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【科研進展情況】

近日,我院王建西教授作為通訊作者,李楊博士生、陳進杰教授、石現峰教授、陳龍博士生作為作者,在國際學術期刊International Journal of Fatigue (International Journal of Fatigue, 2020, 139, 105750)上發表論文“Study on the effect of residual stresses on fatigue crack initiation in rails”。該論文研究了鋼軌生產及服役過程中產生的殘余應力對鋼軌疲勞裂紋萌生的影響規律, 揭示了鋼軌殘余應力與鋼軌疲勞裂紋萌生壽命之間關系的復雜性。

【內容介紹】

1.研究目的:

滾動接觸疲勞裂紋是鐵路鋼軌的主要損傷類型之一。滾動接觸疲勞裂紋不僅會大大縮短鋼軌的使用壽命,增加鐵路部門用于鋼軌維修與更換的支出,還會影響列車運行平順性乃至運行安全性。前人研究表明,殘余應力是鋼軌疲勞裂紋萌生與擴展的重要影響因素之一;鋼軌的生產過程(在線熱處理、矯直等)及服役過程(輪軌接觸作用)均會影響鋼軌殘余應力的形成與變化。為更加深入地分析殘余應力與鋼軌疲勞裂紋萌生壽命之間的內在聯系,本文采用有限元方法分析在線熱處理鋼軌殘余應力的產生-演化規律,并以臨界平面法作為鋼軌疲勞損傷分析準則,研究殘余應力對鋼軌疲勞裂紋萌生的影響機理與規律。

2.主要創新點:

(1)本文通過對鋼軌生產-服役全過程的有限元模擬,研究了在線熱處理鋼軌的殘余應力狀態及殘余應力空間分布規律。

(2)本文對在線熱處理鋼軌熱處理、矯直等生產工序中產生的殘余應力對鋼軌疲勞裂紋萌生參數的影響進行了量化分析。

(3)本文研究了輪載加載過程中臨界平面上的應力分量、殘余應力分量與鋼軌疲勞裂紋損傷參量之間的相關性。

3.研究結論:

(1)服役在線熱處理鋼軌的各殘余應力分量中,縱向應力最大,但其它殘余應力分量并未小至可以忽略,在進行鋼軌損傷分析時,其各向殘余應力分量均應予以考慮。

(2)在線熱處理鋼軌生產過程、輪軌重復滾動接觸過程中產生的殘余應力對鋼軌疲勞裂紋萌生有較大影響。相關研究中應充分考慮殘余應力對鋼軌疲勞損傷的作用。

(3)不同輪軌摩擦系數及輪軌力工況下,疲勞參量FPmax與殘余應力之間并未呈現正相關或負相關關系。

上述研究成果揭示了鋼軌殘余應力與鋼軌疲勞裂紋萌生壽命之間關系的復雜性,為進一步分析鋼軌殘余應力與鋼軌疲勞裂紋萌生機理的內在聯系,并針對性地提出鋼軌滾動接觸疲勞裂紋預防與控制措施,奠定了理論基礎。 

【精要導讀】

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