一种钢轨滚动接触疲劳预测方法技术

本发明专利技术涉及钢轨滚动接触疲劳评估领域，具体为一种钢轨滚动接触疲劳预测方法。其包括如下步骤：步骤1、选择或建立材料本构模型；步骤2、建立三维实体模型；步骤3、获取接触斑内接触压力的分布规律；步骤4、编写移动法向载荷子程序；步骤5、获取切向载荷分布规律；步骤6、编写移动切向载荷子程序；步骤7、循环加载钢轨模型；步骤8、提取接触区附近所有节点的应力张量和应变张量；步骤9、通过旋转张量得到在新坐标系下每个节点对应的所有应力张量和应变张量；步骤10、获取所有节点在任意平面上的SWT参数的值；步骤11、筛选出SWT参数的最大值，获取危险点的疲劳裂纹萌生寿命。本发明专利技术能对钢轨裂纹萌生位置和寿命进行预测。萌生位置和寿命进行预测。萌生位置和寿命进行预测。

【技术实现步骤摘要】
一种钢轨滚动接触疲劳预测方法


[0001]本专利技术涉及钢轨滚动接触疲劳评估领域，特别是涉及一种钢轨滚动接触疲劳预测方法。

技术介绍

[0002]随着中国铁路技术的迅速提高，其铁路运营规模不断扩大，形成了交错密集的铁路网络。钢轨作为铁路系统的关键部件，承载了列车的全部质量，其可靠性极其关键。现有服役情况表明，随着车辆轴重、速度、运行频次不断提高，钢轨的滚动接触疲劳越来越严重，极易在钢轨的轨头、轨腰及轨底等部位萌生一系列疲劳微裂纹，并在进一步服役过程中不断扩展，最终形成宏观裂纹，危及列车行车安全。因此，对钢轨滚动接触疲劳进行预测和评估便成为列车服役安全的重要保障。目前，在相关理论的支持下，结合有限元计算对钢轨滚动接触疲劳进行评估是最为经济有效的方法之一。但是，由于轮轨滚动接触的高度非线性，其计算收敛性极差，为轮轨滚动接触计算带来了巨大挑战。并且，由于轮轨接触斑尺寸与车轮、钢轨尺寸的巨大悬殊，迫使轮轨滚动接触计算过程中将引入大量的网格单元，进一步地增加了轮轨滚动接触计算的难度。同时，列车通过车轮施加给钢轨的载荷为循环载荷，所以，在进行相关计算是必须采用循环塑性本构模型，材料非线性的引入则进一步提高了开展钢轨滚动接触计算的难度。此外，在完成轮轨滚动接触计算后，如何对结果进行处理、计算钢轨疲劳裂纹萌生寿命、寻找疲劳裂纹萌生位置也是一个巨大挑战。
[0003]中国专利申请号CN201811051258.9公开了一种钢轨滚动接触疲劳伤损的量化评价方法，测量路线选定及待测钢轨表面清理；初期滚动接触疲劳伤损测量；鱼鳞掉块伤损测量；钢轨滚动接触疲劳伤损发展程度量化计算；钢轨滚动接触疲劳伤损发展程度量化评价。通过对单位长度待测钢轨上的滚动接触疲劳伤损数量进行统计，将待测钢轨单位长度上的宏观伤损通过公式计算量化成评价指数，提高了接触疲劳伤损评价的准确性，为工务部门维护和打磨提供了准确的依据，填补了钢轨滚动接触疲劳伤损发展程度量化评估方法的空白，有利于推动钢轨滚动接触疲劳伤损研究的进一步发展。
[0004]但是，上述方案仅通过现场实测对钢轨滚动接触疲劳进行量化分析，仅适用于宏观可见的裂纹情况，不能对钢轨的裂纹萌生位置进行预测，也不能预测钢轨裂纹萌生寿命。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是针对
技术介绍
中存在的问题，提出一种能对钢轨裂纹萌生位置和寿命进行预测的钢轨滚动接触疲劳预测方法。
[0006]本专利技术的技术方案，一种钢轨滚动接触疲劳预测方法，包括如下步骤：
[0007]步骤1、选择或建立可以合理反映所研究金属结构的材料循环变形行为的材料本构模型，并确定相关材料参数，并对参数进行验证；
[0008]步骤2、根据实际车轮和钢轨尺寸，在有限元软件ABAQUS中建立车轮和钢轨的三维实体模型；
[0009]步骤3、开展轮轨法向静压接触，得到接触斑的长、短轴长度a和b，并得到接触斑内接触压力的分布规律p(x,y)，如图1所示，以O
‑
XYZ为初始坐标系，X轴为钢轨横向，垂直于钢轨，Y轴为钢轨纵向，与列车行进方向一致，Z轴垂直向上；p(x,y)的表达形式为：
[0010][0011]其中，p
max
为接触斑内最大接触压力；
[0012]步骤4、基于提取的接触压力分布规律p(x,y)，编写相关的移动法向载荷子程序DLOAD；
[0013]步骤5、基于轮轨滚动接触条形理论，将接触斑切分为多个窄条，如图1所示。每个条带内的切向载荷q(x,y)满足Carter理论，如图2所示。引入归一化切向载荷系数ζ，以描述不同蠕滑情况下的切向载荷分布情况，q(x,y)满足公式二，ζ满足公式三。进而得到整个接触斑内的切向载荷分布情况；
[0014][0015][0016]其中，f为库伦摩擦系数；F
t
为实际切向载荷；F
N
为法向载荷合力；2c
*
、2d
*
和2a
*
