钢轨踏面斜裂纹扩展行为的仿真研究

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1、铁道科学研究院学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不舍任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：苍琉宁日期：讪07年7月岁J日关于学位论文使用授权说明本人了解铁道科学研究院有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印

2、或其他手段保存学位论文；学校可根据有关规定，送交学位论文。对以上规定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。作者签名：套奶字导师签名；日期；p司年7月爿日铁道科学研究院硕士学位论文摘要随着铁路向高速、重载和高密度运行发展，钢轨滚动接触疲劳伤损大为增加。伤损类型及伤损发展特点也在发生变化。钢轨踏面斜裂纹属于钢轨疲劳伤损，是近年来反映突出的钢轨伤损类型之一，发展严重时将导致钢轨的横向断裂而危及行车安全，国外及国内已发生多起由踏面斜裂纹导致钢轨横向断裂的事故。从广深线等现场的钢轨斜裂纹伤损情况来看，裂纹起源于钢轨踏面表

3、层，并以与钢轨顶面成一定角度050“0。)斜向向轨头内部扩展，当斜裂纹扩展到一定深度时，可能转为横向扩展，也可能继续沿斜向扩展。裂纹扩展方式的不同，将产生不同的钢轨缺陷形式，并对行车安全、工务维护产生不同的影响。目前，一些研究人员主要从断口观察分析，冶金材质检验等方面进行了试验分析，对钢轨斜裂纹的发展模式、扩展机理进行了定性的探讨研究，但对裂纹在萌生之后的扩展行为，特别是裂纹转向的影响因素还缺乏深刻的研究。本论文是铁道科学研究院研发中心项目“钢轨的滚动接触疲劳伤损与安全评价研究(2004YF04)”的部分研究内容。论

4、文研究旨在定量分析不同工况下钢轨踏面斜裂纹的扩展行为和机理，探讨钢轨斜裂纹扩展、转向的主要影响因素，为钢轨斜裂纹缺陷的维修养护对策、安全评价提供理论和数据支持。论文主要研究内容是：按照现场观察到的钢轨踏面斜裂纹形态，利用ANSYS软件建立铁道科学研究院硕士学位论文不同尺寸的典型钢轨踏面斜裂纹的三维模型；根据实际现场观察的轮轨接触光带位置，模拟轮轨接触状态，采用双线性随动强化材料，对钢轨踏面斜裂纹的应力场和应力强度因子进行仿真计算；研究了接触力、接触位置、轴重、摩擦系数、钢种、运行速度这些工况参数对钢轨踏面斜裂纹的扩展

5、影响，并计算了两种典型工况下的斜裂纹扩展行为，阐述了其扩展机理。关于无裂纹轮孰接触条件下钢轨承载能力和工况参数对它的影响问题，国内外学者已经开展了大量研究，也取得了很好的成效，但针对钢轨踏面斜裂纹问题的带裂纹体轮轨接触仿真计算还是空白．本论文综合考虑轮轨作用影响区范围及仿真计算量，按照60kg／m钢轨标准断面建立CAD模型，取4跨距长钢轨。每跨568．2mm。轨枕采用s—IJ型混凝土枕，上宽为169．5mm。取轴重23t，钢轨弹性模量E=2．06x105MPa，泊松比v=0．3。轮轨摩擦系数卿’3。模型采用双线性材料

6、，屈服强度分别为a0-=565MPa(U75V熟轧轨)和咖2=870MPa(U75V淬火轨)，随动强化系数0．1。根据Hertz接触理论，轮轨接触区取为赫兹椭圆接触面，并提出了相应的半轴a和b的计算公式，从而可计算出不同接触状态下的接触斑长短轴大小。斜裂纹位于4跨钢轨中部，结合现场实际，取为半椭圆形，与钢轨横向成300，倾斜角为200，长短轴比为2；1。斜裂纹中心距轨距边15mm。对所建模型采用Solid95、Solid92、Solid45、Mesh200(线、铁道科学研究院硕士学位论文面)单元划分网格，取轨底网格尺

7、寸为10mm，轨顶网格尺寸为6mm，裂纹尖端处最小网格尺寸为O．Imm，过渡区网格尺寸为4mm，轮轨接触区网格尺寸为lmm。将模型逐块划分，然后通过APDL编程对裂纹尖端单元进行奇异化处理，对自由划分部分单元进行退化转变处理以获得较高精度网格。在模型两端面处施加对称约束，轨枕处施加除纵向外的全约束。仿真直线线路钢轨，对轮轨接触斑施加垂向和纵向载荷；仿真曲线段钢轨，则对轮轨接触斑旌加垂向，纵向及横向三向载荷。由于所研究问题涉及到形状、位置都较为复杂的三维斜裂纹，所以在实体模型处理上需要一些技巧性较强的方法来完成。首先要

8、对裂纹形状进行简化，参照现场实际情况而近似取为半椭圆形，在尽量接近实际的前提下方便模型的建立。确定下裂纹中心所在的位置，在该处建立一个包含半裂纹面在内的椭圆柱体，通过～系列的几何布尔运算操作主要为Partition和带选项的用工作平面切割等，从而得到具有裂纹特性的模型，即在裂纹尖端处保持共线，而两个半椭圆裂纹面重合存在，这样的模型在划分网格时才