钢轨三维弹塑性滚动接触应力

用有限元法建立了钢轨三维弹塑性滚动接触计算模型，分析钢轨材料屈服强度对钢轨残余应力和应变的影响．模型中考虑了钢轨的几何形状和边界条件，通过在钢轨表面反复施加移动赫兹法向压力和切向力模拟车轮的反复滚动作用．结果表明：最大等效塑性应变和剪应变均发生在钢轨接触表面，此处易萌生裂纹；钢轨接触表面附近材料塑性变形流线趋势与现场观测到的裂纹方向一致；钢轨材料屈服强度越高，材料的累积塑性变形越小，钢轨的最大残余应力越接近于表面．     

具有粗砂层的FRP板与混凝土粘结性能试验研究

纤维增强复合材料板与混凝土的有效粘结是保证FRP-混凝土组合结构正常工作的基础.采用FRP板-混凝土块搭接接头的单剪试验方法研究FRP板与混凝土的粘结性能,为增强粘结效果,对FRP板表面采取了粘结粗砂的措施,试验同时考虑粘砂长度对粘结性能的影响.试验结果表明:(1)粘结破坏为典型的脆性破坏;(2)平均粘结强度与粘砂长度近似成反比;(3)粘结粗砂法可作为FRP-混凝土组合结构中有效的组合界面连接措施.提出的抗剪设计方法可用于FRP-混凝土组合结构中组合界面抗剪设计.     

风沙冲蚀下钢结构涂层的界面应力与破坏准则

为表征和评价风沙冲蚀作用下钢结构涂层界面结合强度，以西北地区风沙流特征为背景，利用接触力学和界面力学理论建立了在风沙冲蚀作用下钢结构涂层的界面应力表达式.结合断裂力学理论和有限元分析方法，确定了钢结构涂层的界面起裂位置.在起裂位置处建立了考虑压应力影响的界面应力破坏准则.研究结果表明：当冲蚀角度为30°和60°时，最大界面剪应力分别位于冲蚀点前侧200 mm和180 mm处，最大界面压应力分别位于冲蚀点前侧100 mm和50 mm处，涂层界面的起裂位置为最大界面剪应力处.风沙冲蚀作用下涂层的界面应力破坏准则与莫尔-库伦强度准则相似，斜率的大小取决于沙粒的冲蚀角度，且当冲蚀角度为30°和60°时，斜率大小分别为-0.599和-0.467.     

高应力下干砂与饱和砂单剪特性比较

在自行改造、加工的高应力单剪仪试验系统上,对饱和粗砂、干粗砂、饱和细砂、干细砂与钢材、混凝土界面的剪切特性进行了正交试验研究．经过对试验数据的回归分析发现,高应力单剪条件下的剪应力．剪切位移关系曲线段与双曲线模型较一致．干砂界面的初始剪切刚度和界面抗剪强度均大于同基底下饱和砂界面的值．通过对试验数据的方差分析知,相对于土性和基底材料两影响因素,砂的干湿状态对剪切特性的影响比较显著．     

基于环剪试验的含钙质结核古土壤剪切特性

含钙质结核古土壤在黄土滑坡的剪切带中广泛分布，影响滑坡的剪切特性. 通过固结排水环剪试验，改变轴应力大小，研究不同钙质结核含量下古土壤的剪切力学特性；基于对剪切破坏面的宏观结构分析，总结并提出剪切破坏面的“一”型和“U”型两种破坏形态及平稳、过渡、波动3种破坏模式. 研究结果表明:在低轴应力下，应力-位移曲线均为软化型，具有明显的残余强度特性，随钙质结核含量增大，应变软化特性变弱；在高轴应力下，则表现为硬化型；钙质结核颗粒能增大土的剪切强度、摩擦角，减小黏聚力；剪切带厚度与钙质结核含量正相关，与 D50 负相关；在大位移剪切作用下，颗粒会发生破碎，通过对剪切前后粒径分析，确定了钙质结核主要破碎区间为3～5 mm，破碎率为19.5%～55.5%；古土壤由 0.01～0.05 mm颗粒破碎为 0.002～0.010 mm的较小颗粒.      

