轮轨摩擦接触下钢轨多裂纹相互作用研究

利用热机耦合有限元法,建立了轮轨摩擦接触时钢轨表面多裂纹的热弹性平面应变有限元模型。数值模型中,考虑轮轨摩擦温升对轮轨材料参数的影响,通过移动载荷和热源来模拟运动车轮对钢轨的作用。分析了轮轨滑动接触时多裂纹相互作用和表面裂纹数量对钢轨疲劳裂纹扩展特性的影响。计算结果表明：与单个裂纹相比,多裂纹有降低钢轨疲劳裂纹扩展的作用;钢轨裂纹尖端应力强度因子K1和应力强度因子范围?K2均随裂纹数的增多而减小;钢轨表面裂纹数为5条时可以反映更多裂纹时的裂纹扩展特性。     

轮径和轴重对轮轨接触特性的影响

本文基于三维弹性体非Hertz滚动接触理论、CONTACT程序和有限元法,针对LMa车轮踏面与CN60钢轨匹配问题,通过仿真分析不同轮径和轴重的车轮对轮轨蠕滑力、轮轨接触应力和轮轨滚动接触疲劳等的影响。结果表明,在相同轮对横移量和轮径条件下,轴重每增加1t,轮轨蠕滑力平均增加7%～8%,接触斑面积、接触压力和等效应力平均增加2%～3%;在相同轮对横移量和轴重条件下,轮轨接触斑面积随轮径增加而增加,轮轨接触压力、等效应力随轮径增加而降低,但变化幅度均较小。计算结果可为车辆轮径和轴重的选择提供参考依据。     

高速滚滑下轮轨表层材料的应变率水平估计

基于显式有限元法建立了三维轮轨高速瞬态滚动接触模型,详细分析了车轮以300 km/h速度滚过平顺钢轨表面、钢轨波磨（波长30 mm~170 mm）和宏观粗糙度（波长4 mm~30 mm）时钢轨表层0.25 mm~0.5 mm厚材料的平均应变率水平。结果显示：1）空间上,表层单元的应变率最大,时间上,表层材料的最高应变率发生于其进出接触斑的加、减载过程,且法向应变分量的应变率最大,其最值是Von Mises（V-M）等效应变率最值的1.50倍~1.86倍;2）网格大小和时间步长对应变率估计有不可忽略的影响;3）采用0.5 mm网格和0.32 μs步长,平顺轮轨表层单元的最大V-M等效应变率为64.1 s^-1,材料弹塑性无影响,波磨和宏观粗糙度使弹性下的最大V-M等效应变率分别增至92.5 s^-1和79.4 s^-1;采用0.25 mm网格和0.042 μs步长的结果约为上述值的1.65倍~1.88倍;4）最大V-M等效应变率随速度线性增加,随摩擦系数的增加而单调递增,牵引系数的影响可忽略。     

钢轨接头轨缝对轮轨接触应力的影响

利用有限元软件ANSYS建立了钢轨接头端处轮轨弹塑性接触有限元模型,分析计算钢轨材料弹塑性接触应力和变形随轮轨接触点到轨缝距离变化的情况,数值结果并与Hertz接触理论的结果进行了比较。数值结果表明:Mises等效应力、最大主剪应力、塑性区和变形越靠近轨缝越大;最大等效应力和最大主剪应力的位置随接触点到轨缝距离的减小而接近轨面;在靠近钢轨接头处,钢轨几何形状突变,已不满足Hertz接触理论的假设条件,所以Hertz接触理论不适合轮轨接触应力和变形分析。     

轮对运动状态对轮轨滚动接触应力的影响

分析计算了锥型踏面轮对沿轨道滚动接触时轮轨接触几何参数和不同运动状态下的轮轨之间的刚性蠕滑率.根据确定的轮轨接触几何参数和轮轨接触界面之间的蠕滑率,利用非Hertz滚动接触理论分析计算了锥型轮对和钢轨滚动接触斑作用力的分布.再利用弹性力学中Bossinesq-Cerruti力/位移计算公式并借助Gauss数值积分方法,确定了轮轨滚动接触时体内的弹性位移、应变和应力随轮对运动状态变化情况.数据结果为轮轨强度设计提供了重要的参考依据.     

地铁车轮磨耗对轮轨接触特性及动力学性能的影响

对某地铁线路轮轨磨耗进行测试,分析实测型面与CN60钢轨匹配的轮轨接触几何关系,并利用Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论对轮轨接触力学特性进行分析。利用UM多体动力学软件建立某B型地铁车辆动力学仿真模型,分析轮轨磨耗对车辆动力学性能及轮轨接触损伤特性的影响。结果表明：该线路车轮踏面磨耗较均匀,存在明显轮缘磨耗现象。不同运行里程下实测车轮踏面外形基本相似,导致车轮磨耗对轮轨接触几何关系、轮轨接触力学特性及车辆动力学性能的影响较小。实测轮轨匹配下的动力学性能略有下降。随着运行里程增大磨耗指数变化不大,表明车轮磨耗稳定。车轮磨耗后表面疲劳指数大于标准型面,出现滚动接触疲劳的可能性增大。     

