轮轨接触表面微裂纹的扩展.pdf

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1、第25卷第6期钢铁研究学报Vo1．25，No．62013年6月JournalofIronandSteeIResearchJune2o13轮轨接触表面微裂纹的扩展李士一，肖华磊，江晓禹(西南交通大学力学与工程学院，N)II成都610031)摘要：在考虑轨道表面的微观粗糙度情况下，研究了U71Mn钢轨表面微裂纹的扩展问题。利用大型有限元程序ANSYS建立了具有表面微裂纹的轮轨接触二维有限元模型。在轮轨接触区引入接触单元模拟轮轨的接触，并在裂纹面上也引入了接触单元，模拟裂纹面的张开和闭合。在裂纹尖端引入了奇异单元，以研究裂尖应力强度因子，计算中考虑了钢轨材料的非线性和接触边界的非线性

2、。通过计算，获得了轮轨接触压力分布，并获得了轮重为5和10t时，车轮滚动到不同位置处的钢轨表面微裂纹的裂尖应力强度因子。结果表明：在车轮碾压过程中，钢轨表面微裂纹只在接触斑边缘附近时才会张开，其他位置微裂纹是闭合的；随着轮重的增加，裂纹由复合型转为以I型为主；5t轮重作用下钢轨表面微观裂纹不会扩展，而在10t轮重作用下钢轨表面微裂纹会发生扩展，但不会出现快速断裂。关键词：微观粗糙度；微裂纹；应力强度因子；裂纹扩展门槛值；非线性文献标志码：A文章编号：1001-0963(2013)06—0035—05GrowingofMicro-CrackonWheel／RailContactS

3、urfaceLIShi—yi，XIAOHua—lei，JIANGXiao—yu(SchoolofMechanicsandEngineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，Sichuan，China)Abstract：Theresearchesonthepropagationbehaviorofthesurfacemicro—cracksundermicro-roughnessweredis—cussedforU71Mnrail．Twodimensionalfiniteelementmodelofthesurfacemic

4、ro—crackwasestablishedbyusingfiniteelementprogramANSYS．Thecontactelementswereintroducedonthewheel／railcontactpatchtosimulatethewheel／railcontactproblem．Thecontactelementswereusedonthecracksurfacestosimulatetheopeningandclosingofcrackaswel1．Thesingularelementswereintroducedatthecracktiptoanal

5、yzethestressintensityfac—torsatthecracktip．Itwasconsideredthatthematerialnonlinearityandthenonlinearityofcontactboundary．Thecontactpressuresonwheel／railcontactpatchwereobtained．Thestressintensityfactorsatmicro—cracktipsatdif—ferentlocationswereobtainedforwheel—loadwas5and10t．Theresultsshowed

6、that：inthewheelrollingprocess，thepropagationofmicro—cracksonlytookplaceneartheedgeofcontactpatch，atotherlocationitwasclosed；Asthewheel—loadincreasing，thecrackchangedfromcompoundtypetotypeI；Whenthewheel—loadwas5t，themicro—crackwouldnotpropagate．Whenthewheel—loadwas10t，themicro—crackwouldpropa

7、gate，butnotfractureatonce．Keywords：micro—roughness；micro—crack；stressintensityfactor；crack-grouththresholdvalue；nonlinearity在列车车轮和钢轨表面，制造及使用过程中，存了表面接触压力的分布极不均匀。凸出部位承受了在着微米量级的微观表面粗糙度_1]。与光滑平整的比较大的接触压力，使凸出部位材料的应力过大，进接触表面相比，有表面粗糙度的轮轨对接触表面和而使凸出部位材料进入塑性