鋼軌疲勞傷損，是近年來反映突出的鋼軌傷損類型之一，發(fā)展嚴(yán)重時將導(dǎo)致鋼軌的橫向斷裂而危及行車安全，國外及國內(nèi)已發(fā)生多起由踏面斜裂紋導(dǎo)致鋼軌橫向斷裂的事故。從廣深線等現(xiàn)場的鋼軌斜裂紋傷損情況來看，裂紋起源于鋼軌踏面表

3、層，并以與鋼軌頂面成一定角度050“0。)斜向向軌頭內(nèi)部擴(kuò)展，當(dāng)斜裂紋擴(kuò)展到一定深度時，可能轉(zhuǎn)為橫向擴(kuò)展，也可能繼續(xù)沿斜向擴(kuò)展。裂紋擴(kuò)展方式的不同，將產(chǎn)生不同的鋼軌缺陷形式，并對行車安全、工務(wù)維護(hù)產(chǎn)生不同的影響。目前，一些研究人員主要從斷口觀察分析，冶金材質(zhì)檢驗等方面進(jìn)行了試驗分析，對鋼軌斜裂紋的發(fā)展模式、擴(kuò)展機(jī)理進(jìn)行了定性的探討研究，但對裂紋在萌生之后的擴(kuò)展行為，特別是裂紋轉(zhuǎn)向的影響因素還缺乏深刻的研究。本論文是鐵道科學(xué)研究院研發(fā)中心項目“鋼軌的滾動接觸疲勞傷損與安全評價研究(2004YF04)”的部分研究內(nèi)容。論

4、文研究旨在定量分析不同工況下鋼軌踏面斜裂紋的擴(kuò)展行為和機(jī)理，探討鋼軌斜裂紋擴(kuò)展、轉(zhuǎn)向的主要影響因素，為鋼軌斜裂紋缺陷的維修養(yǎng)護(hù)對策、安全評價提供理論和數(shù)據(jù)支持。論文主要研究內(nèi)容是：按照現(xiàn)場觀察到的鋼軌踏面斜裂紋形態(tài)，利用ANSYS軟件建立鐵道科學(xué)研究院碩士學(xué)位論文不同尺寸的典型鋼軌踏面斜裂紋的三維模型；根據(jù)實際現(xiàn)場觀察的輪軌接觸光帶位置，模擬輪軌接觸狀態(tài)，采用雙線性隨動強(qiáng)化材料，對鋼軌踏面斜裂紋的應(yīng)力場和應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行仿真計算；研究了接觸力、接觸位置、軸重、摩擦系數(shù)、鋼種、運(yùn)行速度這些工況參數(shù)對鋼軌踏面斜裂紋的擴(kuò)展

5、影響，并計算了兩種典型工況下的斜裂紋擴(kuò)展行為，闡述了其擴(kuò)展機(jī)理。關(guān)于無裂紋輪孰接觸條件下鋼軌承載能力和工況參數(shù)對它的影響問題，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開展了大量研究，也取得了很好的成效，但針對鋼軌踏面斜裂紋問題的帶裂紋體輪軌接觸仿真計算還是空白．本論文綜合考慮輪軌作用影響區(qū)范圍及仿真計算量，按照60kg／m鋼軌標(biāo)準(zhǔn)斷面建立CAD模型，取4跨距長鋼軌。每跨568．2mm。軌枕采用s—IJ型混凝土枕，上寬為169．5mm。取軸重23t，鋼軌彈性模量E=2．06x105MPa，泊松比v=0．3。輪軌摩擦系數(shù)卿’3。模型采用雙線性材料

6、，屈服強(qiáng)度分別為a0-=565MPa(U75V熟軋軌)和咖2=870MPa(U75V淬火軌)，隨動強(qiáng)化系數(shù)0．1。根據(jù)Hertz接觸理論，輪軌接觸區(qū)取為赫茲橢圓接觸面，并提出了相應(yīng)的半軸a和b的計算公式，從而可計算出不同接觸狀態(tài)下的接觸斑長短軸大小。斜裂紋位于4跨鋼軌中部，結(jié)合現(xiàn)場實際，取為半橢圓形，與鋼軌橫向成300，傾斜角為200，長短軸比為2；1。斜裂紋中心距軌距邊15mm。對所建模型采用Solid95、Solid92、Solid45、Mesh200(線、鐵道科學(xué)研究院碩士學(xué)位論文面)單元劃分網(wǎng)格，取軌底網(wǎng)格尺

7、寸為10mm，軌頂網(wǎng)格尺寸為6mm，裂紋尖端處最小網(wǎng)格尺寸為O．Imm，過渡區(qū)網(wǎng)格尺寸為4mm，輪軌接觸區(qū)網(wǎng)格尺寸為lmm。將模型逐塊劃分，然后通過APDL編程對裂紋尖端單元進(jìn)行奇異化處理，對自由劃分部分單元進(jìn)行退化轉(zhuǎn)變處理以獲得較高精度網(wǎng)格。在模型兩端面處施加對稱約束，軌枕處施加除縱向外的全約束。仿真直線線路鋼軌，對輪軌接觸斑施加垂向和縱向載荷；仿真曲線段鋼軌，則對輪軌接觸斑旌加垂向，縱向及橫向三向載荷。由于所研究問題涉及到形狀、位置都較為復(fù)雜的三維斜裂紋，所以在實體模型處理上需要一些技巧性較強(qiáng)的方法來完成。首先要

8、對裂紋形狀進(jìn)行簡化，參照現(xiàn)場實際情況而近似取為半橢圓形，在盡量接近實際的前提下方便模型的建立。確定下裂紋中心所在的位置，在該處建立一個包含半裂紋面在內(nèi)的橢圓柱體，通過～系列的幾何布爾運(yùn)算操作主要為Partition和帶選項的用工作平面切割等，從而得到具有裂紋特性的模型，即在裂紋尖端處保持共線，而兩個半橢圓裂紋面重合存在，這樣的模型在劃分網(wǎng)格時才