钢轨在滚动接触疲劳下的裂纹萌生及扩展分析

论文摘要

轮轨接触荷载是一种与时间相关的多轴非比例荷载,这种循环荷载导致钢轨表面或次表面萌生裂纹。钢轨的大部分损伤都与杂质导致的裂纹和钢轨表面裂纹扩展有关,所以研究钢轨疲劳裂纹的萌生及扩展是非常有必要的,这有助于了解钢轨的剥离、轨面塌陷、钢轨核伤及钢轨断裂等损伤机理,可为减少钢轨的损伤提出合理化建议。论文的主要工作如下:（1）对含夹杂的二维钢轨模型进行了有限元模拟,并利用Dang Van多轴疲劳裂纹萌生准则计算了夹杂周围的裂纹萌生危险系数。模拟结果显示,夹杂周围的裂纹萌生区呈“蝴蝶”形,硬夹杂的裂纹萌生区比软夹杂的大,且裂纹更容易在硬夹杂周围萌生。（2）分析了双轴疲劳拉伸试样裂纹尖端的周向应变幅值随角度的变化,用最大周向应变幅值准则预测了多轴非比例荷载下疲劳裂纹的扩展方向,并对疲劳裂纹的分叉扩展做出了解释。预测的裂纹扩展方向与实验结果吻合良好。（3）在线弹性断裂力学框架下对钢轨表面疲劳裂纹进行了分析,其中用最大周向应变幅值判据对裂纹的扩展方向进行了预测。研究结果表明,钢轨表面的小角度斜裂纹很容易向上偏转朝钢轨表面扩展,导致钢轨表面剥离,大角度裂纹（30°、40°和45°）则容易分叉扩展。裂纹面的摩擦系数对KⅠ几乎没有影响,而裂纹面摩擦系数越大,?KⅡ越小。裂纹面摩擦系数对裂纹扩展角度影响较小,当裂纹面摩擦系数大于0.3时,裂纹扩展角度几乎不变。轮轨间摩擦力对应力强度因子KⅠ和KⅡ的变化趋势和大小的影响都很大。（4）用有限元法模拟了钢轨表面裂纹尖端的塑性区随荷载循环次数的变化。模拟结果显示,当车轮对钢轨的摩擦力较小（μ=0.1）时,裂纹尖端塑性区尺寸满足线弹性断裂力学的“小范围”屈服条件。当车轮对钢轨的摩擦力较大（μ=0.2）时,裂纹尖端的循环塑性显著增大,且大角度（θ=30°）裂纹尖端的循环塑性区明显大于小角度（θ=15°）裂纹尖端的循环塑性区。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 研究意义
•   1.2 钢轨的疲劳损伤介绍
•   1.3 国内外研究现状
•     1.3.1 非金属夹杂物对滚动接触疲劳的影响
•     1.3.2 疲劳裂纹的扩展方向
•     1.3.3 滚动接触疲劳裂纹分析
•   1.4 本文的主要工作
• 第2章 夹杂引起的钢轨疲劳裂纹萌生
•   2.1 多轴疲劳裂纹萌生准则
•   2.2 有限元模拟
•     2.2.1 有限元模型
•     2.2.2 钢轨材料的本构模型及材料参数
•     2.2.3 有限元模型的荷载
•     2.2.4 有限元模拟过程
•   2.3 模拟结果分析
•     2.3.1 应力状态和等效塑性应变分析
•     2.3.2 疲劳裂纹萌生分析
•   2.4 本章小结
• 第3章 多轴非比例疲劳裂纹扩展方向
•   3.1 有限方形平板中心斜裂纹的应力强度因子
•     3.1.1 边界配位法介绍
•     3.1.2 基本方程
•     3.1.3 应力强度因子计算
•   3.2 疲劳裂纹扩展方向的确定
•     3.2.1 双轴拉伸实验介绍
•     3.2.2 预测疲劳裂纹扩展方向的设想
•     3.2.3 理论计算
•   3.3 本章小结
• 第4章 钢轨表面疲劳裂纹分析
•   4.1 钢轨表面疲劳裂纹的相关理论介绍
•     4.1.1 疲劳裂纹的三个阶段
•     4.1.2 与疲劳裂纹三个阶段相对应的研究方法
•     4.1.3 疲劳裂纹扩展速率
•   4.2 钢轨表面疲劳裂纹有限元分析
•     4.2.1 研究模型
•     4.2.2 有限元模型
•     4.2.3 有限元模拟准确性的验证
•     4.2.4 网格敏感性验证
•     4.2.5 有限元结果分析
•   4.3 疲劳裂纹扩展路径分析
•   4.4 本章小结
• 第5章 钢轨表面疲劳裂纹尖端塑性区分析
•   5.1 疲劳裂纹尖端循环塑性区介绍
•   5.2 钢轨表面裂纹尖端循环塑性区的有限元模拟
•   5.3 有限元结果分析
•     5.3.1 塑性区分析
•     5.3.2 裂纹尖端周围应力和应变分析
•   5.4 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 昝晓东

导师: 江晓禹

关键词: 夹杂,疲劳裂纹扩展方向,应力强度因子,循环塑性区,钢轨损伤

来源: 西南交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 力学,铁路运输

单位: 西南交通大学

分类号: U213.4;O346.1

DOI: 10.27414/d.cnki.gxnju.2019.001124

总页数: 62

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