颗粒破碎条件下的胶结砂力学行为

为揭示胶结量对胶结砂的力学行为与颗粒破碎的影响,引入颗粒破碎的概念,采用颗粒流商业软件PFC对胶结砂力学行为进行了三维颗粒流数值模拟,对不同胶结量的试样进行了一系列的三轴压缩试验,并与实验结果进行对比.在此基础上,分析了数值模拟中胶结试样的微观力学响应.研究结果表明:颗粒流数值模拟能够有效地描述胶结砂的主要力学行为,相比无胶结的试件,胶结砂表现出更高的强度,应力-应变关系曲线呈应变软化型,体积应变为先剪缩后剪胀;胶结砂宏观力学响应(应力-应变关系和剪胀性)与其微观力学响应密切相关,在加载的初期,胶结点破坏率和破坏速率较低,在屈服点后迅速增长,峰值应力点后,胶结点破坏速率和胶结点破坏率趋于平缓;胶结量越小,胶结强度越低,胶结点破坏率和速率越高;胶结量越高,颗粒破碎的比例越高,体积膨胀量越大;胶结量分别为0和100%时,颗粒破碎的比例分别为1.13%和10.96%.胶结作用的存在促进了剪切带的孕育,与无胶结试样相比,胶结试样内部颗粒接触力链更粗、更集中.      

沥青路面动态响应数值分析

为了优化沥青路面结构设计,引入无反射边界,依据结构动力理论,利用有限元数值分析方法,对多层沥青路面在移动荷载作用下的动态响应进行了分析。发现沥青面层的拉应力和路表弯沉随着基层模量、层间摩擦系数、行车速度和面层材料阻尼的增大而减小,剪切应力随着轮胎接地压力和基层模量的增大而增大。分析结果表明:基层设计需要综合优化设计,简单增加基层模量和厚度都是不合适的;良好的层间接触状态以及使用较大阻尼的材料,有利于路面性能的改善;提高行车速度可以延长路面的使用寿命。     

基于非线性超声的CL60车轮和U75V钢轨磨损检测方法

针对早期轮轨滚动磨损变化过程难以通过无损手段进行表征的问题,提出了非线性超声技术对不同磨损程度的CL60车轮与U75V钢轨试样进行检测评估;建立了基于轮轨试样表面磨损特征的Murnaghan模型,并利用非线性超声有限元仿真,通过塑性变形层厚度变化情况模拟不同程度的摩擦损伤,分析了其相对非线性系数变化规律及其产生原因。试验结果表明:轮轨的早期磨损会导致材料表面产生塑性变形层,随着塑性变形的加剧,材料损伤将以微裂纹为主,车轮角加速度越大,轮轨间相对滑动作用时间越短,塑性变形层越薄,且CL60车轮较U75V钢轨磨损程度更为严重;CL60车轮试样在车轮角加速度分别为10、250、1 500 r·min-2时,对应的相对非线性系数分别为12.19、8.43、5.68,U75V钢轨试样在车轮角加速度分别为10、250、1 500 r·min-2时,对应的相对非线性系数分别为7.57、6.09、5.04,与CL60车轮试样相比,U75V钢轨试样的相对非线性系数变化缓慢。可知,相对非线性系数与塑性变形层厚度呈正相关,微裂纹产生的非线性效应比塑性变形层更强,相对非线性系数增幅更大,因此,可通过材料的相对非线性系数变化判断材料的磨损阶段。      

