【科研进展情况】

近日,我院王建西教授作为通讯作者,李杨博士生、陈进杰教授、石现峰教授、陈龙博士生作为作者,在国际学术期刊International Journal of Fatigue (International Journal of Fatigue, 2020, 139, 105750)上发表论文“Study on the effect of residual stresses on fatigue crack initiation in rails”。该论文研究了钢轨生产及服役过程中产生的残余应力对钢轨疲劳裂纹萌生的影响规律, 揭示了钢轨残余应力与钢轨疲劳裂纹萌生寿命之间关系的复杂性。

【内容介绍】

1.研究目的:

滚动接触疲劳裂纹是铁路钢轨的主要损伤类型之一。滚动接触疲劳裂纹不仅会大大缩短钢轨的使用寿命,增加铁路部门用于钢轨维修与更换的支出,还会影响列车运行平顺性乃至运行安全性。前人研究表明,残余应力是钢轨疲劳裂纹萌生与扩展的重要影响因素之一;钢轨的生产过程(在线热处理、矫直等)及服役过程(轮轨接触作用)均会影响钢轨残余应力的形成与变化。为更加深入地分析残余应力与钢轨疲劳裂纹萌生寿命之间的内在联系,本文采用有限元方法分析在线热处理钢轨残余应力的产生-演化规律,并以临界平面法作为钢轨疲劳损伤分析准则,研究残余应力对钢轨疲劳裂纹萌生的影响机理与规律。

2.主要创新点:

(1)本文通过对钢轨生产-服役全过程的有限元模拟,研究了在线热处理钢轨的残余应力状态及残余应力空间分布规律。

(2)本文对在线热处理钢轨热处理、矫直等生产工序中产生的残余应力对钢轨疲劳裂纹萌生参数的影响进行了量化分析。

(3)本文研究了轮载加载过程中临界平面上的应力分量、残余应力分量与钢轨疲劳裂纹损伤参量之间的相关性。

3.研究结论:

(1)服役在线热处理钢轨的各残余应力分量中,纵向应力最大,但其它残余应力分量并未小至可以忽略,在进行钢轨损伤分析时,其各向残余应力分量均应予以考虑。

(2)在线热处理钢轨生产过程、轮轨重复滚动接触过程中产生的残余应力对钢轨疲劳裂纹萌生有较大影响。相关研究中应充分考虑残余应力对钢轨疲劳损伤的作用。

(3)不同轮轨摩擦系数及轮轨力工况下,疲劳参量FPmax与残余应力之间并未呈现正相关或负相关关系。

上述研究成果揭示了钢轨残余应力与钢轨疲劳裂纹萌生寿命之间关系的复杂性,为进一步分析钢轨残余应力与钢轨疲劳裂纹萌生机理的内在联系,并针对性地提出钢轨滚动接触疲劳裂纹预防与控制措施,奠定了理论基础。 

【精要导读】