轴重对轮轨材料滚动磨损与损伤行为影响

利用WR-1轮轨滚动磨损实验机研究不同轴重下轮轨材料滚动磨损与损伤性能。结果表明:轮轨试样磨损率均随轴重增加呈现线性增加趋势,且钢轨试样磨损率大于车轮试样磨损率。轮轨试样硬化率均随时间呈现先增加后趋于稳定的变化趋势,轮轨试样塑变层厚度和硬化率均随轴重增加而增大,且车轮试样硬化率大于钢轨。车轮试样和钢轨试样表面损伤形貌不同,车轮试样表面表现为垂直于滚动方向的疲劳裂纹,钢轨试样表面表现为裂纹和块状剥落,轮轨试样表面损伤均随轴重增加而更加严重;车轮试样表面裂纹疲劳断裂和钢轨试样表面块状剥落形成磨屑,成分主要为Fe2O3和马氏体,随轴重增加,磨屑尺寸呈现增大趋势,但成分与含量无明显变化。     

关于瞬态应力强度因子和裂纹扩展加速度之间的关系探讨

将动态焦散线法与高速摄影技术相结合,本文记录了高分子材料悬臂梁内裂纹扩展加速、减速过程。一方面,利用动态焦散线可确定扩展裂尖的瞬态应力强度因子;另一方面,利用最小二乘法将裂纹扩展的水平、垂直位移分量拟合成时间(t)的四次多项式,描述了裂纹扩展方向、裂纹扩展加速度以及裂纹扩展加速度与动态应力强度因子的关系。结果表明:裂纹扩展加速度与动态应力强度因子之间存在一定的依赖关系;利用最小二乘法将裂纹扩展的水平、垂直分量拟合成时间(t)的四次多项式,可以对裂纹的扩展方向、加速度进行定量分析。     

含裂纹压电材料的Cell-Based光滑扩展有限元法

为精确而有效地求解机电耦合作用下含裂纹压电材料的断裂参数,首先,通过将复势函数法、扩展有限元法和光滑梯度技术引入到含裂纹压电材料的断裂机理问题中,提出了含裂纹压电材料的Cell-Based光滑扩展有限元法;然后,对含中心裂纹的压电材料强度因子进行了模拟,并将模拟结果与扩展有限元法和有限元法的计算结果进行了对比。数值算例结果表明:Cell-Based光滑扩展有限元法兼具扩展有限元法和光滑有限元法的特点,不仅单元网格与裂纹面相互独立,且裂尖处单元不需精密划分,与此同时,Cell-Based光滑扩展有限元法还具有形函数简单且不需求导、对网格质量要求低且求解精度高等优点。所得结论表明Cell-Based光滑扩展有限元法是压电材料断裂分析的有效数值方法。      

微观组织对贝氏体钢疲劳裂纹扩展行为的影响

为了研究组织对疲劳裂纹扩展行为的影响,对3种不同贝氏体组织钢进行了疲劳裂纹扩展实验,并采用SEM和EBSD等方法对裂纹进行了分析.结果表明,板条贝氏体组织在近门槛区和稳定扩展区阻碍裂纹扩展的能力最强,具有最小的裂纹扩展速率.板条贝氏体组织中的大角度晶界使裂纹更容易发生偏折,导致断口表面粗糙度增加,裂纹扩展受到较强的粗糙度诱导裂纹闭合效应的作用.随着ΔK的增大,塑性诱导裂纹闭合效应取代粗糙度诱导裂纹闭合效应开始占据主导作用,是板条贝氏体组织中裂纹扩展速率对ΔK的变化较敏感的原因.     

交通信号支撑结构疲劳裂纹扩展有限元分析

为了解决交通信号支撑结构疲劳裂纹扩展的问题,利用ANSYS软件对已有的信号支撑结构静力和疲劳试验分别建模分析,并用有限元结果与试验结果进行对比。研究表明：静力加载模型中,圆钢管上最大Mises应力为413.7 MPa,有限元结果与试验结果较为接近;裂纹最深点△K_Ⅱ和△K_Ⅲ值较小,△K_eff与△K_Ⅰ几乎完全相等,裂纹扩展寿命主要受△K_Ⅰ值的影响;远离裂纹端点处各点的△K_Ⅰ值呈现出M形状;Bowness公式计算得到的裂纹最深点的△K_Ⅰ值比有限元结果大,利用该公式预测交通信号支撑结构端板与圆钢管焊接节点的疲劳寿命较为保守。     