宽温域下高速轮轨界面粘着与车轮表面损伤行为

搭建了高低温服役环境轮轨滚动试验台，在实验室条件下成功再现了哈大线等高寒铁路冬季车轮表面剥落和麻点严重、夏季异常光滑的季节性损伤特征；研究了宽温域(-50 ℃~60 ℃)下高速列车轮轨界面粘着和车轮损伤行为，系统探讨了不同服役温度下轮轨滚动接触界面的粘着系数演变规律，分析了车轮表面磨损形貌和表层材料塑变行为等重要特性。研究结果表明:随着服役温度的提高，轮轨界面粘着系数总体呈下降趋势，同时，车轮表面的凹坑尺寸减小，在高温60 ℃时，凹坑特征消失，磨损表面变得较为平整；在低温-40 ℃时，车轮表面最为粗糙，算术平均粗糙度为3.74，而随着服役温度的上升，磨损表面粗糙度显著下降，在高温60 ℃时，车轮表面算术平均粗糙度较小，为0.97；随着服役温度的升高，轮轨接触界面的磨损区域内Fe元素含量与O元素含量之比逐渐减小；低温低湿环境抑制了轮轨界面的摩擦氧化作用，增强了摩擦剪切作用，加剧了车轮表面的剥落、严重的塑性变形和表面疲劳裂纹的萌生与扩展，因此，磨损表面较为粗糙；而高温环境加速了轮轨界面的摩擦氧化作用，氧化磨屑的形成一定程度上起到了固体润滑作用，从而降低了轮轨界面间的粘着，车轮表面相对光滑；磨损机制由低温(-50 ℃~-20 ℃)服役工况下的疲劳磨损逐渐转变为常温(20 ℃)工况下的磨粒磨损和氧化磨损与高温(40 ℃~60 ℃)工况下的粘着磨损。      

内燃机活塞组件-缸套系统表面技术研究进展

通过分析与总结国内外内燃机活塞组件-缸套系统表面技术研究现状和发展趋势,梳理了表面织构和表面涂层技术在内燃机关键运动副减摩抗磨与节能应用中的特点; 剖析了表面织构加工技术、表面织构形貌特征与分布、表面涂层制备工艺、表面耐磨涂层、表面热障涂层和表面技术与润滑的协同效应对运动副摩擦性能的影响。分析结果表明:激光表面织构(LST)能有效改善运动副表面的摩擦学性能,直接/间接激光冲击表面织构(LSSP)技术已成为高效、灵活的表面织构加工方法,但由于织构加工工艺、形貌和分布特征对摩擦学性能的影响较为复杂,仍需进一步结合内燃机活塞组件-缸套系统的工况特性研究并优化表面织构的形貌和分布特征; 大气等离子喷涂(APS)和超音速火焰(HVOF)喷涂制备的耐磨涂层和热障涂层(TBC)具有良好的耐磨、隔热和抗氧化性,可使内燃机活塞组件-缸套系统表面金属基复合材料、类金刚石(DLC)材料、纳米复合材料和陶瓷材料涂层的减摩抗磨和节能成效明显,但涂层材料种类繁多,很难形成统一的行业标准、规范以及工业化应用; 内燃机活塞组件-缸套系统的动力学特性和表面织构、表面涂层与润滑的协同作用复杂,将来仍需综合考虑多场条件下各种表面技术耦合的减摩抗磨机理,进一步完善内燃机活塞组件-缸套系统表面复合理论和技术体系,为内燃机产业的绿色和高效发展提供技术指导。      

基于沥青路面结构力学行为的车辙深度控制标准

为了进一步规范沥青路面车辙深度的控制标准, 研究了车辙深度对路面结构的影响; 考虑车辙断面特征, 建立了车辆跨越车辙时的动荷载计算模型, 并以冲击系数量化了车辆对路面结构的冲击效应; 通过数值仿真研究了车辆荷载作用下路面结构的内部损伤, 探索了不同车辙深度下路面使用性能的衰减规律。研究结果表明: 车辙深度对路面结构的冲击效应不可忽视, 冲击系数随着车辙加深线性增加, 基于冲击效应的车辙深度应不大于11 mm; 沥青混合料层的最大拉应变位于上面层层底, 与车辙深度正相关, 中面层和下面层的拉应变与车辙深度负相关, 但应变水平显著低于上面层, 基于面层弯拉破坏的车辙深度应不大于15 mm; 最大剪应力出现在上面层层底, 随着车辙深度的增加缓慢增大; 车辙深度处于5~10 mm, 各面层的剪应力整体变化较小, 当其从10 mm增加到25 mm时, 上面层0~1 cm深度处的剪应力增加了14.5%, 增速明显超过中面层和下面层剪应力的减小速度, 基于面层剪切破坏的车辙深度应不大于10 mm; 车辙深度对无机结合料稳定层拉应力的影响不大; 车辙深度超过15 mm后应关注路基顶面压应变的变化, 防止路基出现大的变形。      

