非稳态载荷对二维轮轨纯滚动接触应力和变形的影响

为了揭示轮轨波状表面与非稳态载荷的内在联系,利用有限元法,建立了二维弹塑性轮轨纯滚动接触计算模型,分析法向接触载荷波动值对钢轨残余应力、应变和变形的影响。模型中材料本构采用考虑棘轮效应的Jiang-Sehitoglu模型,非稳态仅考虑法向接触载荷的简谐变化,用弹塑性无限半空间表面上重复移动赫兹法向压力分布模拟反复纯滚动接触过程。发现非稳态法向接触载荷作用下产生同样波长的波状接触表面;随滚动次数的增加,残余应力增大,但很快趋于稳定,而残余应变也增大,但增大速率衰减;载荷波动值越大,波谷和波峰处的纵向残余应力越大,波谷处的轴向残余应力、残余剪应变和表面纵向位移越大,而波峰处的轴向残余应力、残余剪应变和表面纵向位移越小,波深越大。     

轮轨接触应力与钢轨波磨分析

根据轮轨滚动接触中钢轨循环加载塑性累积和材料的Ratcheting效应，应用强化材料模型对钢轨内部的残余应力和累积变形进行了数值分析。分析结果表明钢轨材料的Ratcheting效应和轮轨接触应力的波动是钢轨表面剥离与压溃形波波磨产生的重要原因。     

齿轮塑性变形失效的安定极限分析

为研究直齿圆柱齿轮优化设计中残余应力对齿轮材料塑性极限的影响,基于Hertz接触理论和齿轮局部坐标下的弹塑性接触模型,分析了直齿圆柱齿轮啮合过程中的弹性接触应力、残余应力及弹塑性接触应力.根据第三强度理论,导出齿轮材料在弹性状态下弹性极限约为简单拉压屈服极限的1.6倍;根据安定极限理论,考虑齿轮啮合过程产生的残余应力对齿轮材料的强化作用,得到弹塑性状态下齿轮接触的静力安定极限约为简单拉压屈服极限的2.3倍;与弹性极限相比,将静力安定极限作为齿面出现塑性变形的失效判据,齿轮材料的许用应力提高了约50%.     

轮轨高速滚动接触及钢轨疲劳裂纹扩展研究

为研究高速列车轮轨滚动接触疲劳损伤,通过引入应变率效应,获得了轮轨接触作用力的分布,并基于最大周向应力判据,对车轮滚过裂纹过程中裂纹可能的扩展角度进行了统计分析,确定了钢轨表面疲劳裂纹的扩展方向.根据威布尔分布,用可能扩展角度均值作为裂纹扩展方向,获得了裂纹扩展路径.研究结果表明,低速列车钢轨的裂纹扩展为张开型裂纹逐渐变为滑开型裂纹,高速列车的钢轨裂纹扩展基本都是张开型裂纹;高速列车钢轨的裂纹扩展速率快于低速列车钢轨;模拟的裂纹路径与实验测得的裂纹路径吻合,验证了用可能扩展角度的均值作为裂纹扩展方向的合理性.      

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。      

获取残余应力的压痕方法研究

采用有限元仿真技术,通过分析残余应力对压痕功与卸载斜率之间关系的影响,建立压痕的加载功、弹性恢复功、卸载斜率和材料的屈服强度、残余应力以及球压头半径之间的非线性关系。利用有限元仿真数据训练神经网络模型,建立压痕功、卸载斜率、屈服强度、硬化指数和残余应力之间的非线性映射关系来辨识残余应力。结果表明文中方法能有效获得残余应力值。     

钻孔法测定焊接残余应力时的塑性释放应变

用钻孔法测定焊接残余应力时，孔边塑性变形对测量精度有很大影响，本文对孔边屈服过程进行了研究，克服了以往在误差修正方法中的缺点，确定了塑性释放应变εｐ与主应力σｉ、σ２和主方向角β的函数关系，用以修正孔边塑性变形引起的测量误差，使得在二维应力状态下的测量误差降至２％以下。     

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%.      

