车轮滑动时钢轨热弹塑性有限元分析

利用有限元分析软件ABAQUS建立轮轨接触热弹塑性平面应变热机耦合有限元模型。模型中,材料本构采用的是双线性塑性模型,考虑轮轨自由表面与环境的热对流的影响和温度对材料参数的影响,通过移动边界条件模拟轮轨接触区的移动。分析车轮滑动时不同摩擦因数和轴重对钢轨温度场和残余应力分布的影响。计算结果表明,钢轨表面最高接触温升发生在接触斑中心后半轴靠近边缘处,温升主要分布在接触表面大约1.6mm的深度范围,钢轨表层最大VonMises等效应力发生在离钢轨表面大约0.2mm的次表面;残余应力应变的影响主要在钢轨表面大约10mm范围内,在钢轨表面考虑热影响时残余应力比不考虑热影响的大;考虑热影响时钢轨表层的温度随摩擦因数和轴重的增大而增大,钢轨表层残余应力也随着摩擦因数的增大而增大,而轴重对钢轨表面残余应力影响不明显,而在次表层影响很大。     

焊接残余应力对弹塑性接触应力场的影响

对接触应力场的力学分析,以前发表的文章都是在弹性或理想弹塑性的假设下作出的。由于实际材料在屈服后的加工硬化,以上假设显然有较大的近似性。运用弹塑性力学的原理和数值计算方法,考虑了材料的加工硬化,讨论了焊接残余应力对弹塑性接触应力场的影响,并给出了亚表面塑性区随循环周次的变化。还用实验证明了焊接残余应力对工件的接触疲劳寿命的危害性。     

考虑车轮材料空洞的高速轮轨接触应力分析

针对高速车辆车轮材料的空洞现象,利用弹塑性有限元方法,建立了车轮材料含有空洞的轮轨接触三维数值模型。模型中采用了非线性的车轮材料本构关系,计算分析了空洞大小、位置和轮重对车轮材料应力应变分布的影响。计算结果表明:轮轨接触作用下,空洞附近车轮材料易出现塑性变形和应力集中现象,且在160°和340°的空洞附近应力和应变值最大;在小于1 mm范围,空洞直径为0.1 mm时车轮材料最易萌生裂纹;当空洞离踏面距离小于15 mm,空洞离踏面距离对车轮疲劳萌生影响明显;随着轮重增加,其空洞附近车轮材料应力应变会随着增大。     

三维弹塑性滚动接触分析的工程模型

符号说明 aH，bH：赫兹接触椭圆的长半轴，短半轴，m az，ay：网格间距，m a（张量）：当量应力的二次偏导数 A（张量）：连接应力增量与应变增量的张量     

两种型面轮轨滚动接触应力分析

利用非Hertz滚动接触理论分析计算了磨耗型轮对、锥型轮对与钢轨之间滚动接触斑的作用力分布。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,确定了两种型面轮轨滚动接触时体内的弹性位移、应变和应力的分布情况。数据结果为轮轨型面优化设计和轨底坡的设计提供了重要的参考依据。     

夹杂物对轴承滚动接触应力场的影响分析

建立基于无限边界的含夹杂物滚动轴承赫兹接触有限元模型,分析夹杂物位置深度、夹杂物与基体材料的弹性模量比和不同类型夹杂物对轴承滚动接触应力分布的影响,分析脂润滑状态下夹杂物对滚动接触应力场的影响,探究了接触区摩擦因数对次表层应力场的影响。结果表明:夹杂物对应力场的影响随其位置深度的增加而减弱;软夹杂物产生的应力集中效应随其弹性模量增大而减小,硬夹杂物产生的应力集中效应随其弹性模量增大而增大;在其他参数相同时,具有不规则棱角边缘的AlN夹杂物对应力场的影响更明显;切向摩擦力导致最大Von Mises应力位置向零件表面偏移,当接触区摩擦因数增大到一定数值后,轴承中最先发生微观疲劳裂纹的位置从夹杂物附近转移到零件表面。     

车轮滚动时轨头内弹性应力场的计算和分析

Ｋａｌｋｅｒ的“完全理论”和ＣＯＮＴＡＣＴ程序是最有代表性的三维非Ｈｅｒｔｚ弹性体滚动接触理论,其适用范围仅限于接触区。文中的实例分析表明,辆载是影响钢轨接触应力的主要因素,摇头角的影响也不可忽视,相对说来横移量对钢轨接触应力的影响是最小的。     

