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.      

重载铁路车辆轴重对钢轨疲劳裂纹萌生和磨耗发展的影响

采用钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生和磨耗共存发展预测方法,分析重载铁路车辆轴重对钢轨疲劳裂纹萌生和磨耗发展的影响。研究发现,在800 m小半径、钢轨材质为U75V热处理的曲线外轨上,随着车辆轴重从23 t逐步增加到30 t,钢轨平均磨耗发展速率从3.813 2μm/万次增加到4.208 3μm/万次,平均疲劳累积损伤从0.019 5万次增加到0.028 8万次,裂纹萌生寿命从31.8万次减少到23.1万次。轴重平均每增加1 t,钢轨平均磨耗发展率增加1.48%,平均疲劳累积损伤率增加6.81%,而裂纹萌生寿命减小3.93%。     

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。     

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。      

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。      

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．     

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.     

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...     

基于路面加速加载的沥青路面疲劳损伤预估模型标定方法

为提高工程应用中沥青路面疲劳损伤预估模型的可靠性，提出了一种结合小型试件试验与足尺路面加速加载试验的模型标定方法；基于路面疲劳损伤发展特征分析，提出采用非线性增量递归法的沥青路面累积疲劳损伤分析方法，适用于疲劳损伤预估模型由小尺寸试验向足尺试验条件的转移与外推；基于小尺寸试件试验疲劳寿命预估模型构建了足尺沥青混合料层疲劳损伤预估模型，利用疲劳寿命预估模型转移方程实现足尺路面加速加载条件下的疲劳损伤预估；为确定模型转移方程，提出了基于路面加速加载试验的疲劳损伤标定方程，推导了疲劳损伤预估模型待定系数标定方法；利用重型荷载模拟器实施了级配碎石组合式基层沥青路面足尺试验路段加速加载试验，结合路面钻芯试样动态模量与四点弯曲疲劳试验，标定和验证了沥青混合料层的疲劳损伤预估模型。研究结果表明：非线性增量递归法可考虑材料非线性、性能衰减和加载历史对结构层疲劳损伤累积的影响，符合实际路面疲劳损伤发展规律；利用标定确立的疲劳损伤预估模型可以预测试验路不同加载区间沥青混合料层的累积疲劳损伤，50%和90%的预测值相对实测结果的误差分别小于3.1%和20.0%,表明该预估模型具有一定可靠性；提出的模型标定方...     

轴箱内置型铁路车轴疲劳性能与寿命评估

开展了EA4T合金钢材料的低周疲劳试验、旋转弯曲高周疲劳试验与裂纹扩展速率试验, 考虑载荷类型、表面质量与尺寸系数等因素, 修正了标准小试样疲劳极限以预测全尺寸车轴的疲劳性能; 建立了轴箱内置铁路车轴(内箱车轴) 的有限元模型, 分析了内箱车轴与传统轴箱外置铁路车轴(外箱车轴) 临界安全部位的差异; 基于安全寿命设计理论, 结合修正的线性Miner疲劳累积损伤准则和载荷谱, 研究了内箱车轴的疲劳强度与服役性能; 分别采用Paris公式、NASGRO方程和LAPS模型拟合了裂纹扩展速率曲线, 基于损伤容限设计方法估算了内箱车轴和外箱车轴的裂纹扩展寿命。研究结果表明: 标准小试样的疲劳极限明显高于全尺寸车轴, 其疲劳极限均值分别为369、286 MPa; 与传统外箱车轴相比, 由于加载位置的改变, 内箱车轴的临界安全部位从卸荷槽处转移至轴身中部; 内箱车轴疲劳总寿命为2.5×1012 km, 满足30年服役寿命的设计要求; 但是在运输或服役过程中车轴表面不可避免会存在缺陷, 缺陷处存在严重的应力集中, 为裂纹的萌生和扩展提供了便利条件, 使车轴疲劳寿命大幅降低; 当车轴临界安全部位的裂纹深度扩展到5 mm时, 内箱车轴和外箱车轴的剩余寿命分别仅为3.2×105、2.0×105 km, 应根据无损探伤精度合理制定无损检测周期, 确保车轴安全服役。      

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。     

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。     

动车组轴箱轴承承载能力及疲劳寿命分析

为提高动车组轴箱轴承的承载能力和疲劳寿命,采用响应面法,研究了轴承设计参数对接触应力的影响,并计算了考虑裂纹扩展的轴承疲劳寿命。首先,基于试验设计建立了考虑轴承内径、轴承外径、滚子半径、泊松比和弹性模量等设计参数的轴箱轴承二阶多项式响应面模型;其次,基于响应面模型分析了轴承承载能力,计算了轴箱轴承各设计参数下对应的接触应力;最后,分别计算了轴箱轴承的裂纹萌生寿命以及裂纹扩展寿命。结果表明,此方法能够准确评估轴承承载能力并有效预测其疲劳寿命。     

疲劳损伤的非线性累积模型及其应用

通过定义单个载荷循环所造成的疲劳损伤量，给出了一个适合于对过程进行模拟分析的非线性疲劳损伤累积模型，通过对多级载荷下的疲劳寿命分析结果与实验数据的比较，证明该损伤模型能够正确反映载荷次序效应等疲劳累积损伤规律，作为该模型的应用，本文采用计算机仿真方法进行了随机载荷作用下的起重机焊接箱形梁的疲劳寿命分析。     

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.     

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。     

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.      

面向钢轨砂带打磨的砂带磨耗过程建模

为揭示砂带服役寿命与打磨工艺参数之间的作用关系,针对钢轨砂带打磨中曲面、弹性接触特点,基于Archard方程和弹性赫兹接触理论,建立了面向钢轨砂带打磨的砂带磨耗过程模型.由数值仿真得到了不同接触压力、砂带速度、打磨列车速度、轨面曲率半径以及磨粒出刃高度均方差下的磨耗高度、砂带服役寿命曲线.并通过与现有砂带磨损试验结果对比,验证了模型的合理性.仿真分析结果表明:砂带表面磨耗轮廓线呈半椭球形,砂带寿命随接触压力、砂带速度的增加均呈指数形式降低,随打磨车速度增加呈近似线性增长;以60 kg/m钢轨为例,相同工艺条件下,打磨R13弧段较打磨R80、R300弧段时,砂带磨耗明显加剧;在钢轨表面粗糙度允许范围内,较大的磨粒出刃高度均方差有利于延长砂带的服役寿命.     

荷载和变温综合作用下沥青路面非线性疲劳损伤研究

介绍了沥青路面的非线性特征以及描述材料疲劳寿命的不同数学模型,探讨了损伤与荷载和温度的关系。在收集气象资料、实测沥青层各深度范围内温度状态以及与最大拉应变相关性分析的基础上,提出以沥青层层底温度作为疲劳损伤分析的设计温度,并通过回归分析建立疲劳温度与气温和层厚的预估模型。最后通过基于Chaboche疲劳模型的ABAQUS有限元程序,对车辆荷载和变温综合状态以及仅车辆荷载状态下的沥青路面进行疲劳损伤比较分析,结果表明,考虑荷载和变温综合作用的疲劳损伤要远大于仅考虑荷载的情况,当超载一倍时,损伤程度更加严重。