非线性疲劳损伤累积下钢轨裂纹萌生预测

将考虑荷载作用次序的损伤曲线法与考虑荷载相互作用的疲劳损伤法相结合,修正了非线性疲劳损伤累积模型,提出基于非线性疲劳损伤累积的钢轨疲劳裂纹萌生-磨耗共存发展预测方法,并与其他线性和非线性疲劳损伤累积模型的预测结果进行对比.结果发现:非线性疲劳损伤累积模型计算的累积损伤高于线性疲劳损伤累积模型的结果,其中非线性疲劳损伤累积修正模型得到的损伤累积最大,相应的裂纹萌生寿命最小;对U75V热处理钢轨来说,非线性疲劳损伤累积修正模型预测的裂纹萌生寿命为车轮通过次数约2.58×105次,裂纹萌生于钢轨次表面,距离钢轨表面深度约2.12mm,平均磨耗发展率为2.90μm/万次;Miner线性疲劳累积模型预测的裂纹萌生寿命接近现场观测值的上限,非线性疲劳损伤累积修正模型预测的裂纹萌生寿命接近观测结果中值.     

钢轨硬度对疲劳裂纹萌生和钢轨磨耗的影响

为了研究钢轨磨耗和疲劳裂纹萌生寿命与钢轨硬度的关系，基于Archard磨耗模型和临界平面法疲劳裂纹萌生预测模型，结合磨耗和型面变化分段迭代和疲劳损伤累积，提出了钢轨疲劳裂纹萌生和磨耗共存预测方法；对4种不同硬度钢轨的磨耗发展、疲劳损伤累积以及疲劳裂纹萌生寿命进行研究. 结果表明:该方法预测的裂纹萌生寿命与现场观测结果有较好的吻合性；高硬度钢轨可以降低磨耗、延长疲劳裂纹萌生寿命，适合在小半径曲线上应用；4种硬度的钢轨中，钢轨硬度每提高10 HBW，平均磨耗发展率将降低约3%～6%，疲劳裂纹萌生寿命延长约9%～12%；对比U78CrV/U76CrRE热轧钢轨，U78CrV热处理钢轨的平均硬度值增加了17.9%，磨耗发展率降低了约19.8%，疲劳裂纹萌生寿命延长了约57.7%；在轮轨摩擦系数为0.3时，4种钢轨的疲劳裂纹均萌生于轨面1.0～2.5 mm以下的亚表面范围内，距离轨顶中心15～18 mm.      

城市轨道交通钢轨磨耗和裂纹萌生分析与选型建议

分析了基于能量密度法和临界平面法的滚动接触疲劳裂纹萌生预测理论与Archard法的磨耗预测理论, 提出了城市轨道交通钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗共存发展预测模型; 针对城市轨道交通常用的U71Mn热轧、U75V热轧和U75V热处理等3种不同硬度的钢轨, 预测其表面滚动接触疲劳裂纹的萌生寿命、相应的钢轨型面变化和磨耗发展率; 分析了3种硬度钢轨的疲劳裂纹萌生和磨耗发展特征; 基于安定极限理论, 结合城市轨道交通常见坡度和常用ER9型车轮, 从轮轨硬度匹配的角度提出了城市轨道交通的钢轨选型建议。研究结果表明: 随着硬度的增大, 钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命延长, 磨耗发展率降低, U75V热轧和U75V热处理钢轨的磨耗发展率分别比U71Mn热轧钢轨低3.2%和12.1%, 裂纹萌生寿命分别比U71Mn延长14.8%和31.1%;在城市轨道交通常用坡度情况下, 3种不同硬度的钢轨材料都处于弹性安定极限范围, 但随着坡度增大, 钢轨材料趋向于塑性安定极限; 考虑与ER9车轮的硬度匹配情况, 建议钢轨踏面较车轮踏面的硬度高些, ER9车轮与U75V热轧钢轨和U75V热处理钢轨的轮轨硬度比分别为0.87~1.04和0.71~0.84, 这2种钢轨均适合于中国的城市轨道交通系统。      