Al2O3基陶瓷材料与硬质合金摩擦的应力分析

利用ANSYS有限元分析软件对5种Al2O3基陶瓷材料（纯Al2O3、Al2O3／TiC、Al2O3／（W,Ti）C、Al2O3／Ti（C,N）和Al2O3／SiCw）在MRH-3环块磨损试验机上与硬质合金摩擦进行模拟仿真,得到摩擦磨损过程中的应力及分布,并与室温下的磨损实验结果相比较,同时还探讨了不同添加剂的Al2O3基陶瓷的磨损机理．结果表明：不同成分的Al2O3基陶瓷材料在摩擦磨损过程中最大主应力位于摩擦副接触区中心,最大剪应力位于摩擦副接触区边缘;载荷对主应力和剪应力大小的影响比转速的影响大;在相同的摩擦条件下,受到合应力越大的陶瓷其磨损率越大;合应力越大的陶瓷磨损后陶瓷表面越容易产生微裂纹．5种Al2O3基陶瓷磨损率的大小为：Al2O3〉Al2O3／（W,Ti）C〉Al2O3／Ti（C,N）〉Al2O3／TiC〉Al2O3／SiCw．     

激光熔敷耐磨梯度复合涂层的研究

利用激光熔敷方法在Ａ３钢表面制备ＷＣ梯度涂层，并分析了涂层的微观结构、硬度及耐磨性。结果表明，涂层的组织为镍基固溶体加少量硼化物、碳化物及硬质相ＷＣ，其中ＷＣ颗粒的粒度及含量沿母材向表面方向呈梯度变化。涂层的硬度和耐磨性随着成分的变化而平缓变化，界面应力降低，涂层与基体结合牢固。     

桥梁结构钢裂纹塑性区的研究及应用

为了研究裂纹塑性对裂纹扩展的影响,利用工程简化算法、应力函数法、扩展有限元法对桥梁钢裂尖塑性区的尺寸和形状分别进行了计算;由于平面应力和平面应变情况下尾迹场循环塑性的特性不同,利用不连续扩展有限元对两种情况下尾迹场的循环塑性和塑性累积进行了模拟分析,探讨了裂尖塑性区、循环塑性区的形成和尾迹场产生压应力的机理.研究结果表明:裂尖塑性区尺寸与应力水平（名义应力与屈服极限的比值）的平方成正比,当应力水平大于0.4时,裂尖塑性区尺寸需要考虑应力水平的影响;裂尖塑性区的形状以蝶形向前伸展,使裂纹尾迹场免受裂尖高应力场的拉伸作用,有利于裂纹闭合;裂尖塑性区存在材料的逆向流动,在循环塑性区裂纹表面的塑性累积产生压应力效应有利于裂纹提前闭合,这种塑性诱发的裂纹提前闭合对研究变幅加载、过载引起的裂纹扩展滞后有重要意义.      

半刚性基层沥青路面中剪应力点位分布研究

为了深入研究半刚性基层沥青路面中剪应力点位的分布,通过建立沥青路面结构力学模型,分析半刚性基层沥青路面结构剪应力在不同层间接触条件下的分布规律,从中得出剪应力最大值对应的点位,然后研究车辆荷载、面层模量和厚度对其点位的影响。结果表明:在不同层间接触条件下,最大剪应力点位在轮胎中心点对应下距路表6cm深度处,由此提出在半刚性基层沥青路面结构及材料设计中对中面层应主要考虑其抗车辙性能。     