考虑摩擦切向力的弹塑性粗糙表面接触模型

基于接触微凸体由弹性变形向弹塑性变形及最终向完全塑性变形的转化皆是连续和光滑的假设,提出一种综合考虑弹塑性变形以及摩擦切向力等因素的新型粗糙表面接触模型。通过分析不同塑性指数以及载荷条件下该模型与ZMC模型以及GW模型预测。结果发现:在低塑性指数、小法向接触载荷情况下,该模型预测的真实接触面积相比ZMC模型偏小,甚至比GW模型预测的真实接触面积偏小,但是随着法向接触载荷的增加,该模型预测的真实接触面积逐渐增大,并超过ZMC模型以及GW模型预测结果;在高塑性指数下,该模型预测的真实接触面积即使在小法向接触载荷情况下也相比ZMC模型以及GW模型预测的真实接触面积大,且随着载荷的增加,真实面积之间的差距也逐渐增大;随着塑性指数的增加,该模型预测的真实面积超过GW模型以及ZMC模型预测值的临界载荷逐渐减小。     

次表面缺陷对滚动接触应力分布的影响

一般认为，次表面缺陷如轴承钢中的夹杂物或微孔对滚动接触疲劳的剥落型失效有着不利的影响。为了用机械的方法来探讨次表面缺陷和滚动接触疲劳寿命之间的关系，就一定要研究次表面夹杂物或微孔对应力分布的影响。在本文中，对夹杂物和微孔周围的应力分布做了三维有限元分析。当微孔存在于基体时，应力分布变得最集中，而且产生的影响也最大。然而，实际上不含缺陷的基体和距微孔中心2．3a（a：微孔半径）远的基体之间的应力分布几乎没有差异。     

港口起重机轮轨接触应力有限元分析

利用ANSYS10．0软件进行轮轨弹塑性接触有限元分析。文章分别对点接触和线接触状态轮轨的弹性和弹塑性两种情况进行有限元分析,得出了轮轨间弹性接触和弹塑性接触应力的分布情况。接触点及车轮圆角过渡处应力较大,线接触较点接触的应力分布更平缓。     

钢轨滚动接触磨损研究

利用三维非Hertz滚动接触理论和数值程序CONTACT分析了不同轴重下轮轨滚动接触斑上应力、摩擦功等参数的变化.通过JD-1轮轨模拟试验机研究了轴重对钢轨材料磨损性能的影响,分析了磨痕形貌的变化情况.数值计算及试验结果表明:轴重和曲线半径是影响钢轨滚动接触磨损的重要因素;轮轨摩擦功的变化与钢轨磨损量的变化之间存在一定线性对应关系.     

Effect of Tangential Traction and Roughness on Crack Initiation/Propagation During Rolling Contact

Rolling-fatigue tests of 0.45 percent carbon steel rollers were carried out using a four-roller-type rolling-contact fatigue tester. Tangential traction and surface roughness of the harder mating rollers were varied and their effect was studied. The results of the study indicate that the fatigue life decreases when traction is applied in the same direction as that of rolling. When the direction of traction is reversed, the life increases over that obtained with zero traction. The roughness of harder mating rollers also has a marked influences on life. The smoother the mating roller, the longer the life. Microscopic observation of specimens revealed that the initiation of cracks during the early stages of life is more strongly influenced by the surface roughness, while the propagation of these cracks in the latter stages is affected mainly by the tangential traction.     

钢轨滚动接触疲劳研究

介绍了滚动接触疲劳裂纹的萌生及扩展的形成机理、钢轨滚动接触疲劳的破坏分类、影响因素,从钢轨新材料的开发、轮轨接触几何型面的优化和铁路工况的改善等几个方面提出了减缓钢轨滚动接触疲劳的措施。     

切向力对高温发汗润滑胞体结构的接触稳定性影响

基于高温发汗润滑材料厚壁胞体的接触力学模型,利用ANSYS有限元软件分析了切向力与法向力耦合作用下厚壁胞体孔口应力的分布情况,从而探讨了切向力对厚壁胞体接触稳定性的影响。结果表明：切向力的存在对单孔厚壁胞体的接触强度及其断裂失效行为影响不大,但是会导致双孔及四孔厚壁胞体的接触强度下降,而三孔厚壁胞体的接触强度及断裂失效行为不但与切向力的大小有关,而且与切向力的方向密切相关。因此,在胞体材料结构设计与制备中,控制其胞体结构形态非常重要。     

滑动速度对钢轨表面接触应力的影响

利用ANSYS有限元软件建立轮轨系统弹性平面应变有限元简化模型,模拟轮轨滑动接触行为。研究机械载荷条件下滑动速度对钢轨接触表面接触应力的影响,以及热-机耦合载荷条件下滑动速度对钢轨表面接触应力、摩擦温升的影响,并对2种条件下的接触应力进行比较分析。结果表明:耦合载荷条件下的接触应力较机械载荷条件下显著增加,分布更集中于接触斑附近,即轮轨相对滑动产生了明显的摩擦热效应;滑动速度增加,摩擦热效应越明显,热影响层越浅,即滑动速度对接触应力有显著影响,钢轨接触应力分析时必须考虑滑动速度的影响。     