基于临界平面法的钢轨裂纹萌生寿命预测模型研究

临界平面法是常用的钢轨裂纹萌生寿命预测方法,诸多文献分别基于此研究了相关的预测模型,但计算出的钢轨裂纹萌生寿命时间比现场观测到的裂纹萌生寿命稍短。通过对预测模型进行理论分析,结果认为,蠕滑力在裂纹萌生预测模型中起十分重要的作用,尤其是纵向蠕滑力与自旋蠕滑力。采用全蠕滑状态是致使预测结果比实际观测结果要短的重要原因之一。此外,摩擦热应力产生的残余应力为拉应力,不平顺导致接触应力的改变,钢轨材质与夹杂物的影响,以及裂纹萌生阶段的选取准则,磨耗的影响等,都应在钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测中有合理考虑。     

铁路钢轨裂纹萌生的键型近场动力学预测模型

为克服经典连续介质力学在解决不连续问题时的困难,采用近场动力学方法预测铁路钢轨的裂纹萌生,以避免数学构架在不连续处的失效问题;建立了考虑轨枕支承作用的钢轨形变分析模型,分析了模型参数合理取值及收敛性,计算了车轮滚动接触荷载下的钢轨位移;根据近场动力学损伤理论,以键伸长率为指标,分别研究了车轮全滑动、粘着-滑动及无摩擦状态对铁路钢轨裂纹萌生的影响规律。计算结果表明:近场动力学模型和经典连续介质力学模型的钢轨形变计算结果十分吻合,最大计算误差均在8%以内,验证了所建近场动力学模型的正确性;当裂纹萌生于钢轨轨头时,其启裂位置不在钢轨表面,而在钢轨表面以下约2 mm的位置,与现场观察结果一致,验证了近场动力学方法在模拟铁路钢轨疲劳裂纹萌生时的适用性;当车轮荷载位于钢轨跨中时,在车轮状态由全滑动向无摩擦转变的过程中,钢轨疲劳裂纹的萌生起点位置由轨头转移到轨底、由接触斑前端转移到接触斑中心,裂纹类型由局部滚动接触疲劳裂纹转变为整体结构疲劳裂纹,键最大伸长率由1.1×10-3降低到8.1×10-4,因此,增大切向接触应力会降低钢轨裂纹萌生寿命;当车轮荷载位于轨枕上方时,随车轮滚动状态的改变,钢轨裂纹的萌生位置始终位于轨头。      

高速列车车轮踏面滚压强化有限元分析

为提高镟修后高速列车车轮踏面强度和使用寿命,进行了车轮踏面滚压强化过程的数值模拟,并对滚压强化的工艺参数进行了优化. 以CRH3高速列车车轮为研究对象,建立了滚压轮-车轮-钢轨三维滚动接触有限元模型;通过计算不同滚压轮尺寸、滚压力及滚压道次对车轮踏面残余应力和等效塑性应变场分布的影响来分析滚压强化机理;采用Borrow-Miller准则修正的Manson-Coffin公式计算了滚压后轮轨接触时车轮踏面的疲劳裂纹萌生寿命,进而对车轮踏面滚压强化工艺参数进行优化. 研究结果表明:随着滚压力的增加,车轮踏面的疲劳裂纹萌生寿命先增后减,且随着滚压道次的增加而下降,即滚压道次的增加反而会降低车轮踏面的疲劳裂纹萌生寿命;滚压道次的增加对残余应力的影响不大,滚压轮圆弧半径的增加会导致疲劳裂纹萌生寿命小幅度增大;综合考虑,以滚压道次为3次、滚压力为1 kN、滚压轮圆弧半径为6 mm时的滚压效果最佳,此时车轮踏面的疲劳裂纹萌生寿命可提升约58%.      

钢轨材质参数对疲劳裂纹萌生寿命影响的敏感性分析

以临界平面法疲劳裂纹萌生寿命预测方法为系统数学模型,采用单参数敏感性分析方法,分析了钢轨材质参数(弹性模量、泊松比、屈服强度和抗拉强度)对疲劳裂纹萌生寿命的影响,计算了各参数的敏感度因子.计算结果表明:疲劳裂纹萌生寿命对弹性模量和屈服强度最敏感,而对泊松比不敏感.这一计算结果与试验统计结果相吻合.通过敏感性分析,认为在确定钢轨材质参数取值时要对弹性模量、屈服强度和抗拉强度的准确性高度重视;提高材料的抗疲劳性能应从提高材料的屈服强度入手,建议规范中增加对钢轨材质屈服强度的要求.     

