随机荷载下钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展规律研究

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1、密级：公开论文类型：应用研究`工程硕士学位论文随机荷载下钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展规律研究GrowthRegularityAnalysisofRailRollingContactFatigueCrackBasedonRandomLoad培养单位：交通运输学院专业领域：交通运输工程学生姓名：彭雪松校内导师：王建西教授校外导师：郝志宏教授级高工二○一八年六月独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石家庄铁道大学或其它教育机构的学

2、位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解石家庄铁道大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅，同意学校将论文加入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》和编入《中国学位论文全文数据库》。本人授权石家庄铁道大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)作者签名：日期：导师签名：日期：摘要随着重载铁路近年来的不断发展，列车的轴重和运量逐渐增

3、大。钢轨滚动接触疲劳裂纹作为钢轨的伤损类型之一，受到多重影响因素的作用，这些影响因素都具有一定的随机性。研究各影响因素单一和共同变化下裂纹的扩展规律，有重要意义。以断裂力学理论，轮轨滚滑接触理论为基础，对重载铁路钢轨在服役过程中产生的接触疲劳裂纹扩展影响规律进行了如下研究：首先，利用ABAQUS有限元仿真软件建立轮轨接触有限元模型，对单一影响因素变化下的钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展速率和裂纹尖端位移进行对比分析，结果表明：裂纹自身特性包括裂纹尺寸、初始裂纹角度、裂纹面摩擦系数对钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展速率有较大影响；对于特定形态的裂纹，裂纹面摩擦系数和轮轨荷载相比其他因素

4、对于裂纹扩展影响较大；随着裂纹尺寸和裂纹角度的增大，裂纹主要以II型占主导的II-III复合型方式扩展。其次，通过正交试验设计，综合考虑了轮轨摩擦系数、温度应力、裂纹面摩擦系数和轮轨荷载的共同影响。发现变化裂纹面摩擦系数对等效应力强度因子幅值的影响明显。裂纹面摩擦系数越大，等效应力强度因子幅值ΔKeq越大，不同裂纹尺寸下的钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展速率受裂纹面摩擦系数和轮轨荷载影响较大，受到温度应力和轮轨摩擦系数的影响较小；不同裂纹初始角度下的钢轨滚动接触疲劳裂纹扩展速率受裂纹面摩擦系数和轮轨荷载影响较大，受到温度应力和轮轨摩擦系数的影响较小。再次，分析预测了钢轨滚动接

5、触疲劳裂纹的扩展方向，发现整个裂纹前缘中，靠近钢轨表面的两端部分扩展方向差异较大，靠近钢轨内部的中间部分差异较小；靠近钢轨表面的裂纹尖端扩展方向与行车方向一致，并且呈不同锐角向前扩展；远离钢轨表面的裂纹尖端扩展方向与行车方向相反，且扭转角度起伏较小；荷载较小时，靠近钢轨表面的两端部分扩展方向差异较大；荷载越小，扭转角度越大，随着荷载的增大，裂纹尖端的扭转角度越小；从单个裂纹的裂纹前缘来看，荷载的增大使得每条裂纹前缘在扩展方向上的变化相对较小。最后，考虑轮轨荷载的随机性，结合重载铁路小半径曲线轨道荷载谱，运用最大能量释放率准则，采用荷载分级叠加的方式对随机荷载下不同裂纹

6、尺寸和裂纹角度工况的扩展方向进行分析，发现钢轨滚动接触疲劳裂纹尺寸由2mm到6mm变化时，裂纹前缘深度也随之增大，此时裂纹扩展扭转角由-50°到-65°呈增大趋势。这说明钢轨滚动接触疲劳裂纹尺寸的增大，更容易使裂纹朝着与行车方向相反的方向扩展；钢轨滚动接触疲劳裂纹初始角度由30°到55°变化时，考虑裂纹初始角度和裂纹扩展扭转角的叠加效果，裂纹的扩展方向与钢轨表面偏转逐渐增大，最终形成鱼钩状裂纹，钢轨滚动接触疲劳裂纹变为钢轨表面剥离掉块。关键词：钢轨；裂纹扩展速率；裂纹尖端位移；正交试验；最大能量释放率；随机荷载；裂纹扩展方向AbstractWiththedevelop

7、mentofheavyhaulrailways,theaxleloadandvolumeoftrainsarecontinuouslyincreasing.Asoneofthetypesofraildamage,therailsurfacefatiguecrackisaffectedbymultipleinfluencingfactors,allofwhichhavesomerandomness.Itisofgreatsignificancetostudythelawofcrackpropagationunderthesingleandcommonc