道岔钢轨疲劳裂纹扩展的制造技术

道岔钢轨疲劳裂纹扩展的

【技术实现步骤摘要】
道岔钢轨疲劳裂纹扩展的2.5维近场动力学计算方法及系统


[0001]本专利技术属于铁路伤损数值计算领域，具体涉及到道岔钢轨疲劳裂纹扩展的
2.5
维近场动力学计算方法及系统
。

技术介绍

[0002]道岔作为轨道结构中的三大薄弱环节之一，不仅是养护维修的重点和难点，也是保证铁路运输能力和行车安全的重要环节
。
近年来，道岔钢轨产生的疲劳裂纹伤损现象显著增多，不仅增加了工作人员的维修工作量和铁路的维修成本，而且还会对列车行驶的安全性和平稳性造成影响
。
因此，开展道岔钢轨疲劳裂纹扩展行为研究，对于节约铁路养护维修成本和保障列车行驶的安全性具有重要的现实意义
。
[0003]目前研究钢轨裂纹的数值仿真方法大多是采用有限元方法，但是有限元方法在研究损伤演化和断裂破坏问题时存在明显局限性，一方面，有限元方法在面对不连续问题时存在奇异性，需要使用奇异单元模拟裂尖力场，随着裂纹的发展，裂尖位置不断变化，需要对裂纹尖端进行网格重划分，增加了建模难度；另一方面，有限元方法不能直接体现裂纹伤损带来的影响，需要在平衡方程之外附加外部准则来指导裂纹的发展，然而，在试验中获取精准的外部准则是十分困难的
。
此外，有限元方法往往需要通过建立三维实体模型对裂纹扩展问题进行研究，在面对疲劳裂纹扩展这种轮轨接触荷载循环次数较多的问题时，需要大量的计算资源
。

