一种钢轨疲劳寿命预估的方法和系统技术方案

本发明专利技术提供一种钢轨疲劳寿命预估的方法，本方法通过选取钢轨测试区域，以损伤力学方法为基础，根据材料疲劳的S‑N曲线确定损伤力学损伤演化方程参数，将上述损伤力学寿命评估的理论方法在商用有限元软件平台上进行二次开发，形成钢轨疲劳寿命评估的功能模块，通过有限元模型计算得到钢轨的疲劳寿命的理论评估。实施本发明专利技术，能够对钢轨疲劳寿命进行理论预测，具有较高的准确性，有效达到降低钢轨使用安全隐患的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及钢轨疲劳寿命预估
，尤其涉及一种钢轨疲劳寿命预估的方法和系统。
技术介绍
现代铁路运输正向高速重载方向发展，由此引发的钢轨疲劳损伤问题也愈发严重，已经成为影响铁路安全的主要问题。钢轨在冶炼锻造过程中难免会出现白点、气泡和非金属夹杂物等材质上的缺陷，在加工运输过程中可能会产生更多样性的机械损伤源和损伤累积，加之在役状态下车轮的反复碾轧，钢轨很容易产生疲劳损伤，这种损伤的发展累积造成轨体裂纹的萌生与扩展，最终会导致严重事故的发生。因此，了解掌握钢轨在疲劳载荷作用下材质性能的变化，通过对钢轨材料损伤演化情况的理论分析预估其疲劳寿命，将对钢轨合理维修、及时更换、以及采取预防和减缓钢轨损伤的措施等方面起到理论指导作用，对防止铁路交通事故的发生具有重要的应用意义。
技术实现思路
本专利技术实施例所要解决的技术问题在于，提供一种钢轨疲劳寿命预估的方法和系统，能够对钢轨疲劳寿命进行预测，具有较高的准确性，有效达到降低钢轨使用安全隐患的目的。为了解决上述技术问题，本专利技术实施例提供了一种钢轨疲劳寿命预估的方法，所述方法包括：S1、选取钢轨测试区域，以损伤力学方法为基础，通过有限元模型计算得到钢轨的疲劳寿命的理论评估；上述方法包括：S2、根据材料疲劳实验得到的S-N曲线确定损伤力学损伤演化方程的参数；S3、将上述损伤力学寿命评估的理论方法在商用有限元软件平台上进行二次开发，形成钢轨疲劳寿命评估的功能模块；S4、设置当前材料损伤的初始状态和疲劳载荷的加载步长；S5、根据上述施加载荷，应用S1中所述有限元模型进行静态分析，提取相应的应变场分布，并应用S3中所述的钢轨疲劳寿命评估模块计算(/累积)材料损伤演化；S6、判断累积出的材料损伤度是否小于1；S7、如果材料损伤度小于1，则依据各单元损伤度修改刚度，以当前载荷加载步长返回S5进行加载循环，直至钢轨模型出现材料损伤度大于等于1的情况；如果出现上述材料损伤度大于等于1的情况，按以下S8处理；S8、经过上述损伤累积，当出现材料损伤度大于等于1的情况，则当前载荷加载步数记为钢轨初始疲劳寿命。S9、在上述疲劳分析的基础上，可将上述模型中材料损伤度大于等于1的部分删除，删除方法包括：将模型中材料损伤度大于等于1的部分相应的有限元单元杀死，同时修改损伤度小于1的其余部分的单元刚度。S10、预设损伤度达到1的单元数或损伤度达到1的区域大小(长度)，做为后继疲劳破坏的判据；S11、在上述损伤分析过程中，每次发生模型材料损伤度大于等于1的情况时，均按照S9进行处理并返回S5，直至S10所提出的判据得到满足。