钢轨轨底坡对LM和LMA两种轮对接触行为的影响

为揭示轨底坡与两种踏面的轮轨滚动接触行为之间内在联系,利用改进数值算法分析不同轨底坡下,LM踏面和LMA踏面车轮沿中国钢轨60 kg/m (CHN60)上滚动接触时的接触几何参数、轮轨接触点处的刚性蠕滑率的变化情况,再根据Kalker的三维弹性体非赫兹滚动接触理论,详细地分析两种轮对滚动接触斑上的正压力和切向力分布.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,确定两种型面轮轨滚动接触时体内的弹性位移、应变和应力的分布情况.分析计算中,考虑两种车轮半径420 mm和460 mm.计算结果表明,1/20轨底坡下LM踏面车轮对应的接触应力等参量远小于1/40轨底坡下的情况,LMA踏面轮对的情况刚好相反.由此可知,对于LM-CHN60轮轨接触副,1/20轨底坡较1/40的好;对于LMA-CHN60轮轨接触副,1/40轨底坡较1/20的好.车轮半径对LM-CHN60和LMA-CHN60的滚动接触行为的影响不大.数据结果为轮轨型面优化设计和轨底坡的设计提供了重要的参考依据.     

钢轨短波长波磨处的高速滚动接触分析

通过对某高速线路上出现的钢轨波磨的现场测量,采用显式有限元法建立三维高速瞬态滚动接触模型,分析轮轨在波磨处的高速（300 km/h）滚动行为。利用实体单元划分具有真实几何的轮对与钢轨,轮轨间的法、切向瞬态滚动接触问题由面面接触算法于时域内求解,同时考虑车辆和轨道系统的主要部件。车轮在光滑钢轨上的滚动结果显示,该模型可以建立起轮轨间稳态滚动接触,为研究表面不平顺处的滚动接触奠定了基础。分析某高速线路的钢轨波磨的波长和波深对轮轨瞬态滚动接触的影响,讨论不同牵引系数条件下波磨处的瞬态滚动接触行为。结果表明：波磨引起的轮轨法、切向接触力均在波长为80 mm（现场观测到的主波长）时达到最大,即数值重现了上述高速线路的波磨主波长;接触力随波深的增大单调递增,但增长率逐渐减少;牵引系数越大,钢轨发生不均匀磨损或塑性变形的可能性越大,即波磨产生的可能性越大。     

Effect of Friction Modifier on Rolling Contact Fatigue and Wear of Wheel and Rail Materials

In this study, the effects of a friction modifier (FM) on wear and rolling contact fatigue were investigated by twin-disc testing under various conditions. It was found that the contact fatigue damage occurred on the rail specimen under the FM condition and the water condition. The test under FM condition was performed under three different spraying times: 0.2, 0.5, and 1.0 s. The progress of contact fatigue damage severely increases at a spraying time of 0.2 s. Contact fatigue damage under the FM condition occurred faster than that under the water condition. Results show that the friction modifier induced a mixed condition that exists at the same time as the wet condition and the dry condition. Cracks were initiated by the traction force due to the friction of the dry condition and the crack growth rate became faster due to the fluid entrapment mechanism under the wet condition. Therefore, the amount of FM should be evaluted to avoid severe contact fatigue damage.     

基于Matlab计算滚动轴承滚滑接触内部应力分布

滚动轴承服役过程中,因滚滑现象和残余应力的存在,使赫兹接触应力不能反映材料真实的受力状态,应力分布与实验现象存在一定的偏差,因此滚滑接触下材料的内部应力计算显得尤为重要。研究一种快速、简单的材料滚滑接触内部应力的计算方法,以替代耗时长的有限元法。以现有公式为基础,通过Matlab编程计算滚滑接触下材料内部的应力场;对比不同摩擦因数下2D、3D滚滑接触内部应力场的差别。结果表明:摩擦因数越大,最大剪切应力越大,位置越接近表面,与滚动方向的夹角越小;切向摩擦力使接触点两侧最大正交切应力大小及位置发生变化;随着摩擦因数增大,一侧应力值上升,位置靠近表面,另一侧反之。提出的计算方法简单、方便,其结果为解析解,便于与残余应力或其他应力结合求出真实应力场。通过实例分析发现,真实应力场能够更好地解释实验现象,对于轴承材料组织演变的研究有重要意义。     

横移量、摇头角对轮轨滚动接触行为的影响研究

基于非Hertz滚动接触理论利用数值计算方法详细分析了静态接触情况下,横移量和摇头角对轮轨接触质点间蠕滑力、接触斑粘滑区的分布、等效应力的影响.通过数值计算表明:横移量、摇头角的变化对轮轨滚动接触行为的影响是同时存在并且相互影响的.随着横移量的增加,接触斑的滑动区逐渐增大,粘着区面积逐渐减小,横向移动分量逐渐增大,最大应力值逐渐减小;随着摇头角的增大,接触斑上滑移区面积和最大剪应力和等效应力值均逐渐增大,直至接触斑处于全滑动状态,当轮轨接触斑上的切向力达到饱和时,摇头角对接轮轨接触斑上的蠕滑力、粘滑区分布和应力分布没有影响,计算结果对研究轮轨滚动接触疲劳提供一定的参考价值.