轮轨之间的滚动接触对钢轨、车轮表面造成摩擦磨损,损伤累积导致疲劳裂纹萌生、扩展,最后使得轮轨局部表面剥离、脱落,引起滚动的不平顺,进一步加速轮轨的摩擦磨损,严重的将引发轮轨断裂的灾难性破坏。因此,研究和解决轮轨的滚动接触疲劳问题,对保障行车安全是十分重要的。 滚动接触涉及物理、几何、边界三重非线性,其裂纹缺陷的研究具有较高的难度和复杂性,到目前为止,大多数研究者都是在线弹性范围内研究裂纹的断裂特性。本文采用非线性有限元软件MSC.Marc,分析计算轮轨弹塑性接触应力、钢轨中裂纹缺陷的弹塑性断裂力学特性J积分。 在车轮和钢轨的真实几何结构及边界条件基础上,建立了合理的计算分析模型。分析了钢轨和车轮接触的弹塑性应力应变场,及钢轨表面裂纹对应力应变场的影响;研究了轮轨滚动摩擦接触过程、枕木支承位置对轮轨接触应力分布的影响。 对钢轨中存在的不同形式的半椭圆型表面裂纹,建立了钢轨裂纹的计算分析模型:当裂纹长度不变,而深度变化时,计算结果表明裂纹前缘J积分随车轮滚动变化,车轮驶向裂纹部位时,J积分值逐渐增大,而车轮驶离裂纹部位时,J积分值则逐渐减小;随裂纹深度增加,车轮滚动对裂纹的影响逐渐减小;当车轮与裂纹部位距离大于30mm,车轮的滚压对裂纹几乎无影响;当裂纹长度和深度按比例变化时,结果表明裂纹前缘J积分随裂纹尺度的增大而略有增加。 综合分析得出:半椭圆型裂纹将优先向轨头深度方向扩展;半圆形裂纹比半椭圆形裂纹稳定,不容易扩展;当裂纹位于枕木上方位置时的J积分值较大,裂纹就愈易向深度方向扩展。