表面微喷丸对CuNi2Si合金疲劳短裂纹行为影响

在拉压载荷作用下，分别开展了CuNi₂Si合金微喷丸前后漏斗型圆棒试样的疲劳短裂纹复型试验；试验在预先确定的一系列载荷循环周次中断，以使用醋酸纤维膜对试样表面进行复型，进而采用逆序观察法获取了短裂纹萌生与扩展相关数据。分析结果表明:2种试样疲劳裂纹均萌生于试样表面，裂纹扩展受微观组织影响呈现曲折性增长, 整体表现出初期增长缓慢，后期裂纹长度迅速增长至试样断裂的趋势, 失稳扩展临界尺度约为750.0 μm; 微喷丸处理可以使裂纹增长模式由以晶间为主转为以穿晶为主，微喷丸前后断口形貌表现出巨大差异，相对未喷丸试样，微喷丸试样裂纹萌生位置呈现较大的晶体平面，无明显晶粒特征，裂纹源区面积较小，在疲劳过程中产生的纤维条纹数量较多，瞬断区韧窝形貌更为明显; 经微喷丸处理后，试样平均疲劳寿命提高约31.5倍，裂纹萌生和缓慢扩展阶段占比从整体疲劳寿命的60%增加至80%，可知微喷丸处理对于疲劳寿命的大幅提高主要体现在短裂纹的萌生和稳定扩展阶段，而这种强化效果主要受表面有效应力、硬度、晶界数目的共同影响，但该强化效果对疲劳裂纹扩展后期影响不大。      

高速铁路钢轨预打磨策略及伤损发展特征

针对高速铁路预打磨钢轨进行磨耗和疲劳裂纹萌生仿真预测和现场跟踪试验,对预打磨钢轨的实施效果、伤损类型和发展特征进行了分析。分析结果表明,实施特殊型面的新轨预打磨能有效地控制轮轨接触点的位置和接触宽度,获得较好的轮轨关系。预打磨后的钢轨在运营中主要受磨耗影响,磨耗呈线性增加的趋势,外轨磨耗分布在轨头-10°～60°范围,内轨磨耗分布在轨头中心±10°范围。运营大约1年,部分地段的外轨预打磨型面被磨耗所改变,轮轨接触状态恶化,高速铁路预防性打磨周期可以在1～1.5年内实施。     

两种加载频率下LZ50车轴钢疲劳短裂纹行为对比

在加载频率为180、15Hz条件下,分别利用高频疲劳试验机和电液伺服疲劳试验机完成了各6根光滑漏斗形圆棒试样的短裂纹复型试验。试验结果表明:在微观短裂纹(MSC)阶段,主导短裂纹的扩展均经历2次显著的减速过程,在加载频率为180Hz,扩展率降至最小值时,裂纹统计平均尺度分别为11.49、106.32μm,在15Hz下分别为14.14、122.29μm;考虑试样个体间不可避免地存在微观结构细节差异,从统计角度出发,可以认为2次减速完成时的裂纹尺度分别对应铁素体晶粒平均直径14.26μm和富珠光体带状结构间距111.53μm这2种特征尺度;进入物理短裂纹(PSC)阶段后,扩展率随主导短裂纹尺度增加持续上升;2种加载频率下主导短裂纹扩展率曲线和密度曲线在很大程度上相互重合,变化趋势一致,整体来看无显著差异;在MSC阶段,低加载频率下的短裂纹扩展率略高于高加载频率下的结果,但差异并不明显,最大速率差未超过一个数量级;加载频率15Hz下短裂纹突破微观组织结构障碍消耗的寿命占总寿命比例较小,2次降速对应的平均寿命分数分别为0.027和0.525,而180Hz下对应的寿命分数分别为0.071和0.688;通过统计分析,对比了7种常用统计分布,确定了主导短裂纹尺度服从极大值分布,疲劳寿命分数和有效短裂纹密度服从极小值分布。     

直线工况轴重对轮轨磨损影响的试验研究

采用模拟试验方法,在试验室内模拟不同轴重货车运行于60kg/m直线PD－1钢轨情况,研究轴重对轮轨磨损的影响,试验结果表明,25吨轴重时,车轮和钢轨的磨损率均明显大于21t和23t轴重时的磨损率,因此,在我国现行铁路标准下,将货车轴重由21吨提高到25吨是不适宜的。     