分别为黏着区、滑移区和接触区宽度(如图1所示)；ζ称为归一化切向载荷系数，用于表征纵向蠕滑率(或黏着区)的大小，其变化范围为0～1；称为黏着区宽度系数，其变化范围也为0～1；
[0017]步骤6、根据步骤5得到的切向载荷分布规律q(x,y)，编写相关的移动切向载荷子程序UTRACLOAD；
[0018]步骤7、采用步骤4和步骤6编写的子程序DLOAD和UTRACLOAD替代车轮，对步骤2建立的钢轨三维实体模型进行循环加载；
[0019]步骤8、提取接触区附近所有节点的应力张量和应变张量
[0020][0021][0022]其中，σ
ij
和ε
ij
分别为应力、应变张量的分量，i,j＝x,y,z；
[0023]步骤9、固定坐标原点O，对初始坐标系O
‑
XYZ进行旋转，得到新的坐标系O
‑
X'Y'Z'，
其中X轴与X'轴夹角为θ，Y轴与Y'轴夹角为φ，通过旋转张量得到在新坐标系O
‑
X'Y'Z'下每个节点对应的所有应力张量和应变张量
[0024][0025][0026][0027]其中，σ
ij*
和ε
ij*
分别为应力、应变张量的分量，i,j＝x,y,z，为张量的转置；
[0028]步骤10、角度θ和φ所确定的平面称之为临界面，获取所有节点在任意平面上的SWT参数的值：
[0029][0030]其中，σ
max
为临界面上的正应力，Δε为临界面上的正应变范围；
[0031]步骤11、筛选出SWT参数的最大值，其对应的节点即为当前轮轨滚动接触过程中的危险点；根据钢轨材料，确定参数和E，根据下式获取危险点的疲劳裂纹萌生寿命N
f
：
[0032][0033]其中，为疲劳强度系数，是疲劳延性系数；是疲劳强度指数；是疲劳延展性指数；E是弹性模量；角度θ和φ所确定的平面称之为临界面，在该计算条件下，钢轨的滚动接触疲劳裂纹最开始将在该平面上萌生。
[0034]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益的技术效果：
[0035]本专利技术结合SWT临界面方法，可以有效地计算出当前轮轨滚动接触条件下钢轨的疲劳裂纹萌生寿命和疲劳裂纹萌生点位置。因此，本专利技术相比现场直接检测或实验研究而言，成本小；而相比建立车轮和钢轨接触模型进行多次加载计算而言，节约了大量计算资源，并且保证了计算收敛性。
附图说明
[0036]图1为接触斑内条带切分示意图；
[0037]图2为切向载荷分布示意图；
[0038]图3为钢轨材料本构模型参数验证图；
[0039]图4轮轨静压接触模型；
[0040]图5为钢轨等效应力分布云图；
[0041]图6为钢轨等效应变分布云图；
[0042]图7为接触区中间截面内SWT参数值。
具体实施方式
[0043]作为本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钢轨滚动接触疲劳预测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、选择或建立可以合理反映所研究金属结构的材料循环变形行为的材料本构模型，并确定相关材料参数，并对参数进行验证；步骤2、根据实际车轮和钢轨尺寸，在有限元软件ABAQUS中建立车轮和钢轨的三维实体模型；步骤3、以O
‑
XYZ为初始坐标系，X轴为钢轨横向，垂直于钢轨，Y轴为钢轨纵向，与列车行进方向一致，Z轴垂直向上；获取接触斑内接触压力的分布规律p(x,y)；步骤4、基于提取的接触压力分布规律p(x,y)，编写相关的移动法向载荷子程序DLOAD；步骤5、获取切向载荷分布规律q(x,y)；步骤6、根据步骤5得到的切向载荷分布规律q(x,y)，编写相关的移动切向载荷子程序UTRACLOAD；步骤7、采用步骤4和步骤6编写的子程序DLOAD和UTRACLOAD替代车轮，对步骤2建立的钢轨三维实体模型进行循环加载；步骤8、提取接触区附近所有节点的应力张量和应变张量和应变张量和应变张量其中，σ
ij
和ε
ij
分别为应力、应变张量的分量，i,j＝x,y,z；步骤9、固定坐标原点O，对初始坐标系O
‑
XYZ进行旋转，得到新的坐标系O
‑
X'Y'Z'，其中X轴与X'轴夹角为θ，Y轴与Y'轴夹角为φ，通过旋转张量得到在新坐标系O
‑
X'Y'Z'下每个节点对应的所有应力张量和应变张量和应变张量和应变张量和应变张量其中，σ
ij*
和ε
ij*
分别为应力、应变张量的分量，i,j＝x,y,z，为张量的转置；步骤10、角度θ和φ所确定的平面称之为...

【专利技术属性】
技术研发人员：阚前华，赵吉中，伏培林，康国政，吴圣川，徐井芒，王平，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：