钢轨踏面斜裂纹扩展行为的仿真分析

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1、铁道科学研究院硕士学位论文度因子要求的路径及相应坐标系。目前，关于三维裂纹问题的有限元分析在很多领域都有应用，但全部局限于正切裂纹。本论文对形状、位置都更加复杂的具有倾斜角度的裂纹建立三维模型并进行有限元分析计算，是在钢轨斜裂纹研究领域的一个创新应用。在已经建立起钢轨斜裂纹有限元模型的基础上，设置相应计算参数，研究了接触力、接触位置、轴重、摩擦系数、钢种、运行速度等不同工况对钢轨踏面斜裂纹的扩展影响，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。计算得到一系列有用的结果，包括：(1)垂向力对三型K值均有较大影响，横向力主要影响

2、II、III型K值，纵向力主要影响II型K值：在三向力中，只有垂向力对确贡献较大，横向力和纵向力对KI几乎没有影响。(2)车轮沿钢轨纵向运动时，在距离钢轨踏面斜裂纹左右各1／4跨距范围内，对裂纹扩展影响突出，其余位置影响很小可以忽略。轮轨横向接触位置偏离轨顶中央4．5ram以内对斜裂纹扩展影响不明显；在4．5---7．5mm区间内裂纹扩展开始变快；超过7．5ram后裂纹扩展大大加快。(3)重车对裂纹影响明显大于空车；不同轴重对于裂纹影响差别并不明显。(4)较小的轮轨摩擦系数，较高的钢种屈服强度和货车速度，都将有利于裂纹扩展。IV铁道科学研

3、究院硕士学位论文另外还计算了直线钢轨和半径800m曲线外股钢轨两种典型线路下的斜裂纹应力场和应力强度因子，从理论分析角度得到了钢轨踏面斜裂纹扩展行为的定量规律，并以轮轨踏面中心附近接触模式下的应力场分布解释了裂纹扩展机理。论文指出：直线线路轮轨偏离轨顶面中央5mm接触下，钢轨踏面斜裂纹以I．II型扩展为主，在距踏面深度3．5~6．Imm时可能转向形成水平裂纹；在距踏面深度8～14ram时容易发生横向转向；而一旦深度超过30mm时很难再发生转向。半径800ra曲线外股钢轨踏面斜裂纹以blI-III型复合方式扩展，且比直线线路扩展迅速；裂纹距

4、踏面深度2．1~4．8mm时可能发生水平转向；裂纹一旦扩展至更深位置时很可能会保持初始角度扩展下去。弯曲剪应力是控制钢轨踏面斜裂纹扩展及转向的主要因素。随着线路工况及轮轨接触位置的变化，弯曲剪应力场的分布区域和方向都会不同。裂纹萌生点附近区域为向上弯曲剪应力，裂纹处于该区域受上弯曲剪应力影响可能转向形成水平裂纹；当斜裂纹发展到较深区域后，一种情况是存在较大向下弯曲剪应力，此时斜裂纹可能转向横向扩展，另一种情况是弯曲剪应力交小，此时斜裂纹会保持初始角度斜向扩展。这些研究结果有助于定性掌握和定量评估钢轨斜裂纹扩展行为及其影响因素，对钢轨的维修

5、养护策略和安全监测有理论指导意义。关键词：钢轨，斜裂纹，裂纹扩展V铁道科学研究院硕士学位论文AbstractBecauserailwayisdeveloping、Ⅳitllhi曲speed，heavyloadandhi曲density,therollingcontactfatiguedamagesofrailincreaserapidly．Meanwhile，thedamagetypesandcharacteristicsalealsochanging．Asatypeofraildefects，railtreadobliquecrackh

6、asbeenpaidextensivelyattentionsinrecentyears．Itwillcauserailtransversalfailureandendangerthetravelingsafetyifitseverelydevelops．Severalaccidentsresultedfromrailtransversalfracturescausedbytreadobliquecrackshavealreadytakenplaceathomeandabroad．Accordingtotherailobliquecrac

7、kdamageobservedinfieldofGuangzhou-Shenzhenrailway，etc，crackscomeofthesurfacelayerofrailtreadandpropagatetotheinteriorofrailheadatanangle(15。,--40。)withrailcrowllface．Whenobliquecrackspropagatetocertaindepth,theymayturntotransversaldirectionorcontinuetopropagateinthesained

8、irection．Differentmodesofcrackgrowthwillbringdifferentraildefectsandaffectthetravelingsafetyandl