Ca含量对AMCa镁合金超高周疲劳断裂行为的影响

为了阐明Ca含量对镁合金疲劳性能的影响,采用旋转弯曲疲劳试验机对两种AMCa镁合金进行超高周疲劳实验,并利用扫描电子显微镜SEM （scanning electron microscope）和X射线能谱仪EDS （X-ray energy dispersive spectroscopy）观察疲劳试样的断口形貌,分析了两种镁合金疲劳S-N（疲劳应力-疲劳寿命）曲线特性和疲劳断裂行为,讨论了Ca元素含量增加对镁合金疲劳寿命和疲劳裂纹萌生机制的影响. 结果表明,AM1.77 Ca镁合金S-N曲线没有传统的疲劳极限,呈现曲线连续下降趋势;AM1.85 Ca镁合金具有双S-N曲线特性,在130 MPa左右出现转折点;Ca元素含量增加导致镁合金产生微观结构缺陷,使材料的疲劳裂纹萌生模式从AM1.77 Ca镁合金的表面萌生模式转变为AM1.85 Ca镁合金的两种疲劳裂纹萌生模式,即表面萌生和次表面萌生模式,这种转变对材料抗疲劳性能的提升不利.      

机翼结构件的疲劳测试

在交变载荷作用下,在机翼腹板结构件表面粘贴应变花,实时监测疲劳试验时试件的应力应变状况,采用X射线确定了疲劳破坏后的试件表面和内部裂纹的大小与位置,分析了结构件结构损伤的部位和损伤程度,预测了结构件的裂纹扩展寿命。测试结果表明:在40kN正弦交变压缩载荷作用下,试件的疲劳寿命约为100万次,符合疲劳寿命分布预期1万～100万次;疲劳试验测得的应力与理论计算结果有相近的变化趋势,误差约为10%;高锁螺栓和薄板断裂破坏是该处过大的载荷和绕x轴的弯矩共同导致的;估算的疲劳裂纹扩展寿命为10 183次。     

疲劳损伤细观分析

对19Mn6合金钢疲劳试样进行了系列低周疲劳试验,采用光学金相方法观察了试样表面微裂纹的萌生和扩展规律,基于损伤局部性概念对疲劳部损伤规律提出了细观疲劳局部损伤参数Dw。Dw随施加的疲劳循环而呈指数增加,一直达到临界值1。损伤非线性因子m值较宏观测量方法所得结果明显降低。     

钢桥面板U肋-盖板焊缝疲劳裂纹萌生仿真

为建立适用于钢桥面板U肋-盖板焊缝疲劳裂纹萌生分析方法,以Roe-Siegmund循环内聚力模型为基础,考虑混合加载模式下的内聚力参数转换,对ABAQUS进行二次开发,形成反映疲劳累计损伤的VUMAT子程序;通过试验数据获得了Q345钢材对应的焊接区域材料内聚力参数,基于Voronoi图法、焊接区域晶粒微观形态与力学特性建立了U肋-盖板焊缝焊趾处微观晶粒组织,并与宏观二维平面应变模型合并,模拟了多尺度疲劳裂纹萌生;结合等效结构应力法和线弹性断裂力学裂纹扩展理论,考虑初始缺陷形态和疲劳断裂临界标准反推了不同应力水平下的累积内聚力长度,进而得到疲劳裂纹萌生寿命的计算方法。分析结果表明：采用提出的方法模拟U肋-盖板焊缝焊趾裂纹萌生行为时,裂纹在焊趾处萌生并垂直于顶板表面进行扩展,形成了穿晶断裂模式,微观晶粒组织应力分布随裂纹萌生及短裂纹扩展而不断变化,且随着微观晶粒组织分布和力学特性的随机性变化,仿真结果中的短裂纹扩展路径细节与临界循环次数均不相同;反推得到的累积内聚力长度随初始缺陷形状比、长裂纹扩展临界深度、微观晶粒组织分布及其力学特性以及所处应力幅值的不同产生变化,考虑上述因素获取的累积...     

钢桥面-超薄UHPC-TPO组合铺装体系抗弯疲劳性能研究

基于损伤-断裂力学理论和Miner线性累计损伤理论,分别建立铺装新体系的疲劳寿命预估模型,并通过室内抗弯疲劳试验验证了两种模型的差异。研究结果表明:预测实际钢桥面-超薄UHPC-TPO铺装体系的疲劳寿命时,相比Miner理论,采用损伤-断裂力学模型得到的结果更为合理,预估疲劳寿命为1 446.57万次。同时,疲劳试验结果表明,两个试件分别经历390.7万次和430.1万次疲劳循环后的刚度平均下降11.4%,剩余强度平均下降13%,抗弯疲劳性能良好。     