轮轨摩擦耦合热弹性有限元分析模型

基于伽辽金变分原理,利用有限元方法,建立了轮轨摩擦耦合热弹性有限元分析模型,分析了轮轨摩擦热与钢轨接触区热膨胀位移、摩擦温度、应变和应力的关系。模型中温度场和位移场由耦合方程同时求解,但没有考虑惯性项和材料阻尼的影响。分析结果表明:耦合求解的温度场和位移场与非耦合求解的温度场和位移场的计算结果一致,钢轨表面各点滑动位移的方向与车轮滑动方向一致,垂向位移方向先负后正;钢轨表面各节点进入接触区后,温度快速上升,但高温持续时间短;在滑动方向上,钢轨接触点先受压应变后受拉应变作用,垂向受拉应变作用,滑动方向压应力明显高于垂向压应力,钢轨接触斑前后节点滑动方向应变符号相反;垂向高正应变区主要集中分布在接触斑后半轴上,最大剪应变与剪应力区在接触表层以下。     

磁弹性方法无损测试钢轨残余应力分布的实验研究

磁弹性法测量残余应力是一种新型的无损检测方法，利用磁弹性方法测定了U71Mn60kg／m钢轨的磁声特性，并以此为基础对钢轨矫直残余应力进行了现场实测，得到了钢轨的残余应力分布情况，为钢轨残余应力测试提供了一种可行的检测技术．     

非椭圆接触面下钢轨三维弹塑性应力分析

轮轨接触应力的计算是轮轨关系的一个重要课题。建立了一个任意形状钢轨和车轮在任意点接触时,接触面形状和接触面力的计算模型,然后把计算出的接触面力作为外载施加到三维弹塑性有限元模型中,进行轨头中部应力的计算,从而构成了一个完整的计算方法。最后的计算结果表明,该方法适用于具有复杂外形特征的轮轨接触应力的计算。     

高速铁路钢轨擦伤形成影响因素

基于ANSYS显式动力分析建立了三维瞬态轮轨接触力-热耦合有限元模型,考虑了温度对热-弹塑性材料参数的影响;以初始温度30℃、轴重16 t、初始速度300 km·h^-1、滑滚比30%工况为例,研究了车轮在经过钢轨典型断面前、中、后3个时刻下钢轨踏面的接触压力、有效塑性应变、温度分布及其变化特征;在此基础上,进一步分析了列车轴重、钢轨踏面状态、列车牵引和制动状态对钢轨踏面最大温升与最大接触压力的影响,并基于钢轨马氏体白蚀层的形成机制讨论了钢轨擦伤的形成机理。研究结果表明：在本文计算工况下,钢轨踏面最大接触压力为1 186.43 MPa,出现在接触区中心位置,车轮通过后钢轨内部存在部分残余热应力和机械应力,钢轨最大有效塑性应变为0.028 2,最大温升为554.55℃;随着列车轴重从12 t增大至16 t,钢轨最大温升由339.89℃增大至402.79℃;钢轨踏面摩擦因数由0.2增大至0.6时,钢轨最大温升由230.93℃增大至519.25℃;滑滚比由10%增大至40%时,车轮制动和牵引引起的钢轨最大温升分别由264.52℃和362.10℃增大至700.46℃和819...     

基于mixed Lagrangian/Eulerian方法的轮轨滚动接触特性分析

为了缩短有限元方法显式计算轮轨滚动接触的时间,采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立了轮轨滚动接触有限元模型.应用该模型对轮轨接触区的单元进行细化,计算了列车在启动、运行和制动工况下轮轨的接触特性.计算结果表明:不同工况下,轮轨滚动接触区最大Mises应力、最大接触应力和接触斑面积等法向特性变化幅度均在2%以内,但接触区纵向截面中Mises应力分布及纵向剪切应力分布有较大变化;启动和制动工况下,最大Mises应力和最大纵向剪切应力位置均比自由滚动时更接近于轮轨表面;不同工况下,摩擦力大小和方向发生变化,在列车牵引和制动工况中,摩擦力达到极限时轮轨间出现完全滑动,摩擦力方向与滑动方向相反,且不同速度等级下的纵向摩擦力变化幅度也在2%以内.      