PVA纤维水泥基复合材料抗冲蚀磨损性能试验研究

挟沙水流对桥墩的冲蚀磨损严重,继而影响桥梁的安全服役.为此,采用自主研制的冲蚀磨损试验装置,对一种桥墩抗冲蚀磨损材料——聚乙烯醇（polyvinyl alcohol,PVA）纤维水泥基复合材料进行冲蚀磨损试验.以普通砂浆为参照,首先,测试了普通砂浆试块和PVA纤维水泥基复合材料试块的抗压强度;然后,测量了冲蚀引起的质量损失,并分析了两类材料在不同冲击角度下的冲蚀磨损特点;最后,采用计算流体力学程序开展数值模拟,从流场角度对冲蚀磨损机理开展了深入分析.研究结果表明：水胶比对材料抗冲蚀磨损性能影响最大,水胶比越低,材料的强度越高和抗冲蚀磨损性能越好;在不同的冲击角度下,试块表面的冲蚀坑形状不同,在90°冲击条件下,冲蚀坑呈圆环状,在30°冲击条件下,冲蚀坑呈马蹄形;普通砂浆和E3配合比试块随冲击时间增加,单位时间（5 min）的质量损失逐渐减小,但两者的冲蚀过程不同.     

振动条件下螺纹面磨损对紧固件抗松能力影响

为改善振动条件下螺纹紧固件抵抗松动能力,在紧固件横向振动试验装置上,测试了微粒子喷丸未处理及处理镀锌紧固件的抗松动能力,使用扫描电镜观察测量了试验前、后螺纹面磨损形貌和尺寸,建立了考虑螺纹面磨损深度的紧固件刚度模型,利用该模型计算分析了磨损深度改变对预紧力的影响.结果表明:未喷丸紧固件预紧力耐久极限为2.8 kN,喷丸紧固件为2.0 kN,未喷丸紧固件抗松动能力低于喷丸紧固件,未喷丸紧固件螺纹面发生严重磨损,喷丸紧固件螺纹面磨损轻微;螺纹面磨损深度随着滑移距离的增加而增加,紧固件预紧力随着螺纹面磨损深度的增加先呈线性降低,随后降低速度逐渐加快.螺纹面磨损降低了紧固件抵抗松动的能力.      

INVESTIGATION ON FRACTAL CHARACTERISTICS OF WORN SURFACES OF POLYMER TAPES BY SAND DUST PARTICLES

Objective To characterize the abrasive wear of polymer tapes in ATM （Auto Teller Machine） servicing in sand dust environment. Aethods The abrasive wear experiment of polymer tapes, PEN （polyethylene-2, 6-naphthalenedicarboxylate） and PI （polyimide）, by sand dust particles is performed in ATM tribosystem. The fractal characteristics of the worn surface of polymer tapes and the corresponding wear mechanisms are examined. ReSults As main results, the worn surfaces of polymer tapes show bi-fractal characteristics, and PI tape shows higher fractal dimensions and finer wear profiles than PEN tape. Wear mechanism examination shows macro and micro ploughing and cutting grooves and micro fracture characters, which gives reasonable explanation of bi-fractal character of worn polymer tapes. Conclusion Worn polymer tape shows fractal character and bi-fractal can be used in accurately characterizing the abrasive wear of polymer tapes of ATM in sand dust environment.     

桩承式路堤中填土破坏模式研究

为了研究桩承式路堤中填土的破坏模式,采用有限元方法对不同桩间距、填土高度和摩擦角进行了参数敏感性分析.根据计算得到的屈服区和增量等效塑性应变结果,分析了不同情况下填土的破坏机理.结果显示:对于填土高度与桩间距之比H/s≤1的低路堤,填土中的破坏面为通过桩边缘的竖直面;对于H/s≥1.2的高路堤的情况,最终填土中将发展出...     

车轮材料对轮轨滚动摩擦磨损行为的影响

为了使轮轨材料更好地匹配,降低轮轨磨损与损伤,利用MMS-2A滚动磨损试验机,研究了3种不同含碳量车轮材料与U71Mn热轧钢轨干态对磨时滚动摩擦磨损与损伤性能.结果表明:车轮材料变化基本不影响轮轨滚动摩擦因数,其摩擦因数保持在0.4左右;随车轮材料碳含量增加,车轮磨损量呈线性下降趋势,钢轨磨损量呈线性增加趋势,总轮轨磨损量呈降低趋势;不同车轮材料与U71Mn热轧钢轨对磨时的磨痕表面形貌具有较大差异,当碳含量为0.57时,车轮损伤以剥落损伤为主,试样塑性变形相对轻微,随车轮硬度降低(碳含量为0.51),表面剥落损伤轻微,但塑性变形严重;对磨钢轨试样以粘着和剥落磨损为主.