全轮对曲线通过时的瞬态滚动接触行为模拟研究

采用显式有限元法建立了我国某地铁系统R300 m曲线段的全轮对三维轮轨瞬态滚动接触模型,在时域内数值模拟了轮对曲线通过时的瞬态滚滑行为,详细分析了自由轮对滚过无不平顺的光滑钢轨和单侧钢轨存在波磨时两侧轮轨间的接触力、接触应力、相对滑移和黏滑区分布及摩擦功等结果。相比以往直线轨道的半轮对和全轮对滚动接触模型,该模型将曲线超高、弯曲钢轨、轮对横移及侧滚等考虑在内。光滑轮轨的结果表明：以50 km/h通过曲线时（均衡速度50.42 km/h）,外轨磨耗大于内轨,最大磨耗值约为内轨的3.1倍,且集中于轨距角附近;随着横移量的增大,外轨的接触力、接触应力及摩擦功会显著增大;这些与现场观测一致,初步验证了模型的可靠性。存在于单侧钢轨的短波波磨会引起两侧轨头摩擦功的波动,不仅会造成波磨侧轨面的不均匀磨耗,也会引发另一侧钢轨的轻微不均匀磨耗。该文计算工况下,波磨存在于内轨时引起的无波磨侧摩擦功最大波动幅值约为存在于外轨时相应结果的1.9倍,即内轨短波波磨能更有效触发无波磨侧萌生波磨;短波波磨无论发生在内轨还是外轨,两侧摩擦功波动幅值均在40 km/h~50 km/h间某速度下（略低于均衡速度）达到最小值,即波磨发展速率最低。     

裂纹扩展问题的改进XFEM算法

利用扩展有限元法计算裂尖附近应力、位移场,进而得到裂尖应力强度因子和开裂角;水平集法描述、追踪裂纹,并由单元结点水平集值判别单元类型;将二者结合起来分析处理裂纹扩展问题。针对水平集判别倾斜裂纹单元类型的不足,分析问题的原因,并给出解决方案。最后,通过典型算例分析,表明将扩展有限元法与水平集法结合分析裂纹扩展问题时具有不需网格重构,裂纹与网格相互独立的特点;同时验证了笔者提出解决方案的准确性和可行性。     

两种轮轨接触应力算法对比分析

选择我国高速车轮LMa踏面及其运营磨耗后实测得到的踏面外形与我国标准CN60钢轨匹配,分别采用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及其数值程序CONTACT和三维轮轨接触有限元模型,计算了轮轨接触斑面积、接触压力和接触应力等,并对两种算法所计算的结果进行了对比分析。计算结果表明：CONTACT程序计算得到的轮轨接触斑面积小于有限元计算结果,但CONTACT计算得到的轮轨间最大接触压力和最大等效应力大于有限元结果,尤其在车轮轮缘贴靠钢轨时两者差异更为明显。而当车轮与钢轨在接触点处的曲率半径远大于接触斑的几何尺寸时,CONTACT和有限元法得到的结果差异较小。车轮磨耗后轮轨接触容易发生多点接触,CONTACT和有限元法计算轮轨多点接触得到的结果相差非常大,CONTACT程序不宜用来解决此类接触问题。     

一种新型裂尖加强函数的显式动态扩展有限元法

基于扩展有限元方法提出了一种新的裂尖加强函数,与传统三角函数基表征的加强函数相比,该裂尖加强函数通过组合传统的函数基,继承了传统附加函数的特性,同时使得结点的奇异附加自由度减少为2个,减少了总体劲度矩阵的规模,提高了计算效率。通过集中质量矩阵考虑结构的惯性效应,使用显式时间积分方法计算了含裂纹结构的瞬间受载问题,并应用相互作用积分得到裂尖端点处的动态应力强度因子。通过相关算例的对比分析,验证了所提出的裂尖加强函数的有效性,同时表明采用显式时间积分方法进行结构动态响应分析的可行性及准确性。     

C形环小试样疲劳裂纹扩展试验方法与应用

航空航天、核反应堆工程等重要工程结构的安全控制对材料断裂性能有重要需求,小尺寸试样断裂韧性测试需求日益凸显。该文提出了一套用于小尺寸构件疲劳裂纹扩展速率测试的C形环小试样试验方法,设计了试样构形和试验夹具,并基于有限元分析和柔度法理论,建立了C形环小试样裂纹长度预测公式和应力强度因子K的表达式。对于低压转子材料26NiCrMoV11-5钢,采用C形环小试样和标准CT试样完成了疲劳裂纹扩展试验,获得了材料的疲劳裂纹扩展特性,并讨论了新方法的有效性。     

NUMERICAL MODELLING OF A 3D RAIL RCF 'SQUAT'-TYPE CRACK UNDER OPERATING LOAD

The analysis is based on the 3D FE model of the rail Rolling-Contact-Fatigue (RCF) 'squat'-type crack, which tends to be common in tracks with high-speed passengers and mixed traffic. The model incorporates the section of rail and a wheel of real geometry, in which the wheel is rolling over the running band of rail containing the 'squat'-type crack. The state of stress in the vicinity of the crack front is determined, and consequently the values and ranges of the stress intensity factors (SIFs) K_I , K _II and K III at the crack front are calculated for the cycle of rolling. To simulate loading conditions occurring in practice, residual, bending and thermal stresses acting in the presence of the tractive force were taken into account. The results indicate a significant role of face friction and tractive force in the loading mechanism at the 'squat'. The longitudinal and lateral residual stresses may also influence the loading cycles, especially for the cases with reduced friction between the crack faces. Reduction of the face friction coefficient to values close to zero creates conditions for crack propagation driven by the shear mode mechanism. These results were obtained under a project sponsored by the ERRI D173 Committee, Utrecht, The Netherlands.