技术实现思路

[0004](
一
)
专利技术目的/>[0005]本专利技术的目的是提供一种能降低建模难度，提高计算效率与精度的道岔钢轨疲劳裂纹扩展的
2.5
维近场动力学计算方法及系统
。
[0006](
二
)
技术方案
[0007]为解决上述问题，本专利技术提供了一种道岔钢轨疲劳裂纹扩展的
2.5
维近场动力学计算方法，包括：
[0008]构建车辆
‑
道岔耦合系统动力学模型，利用所述车辆
‑
道岔耦合系统动力学模型获取轮轨接触作用信息；
[0009]根据所述轮轨接触作用信息，构建
2.5
维道岔钢轨模型，对所述
2.5
维道岔钢轨模型进行质点离散，生成质点和质点间的连接键；
[0010]根据预设的连接键断开条件断开连接键；
[0011]计算所述断开的连接键的质点损伤指数与荷载循环次数，所述质点损伤指数与荷载循环次数用于评价裂纹扩展
。
[0012]本专利技术的另一方面，优选地，
[0013]所述连接键断开条件包括满足第一断开条件或第二断开条件；
[0014]所述第一断开条件包括所述连接键的伸长率大于临界伸长率；计算所述连接键的
伸长率包括：
[0015]预设位移约束和荷载边界条件，利用所述
2.5
维道岔钢轨模型，计算质点位移和连接键的伸长率；
[0016]所述第二断开条件包括所述连接键的剩余寿命为零；计算所述连接键的剩余寿命包括：
[0017]预设道岔钢轨材料的连接键疲劳失效参数，并根据所述连接键的伸长率，计算连接键的剩余寿命
。
[0018]本专利技术的另一方面，优选地，
[0019]计算所述断开的连接键的质点损伤指数与荷载循环次数包括：
[0020][0021]其中，
N0为连接键断开所需的荷载循环次数，
λ
为连接键的剩余寿命，初始时刻为1，随着荷载循环次数的增加，剩余寿命
λ
逐渐降低；
A
和
M
为连接键的疲劳失效参数，
s
为连接键的伸长率，为质点损伤指数，
ψ
为标量函数，当连接键未发生断裂时，
ψ
为1，当连接键断开时，
ψ
由1变为0，
H
为中心物质点的近场范围内所有物质点的集合
。
[0022]本专利技术的另一方面，优选地，
[0023]所述构建车辆
‑
道岔耦合系统动力学模型，利用所述车辆
‑
道岔耦合系统动力学模型获取轮轨接触作用信息，包括：
[0024]确定车辆的车体
、
构架和轮对参数，构建车辆模型；
[0025]确定道岔参数，生成道岔轨头特征断面，并将其拟合成连续的变截面道岔，构建道岔模型；
[0026]将车辆模型与道岔模型进行耦合，构建车辆
‑
道岔耦合系统动力学模型；
[0027]利用所述车辆
‑
道岔耦合系统动力学模型获取车辆过岔时的轮轨接触作用信息
。
[0028]本专利技术的另一方面，优选地，
[0029]所述根据所述轮轨接触作用信息，构建
2.5
维道岔钢轨模型，对所述
2.5
维道岔钢轨模型进行质点离散，生成质点和质点间的连接键包括：
[0030]确定道岔截面尺寸，根据离散间距对道岔截面进行质点离散，生成质点及其对应坐标；
[0031]根据生成的质点的近场范围生成质点间的连接键
。
[0032]本专利技术的另一方面，优选地，
[0033]所述根据所述轮轨接触作用信息，构建
2.5
维道岔钢轨模型，对所述
2.5
维道岔钢轨模型进行质点离散，生成质点和质点间的连接键还包括：
[0034]设置初始裂纹，将经过初始裂纹区域的连接键断开；
[0035]计算裂纹面闭合时施加的相互作用力和裂纹面张开时施加的相互作用力，利用所述裂纹面闭合时施加的相互作用力和裂纹面张开时施加的相互作用力构建所述
2.5
维道岔
钢轨模型；
[0036][0037]其中，
f
sh
为裂纹面闭合时施加的相互作用力，
f
cf
为裂纹面张开时施加的相互作用力，
ξ
是物体变形前的相对位置矢量，
η
是物体变形过程中的相对位移矢量，
ξ
+
η
是物体变形后的相对位置矢量，
l
为模型厚度，
δ
为近场尺寸，
Δ
x
为离散尺寸，
EI
为尖轨材料抗弯刚度，
b0为初始裂纹沿线路纵向宽度
。
[0038]本专利技术的另一方面，优选地，
[0039]预设位移约束和荷载边界条件，利用所述
2.5
维道岔钢轨模型，计算质点位移和连接键的伸长率包括：
[0040]对所述
2.5
维道岔钢轨模型底部施加垂向位移约束；
[0041]对所述
2.5
维道岔钢轨模型尖轨与基本轨贴靠区域施加横向位移约束；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种道岔钢轨疲劳裂纹扩展的
2.5
维近场动力学计算方法，其特征在于，包括：构建车辆
‑
道岔耦合系统动力学模型，利用所述车辆
‑
道岔耦合系统动力学模型获取轮轨接触作用信息；根据所述轮轨接触作用信息，构建
2.5
维道岔钢轨模型，对所述
2.5
维道岔钢轨模型进行质点离散，生成质点和质点间的连接键；根据预设的连接键断开条件断开连接键；计算所述断开的连接键的质点损伤指数与荷载循环次数，所述质点损伤指数与荷载循环次数用于评价裂纹扩展
。2.
根据权利要求1所述的道岔钢轨疲劳裂纹扩展的
2.5
维近场动力学计算方法，其特征在于：所述连接键断开条件包括满足第一断开条件或第二断开条件；所述第一断开条件包括所述连接键的伸长率大于临界伸长率；计算所述连接键的伸长率包括：预设位移约束和荷载边界条件，利用所述
2.5
维道岔钢轨模型，计算质点位移和连接键的伸长率；所述第二断开条件包括所述连接键的剩余寿命为零；计算所述连接键的剩余寿命包括：预设道岔钢轨材料的连接键疲劳失效参数，并根据所述连接键的伸长率，计算连接键的剩余寿命
。3.
根据权利要求1所述的道岔钢轨疲劳裂纹扩展的
2.5
维近场动力学计算方法，其特征在于，计算所述断开的连接键的质点损伤指数与荷载循环次数包括：其中，
N0为连接键断开所需的荷载循环次数，
λ
为连接键的剩余寿命，初始时刻为1，随着荷载循环次数的增加，剩余寿命
λ
逐渐降低；
A
和
M
为连接键的疲劳失效参数，
s
为连接键的伸长率，为质点损伤指数，
ψ
为标量函数，当连接键未发生断裂时，
ψ
为1，当连接键断开时，
ψ
由1变为0，
H
为中心物质点的近场范围内所有物质点的集合
。4.
根据权利要求1所述的道岔钢轨疲劳裂纹扩展的
2.5
维近场动力学计算方法，其特征在于，所述构建车辆
‑
道岔耦合系统动力学模型，利用所述车辆
‑
道岔耦合系统动力学模型获取轮轨接触作用信息，包括：确定车辆的车体
、
构架和轮对参数，构建车辆模型；确定道岔参数，生成道岔轨头特征断面，并将其拟合成连续的变截面道岔，构建道岔模型；将车辆模型与道岔模型进行耦合，构建车辆
‑
道岔耦合系统动力学模型；利用所述车辆
‑
道岔耦合系统动力学模型获取车辆过岔时的轮轨接触作用信息
。
5.
根据权利要求4所述的道岔钢轨疲劳裂纹扩展的
2.5
维近场动力学计算方法，其特征在于，所述根据所述轮轨接触作用信息，构建
2.5
维道岔钢轨模型，对所述
2.5
维道岔钢轨模型进行质点离散，生成质点和质点间的连接键包括：确定道岔截面尺寸，根据离散间距对道岔截面进行质点离散，生成质点及其对应坐标；根据生成的质点的近场范围生成质点间的连接键
。6.
根据权利要求5所述的道岔钢轨疲劳裂纹扩展的
2.5
维近场动力学计算方法，其特征在于，所述根据所述轮轨接触作用信息，构建
2.5
维道岔钢轨模型，对所述
2.5
维道岔钢轨模型进行质点离散，生成质点和质点间的连接键还包括：设置初始裂纹，将经过初始裂纹区域的连接键断开；计算裂纹面闭合时施加的相互作用力和裂纹面张开时施加的相互作用力，利用所述裂纹面闭合时施加的相互作用力和裂纹面张开时施加的相互作用力构建所述
2.5
维道岔钢轨模型；其中，
f
sh
为裂纹面闭合时施加的相互作用力，
f
cf
为裂纹面张开时施加的相互作用力，
ξ
是物体变形前的相对位置矢量，
η
是物体变形过程中的相对位移矢量，
ξ
+
η
是物体变形后的相对位置矢量，
l

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓川，王祥和，刘林芽，王亚杰，尹伟彬，陈奥林，
申请(专利权)人：华东交通大学，
类型：发明
国别省市：