其中，所述步骤S1的具体步骤包括：采用损伤力学理论方法(如S1所述)；根据材料疲劳实验得到的S-N曲线确定损伤力学损伤演化方程的参数(如S2所述)；将上述损伤力学寿命评估的理论方法在商用有限元软件平台上进行二次开发，形成钢轨疲劳寿命评估的功能模块(如S3所述)；在所述钢轨上选择一定长度的一段作为测试区域，划分出多个网格单元；设置钢轨的材料属性及其对应的参数值，以及设置载荷/应力边界条件和位移边界条件；其中，所述材料属性包括弹性模量、泊松比和损伤参数等；上述参数赋予每个上述单元；综上所述，建立有限元模型；其中，所述步骤S7中“以当前载荷加载步长返回S5进行加载循环”的具体步骤包括：将各损伤度小于1的离散单元的损伤度分别导入相应的单元刚度，并将所述得到的各损伤度小于1的离散单元对应的刚度带回步骤S5。本专利技术实施例还提供了一种钢轨疲劳寿命预估的系统，所述系统包括：模型模块，用于在选取钢轨测试的区域，将所选的测试区域划分出多个网格单元，并设置钢轨的材料属性、载荷/应力边界条件及位移边界条件，通过预设的有限元模型计算钢轨的损伤演化和预估疲劳寿命；载荷步长模块，用于设定载荷步长，进一步计算材料损伤累积；损伤度计算/累积模块，用于提取当前所需分析的离散单元的损伤状况，且根据所提取的当前每一离散单元的应力水平，计算出所提取的当前每一离散单元的损伤度；判据模块，用于判断所计算出的当前每一离散单元的损伤度是否存在至少有一个大于1的情况；模型修正模块，用于杀死损伤度大于或等于1的离散单元，所述当前各损伤度小于1的离散单元均作为后续所需分析的离散单元，根据损伤度修改其单元刚度，并在下一轮载荷历程中进行损伤累积；寿命预估模块，用于获取所述当前载荷加载步数，并将所述获取到的当前载荷加载步数记为钢轨疲劳寿命。实施本专利技术实施例，具有如下有益效果：在本专利技术实施例中，采用损伤力学方法，通过构建的有限元模型，将损伤力学的损伤演化方程嵌入商用有限元软件的运行环境，对疲劳载荷作用下钢轨材料的损伤进行累积，当材料损伤度达到1时，载荷加载总步数记为钢轨(初始/后继)疲劳寿命，从而能够对钢轨疲劳寿命进行预测，具有较高的准确性，可以有效达到降低钢轨使用安全隐患的目的。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本专利技术的范畴。图1为本专利技术实施例提供的一种钢轨疲劳寿命预估方法的流程图；图2为本专利技术实施例提供的一种钢轨疲劳寿命预估的系统结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步地详细描述。一般认为金属材料的疲劳损伤过程是不可逆热力学过程。损伤力学以连续介质力学和热力学为基础，根据能量守恒定律，由体系的自由能和耗散势导出损伤演化方程和损伤本构关系，从而构成了较为严谨的宏观损伤分析的力学体系，较为准确的反映了材料的损伤演化过程，形成了实用性疲劳寿命预估方法，实现了对材料疲劳寿命的理论预估。热力学第一定律表征了能量守恒，可写为：ΔE＝U+Q (1)；式(1)中，ΔE：材料的内能增量；U：外界对材料所做功；Q：传入材料的热量。在微体中的表达式可以写为：式(2)中，：单位体积内能对时间的导数；σij：应力分量；：应变率；：单位体积单位时间内产生的热量；：单位时间单位面积上的热通量。引入单位体积Helmholtz自由能密度g作为描述材质损伤过程的状态参数，其定义为：g＝e-Ts (3)；式(3)中，g：单位体积Helmholtz自由能密度；e：单位体积内能；T：绝对温度；s：单位体积内的熵。自由能的物理含义是：等温过程中，可以用来对外做功的内能。自由能是一个状态函数，可以由状态参量确定。自由能密度g可分为两部分，其中弹性部分ge反映材料疲劳损伤，而塑性部分gp不反映疲劳损伤。