磨耗状态下城际动车组轮轨曲线磨耗特性

以CRH6A城际动车组为研究对象，基于实测磨耗后轮轨型面，利用多体动力学软件Universal Mechanism建立了车辆动力学模型，计算了通过曲线时的轮轨力与轮对位置参数；在非线性有限元软件ABAQUS中，基于任意拉格朗日欧拉方法建立了轮轨三维滚动接触模型，计算了轮轨接触应力特性和滑移特性；基于Archard磨损模型，提出一种车轮表面接触区域磨损速率快速计算方法，研究了新轮、磨耗初期车轮和磨耗到限车轮与新轨、磨耗后钢轨相互作用下，车轮通过曲线时接触区域磨损特性。研究结果表明:新轮和磨耗后钢轨、磨耗初期车轮和新轨、磨耗到限车轮与新轨相互作用下最大法向接触应力分别达到了2 017、1 803和1 668 MPa，比新轮和新轨、磨耗初期车轮和磨耗后钢轨、磨耗到限车轮和磨耗后钢轨3种作用下最大接触应力高出20%以上；新轮和磨耗后钢轨、磨耗初期车轮与新轨、磨耗初期车轮和磨耗后钢轨相互作用下，轮轨间出现两点接触、三点接触，甚至四点接触；在多点接触下，轮缘处接触点表现出应力集中且磨损速率较高的特点，最大磨损速率分别达到2.60×10-5、3.82×10-5、3.52×10-5 mm·s-1，远高于新轮和新轨、磨耗到限车轮和新轨、磨耗到限车轮和旧轨3种作用下的磨损速率；磨耗到限车轮和新轨与磨耗钢轨相互作用下的磨损速率均相对较小，说明在磨耗后期的车轮磨耗相对较小；轨角磨耗会严重加剧新轮的轮缘磨耗，且磨耗初期车轮具有较高的轮缘磨损速率，应将车轮镟修周期和钢轨打磨周期相协调，并通过涂油等方式降低磨耗初期的轮缘磨损。      

车轴表面应力分析

为了提高车轴寿命,使车轴表面产生较大压应力,分析了50钢车轴表面残余应力变化规律,采用X射线法检测了车轴表层经过低温淬火和滚压后的轴向、周向和径向应力。测试结果表明,采用此方法后,车轴表面的残余应力大幅提高,最大增幅为556MPa,且应力分布均匀,说明此方法能够有效提高车轴的疲劳寿命。     

单向短纤维复合材料中热残余应力研究

基于单向短纤维增强金属基复合材料的单纤维模型,利用轴对称弹塑性有限元分析方法,研究了该类复合材料中热残余应力的大小和分布情况以及各种微结构参数的变化对它的影响,同时还讨论了热残余应力的存在对基体与纤维之间应力传递的影响。研究表明,热应变的不匹配导致纤维受压、基体受拉,界面法向受压。热残余应力的存在降低了基体与纤维间的应力传递,不利于复合材料整体性能的提高。     

基于DEFORM的空压机曲轴圆角滚压过程仿真与分析

应用DEFORM软件对曲轴滚压模型进行滚压过程的数值模拟,研究在滚压过程中危险部位的滚压应力和残余情况,以及滚压参数(滚压圈数、滚压速度、滚轮半径等)对残余应力的影响;接着对曲轴模型进行疲劳强度分析,研究其在受载情况下轴颈部位的应力变化情况。研究表明:圆角滚压技术是提高曲轴疲劳强度最有效的方法,不仅可以降低曲轴表面粗糙度、提高硬度,还可以减少应力集中、降低成本、提高生产效率。