焊接结构疲劳损伤的实时监测

采用声发射技术监测了焊接梁疲劳试验的过程，准确地监测到了焊缝和应力集中部位处的裂纹萌生及扩展。根据累积声发射振铃计数与时间的关系曲线定义了焊接梁损伤的三个阶段，并在此基础上提出了描述材料疲劳累积损伤的模型。     

货运繁重公路的车辆荷载谱和疲劳车辆模型

为研究货运繁重公路的车辆荷载谱和疲劳车辆模型,基于佛山平胜大桥的动态称重系统采集的多时段车流数据,归类出了车辆荷载谱的10类代表车型,分析了代表车型的轴距、质量、轴重和超载数据,以及沿不同车道的车辆和轴重分布特性,提出了可用于钢桥疲劳评估的车辆荷载谱;以疲劳加载率最大的六轴车辆为原型,基于疲劳损伤等效原则分别提出了桥梁单向重载车道的疲劳车辆模型和简化疲劳车辆模型。计算结果表明:平胜大桥呈现货运繁重公路的典型特征,车辆日均通行总量达到了45 065veh,约为《AASHTO LRFD》定义的日均通行量20 000veh的2.3倍;疲劳车辆在全部交通流中的比例为51.6%,为《AASHTO LRFD》定义的20.0%的2.6倍;货车占疲劳车辆总数的45.2%,主要分布于重载车道,而且通行货车超载比例占到相应车型的30%~70%,最大超载货车达到了132.5t;两轴货车超载率为29.0%,等效质量达到17.5t,后轴等效轴重达到12.1t,因而不能忽略两轴货车的疲劳加载贡献。对比《AASHTO LRFD》五轴标准疲劳车辆模型(前轴轴重为2.6t,中间双联轴和后面双联轴的单轴轴重均为5.4t)和简化标准疲劳车辆模型(前轴为2.6t,中轴和后轴均为10.8t),提出的六轴单向疲劳车辆模型总质量为33.1t,前轴轴重为3.6t,中间双联轴和后面三联轴的单轴轴重均为5.9t;简化单向疲劳车辆模型的前轴轴重为3.6t,中轴和后轴分别为11.8、17.7t;针对重载车道提出的六轴疲劳车辆模型总质量达到了36.5t,前轴轴重为4.0t,联轴中的单轴轴重均为6.5t;对应的重载车道简化疲劳车模型的前轴轴重为4.0t,中轴和后轴轴重分别为13.0、19.5t。     

腐蚀钢轨剩余疲劳寿命研究

钢轨表面始终与空气直接接触,在空气中各种腐蚀因素、轨道泄漏的杂散电流影响下很容易发生腐蚀.钢轨受到腐蚀会加剧其应力伤损,使钢轨强度和结构稳定性都受到不利影响,甚至危及线路运营安全.分析钢轨腐蚀机理,揭示钢轨自然腐蚀及杂散电流腐蚀的本质,采用疲劳寿命预测软件,研究腐蚀钢轨剩余疲劳寿命的有关问题.在此基础上,建立带有腐蚀伤损的在役钢轨剩余寿命分析模型,进行应力疲劳试验和破坏疲劳试验验证模型准确性,并利用模型分析底部腐蚀量、纵向腐蚀长度、轴重、表面粗糙度等因素对腐蚀钢轨剩余疲劳寿命的影响.     

缺口应力集中对5083-H111铝合金超高周疲劳性能的影响

为正确评价超高周范围内带缺口的5083-H111铝合金疲劳强度的降低程度和疲劳强度对缺口的敏感程度,用20kHz的超声疲劳实验技术分别对漏斗形光滑试件、缺口（2种）试件进行了105~1010周次的对称拉压超声疲劳实验,并用扫描电镜分析了疲劳断口形貌。结果表明:在1010周次内,光滑和缺口试件疲劳曲线分别表现出极限平台型和连续下降型特征,缺口显著降低了5083-H111铝合金的疲劳性能;绝大部分试件疲劳裂纹萌生于表面,断口上没有观察到鱼眼形貌特征。理论应力集中系数为1.94的试件疲劳弧线成凹形,理论应力集中系数为2.90的试件裂纹源分布在断口四周;不同的疲劳裂纹萌生机制使得缺口应力集中对疲劳性能的影响规律不同,对于只有一种表面裂纹萌生机制的5083-H111铝合金,超高周范围内疲劳缺口系数和疲劳缺口敏感系数均随着疲劳寿命的增加而增加。