因此，反映材料疲劳损伤的自由能密度可定义为： g e = 1 - D 2 E i j k l ϵ i j e ϵ 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钢轨疲劳寿命预估的方法，其特征在于，所述方法包括：S1、选取钢轨测试区域，以损伤力学方法为基础，通过有限元模型计算得到钢轨的疲劳寿命的理论评估；上述方法包括：S2、根据材料疲劳实验得到的S‑N曲线确定损伤力学损伤演化方程的参数；S3、将上述损伤力学寿命评估的理论方法在商用有限元软件平台上进行二次开发，形成钢轨疲劳寿命评估的功能模块；S4、设置当前材料损伤的初始状态和疲劳载荷的加载步长；S5、根据上述施加载荷，应用S1中所述有限元模型进行静态分析，提取相应的应变场分布，并应用S3中所述的钢轨疲劳寿命评估模块计算材料损伤演化并加以累积；S6、判断累积出的材料损伤度是否小于1；S7、如果材料损伤度小于1，则以当前载荷加载步长返回S5进行加载循环，直至钢轨模型出现材料损伤度大于等于1的情况；如果出现上述材料损伤度大于等于1的情况，按以下S8处理；S8、经过上述损伤累积，当出现材料损伤度大于等于1的情况，则当前载荷加载步数记为钢轨初始疲劳寿命。S9、在上述疲劳分析的基础上，可将上述模型中材料损伤度大于等于1的部分删除以模拟裂纹扩展，删除方法包括：将模型中材料损伤度大于等于1的部分相应的有限元单元杀死，并修改材料损伤度小于1的其余部分单元的刚度。S10、预设损伤度达到1的单元数或损伤度达到1的区域大小，做为后继疲劳破坏的判据；S11、在上述损伤分析过程中，每次发生模型材料损伤度大于等于1的情况时，均按照S9进行处理并返回S5，直至S10所提出的判据得到满足。...

【技术特征摘要】
1.一种钢轨疲劳寿命预估的方法，其特征在于，所述方法包括：S1、选取钢轨测试区域，以损伤力学方法为基础，通过有限元模型计算得到钢轨的疲劳寿命的理论评估；上述方法包括：S2、根据材料疲劳实验得到的S-N曲线确定损伤力学损伤演化方程的参数；S3、将上述损伤力学寿命评估的理论方法在商用有限元软件平台上进行二次开发，形成钢轨疲劳寿命评估的功能模块；S4、设置当前材料损伤的初始状态和疲劳载荷的加载步长；S5、根据上述施加载荷，应用S1中所述有限元模型进行静态分析，提取相应的应变场分布，并应用S3中所述的钢轨疲劳寿命评估模块计算材料损伤演化并加以累积；S6、判断累积出的材料损伤度是否小于1；S7、如果材料损伤度小于1，则以当前载荷加载步长返回S5进行加载循环，直至钢轨模型出现材料损伤度大于等于1的情况；如果出现上述材料损伤度大于等于1的情况，按以下S8处理；S8、经过上述损伤累积，当出现材料损伤度大于等于1的情况，则当前载荷加载步数记为钢轨初始疲劳寿命。S9、在上述疲劳分析的基础上，可将上述模型中材料损伤度大于等于1的部分删除以模拟裂纹扩展，删除方法包括：将模型中材料损伤度大于等于1的部分相应的有限元单元杀死，并修改材料损伤度小于1的其余部分单元的刚度。S10、预设损伤度达到1的单元数或损伤度达到1的区域大小，做为后继疲劳破坏的判据；S11、在上述损伤分析过程中，每次发生模型材料损伤度大于等于1的情况时，均按照S9进行处理并返回S5，直至S10所提出的判据得到满足。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1的具体步骤包括：采用如S1所述的损伤力学方法；根据材料疲劳实...

【专利技术属性】
技术研发人员：张铮，杨德林，刘磊，
申请(专利权)人：张铮，杨德林，
类型：发明
国别省市：北京;11