一种轮轨裂纹萌生及扩展的确定方法与流程

1.本发明涉及铁道工程技术领域，具体地说，涉及一种轮轨裂纹萌生及扩展的确定方法。


背景技术：

2.现有预测仿真磨耗的技术中，是通过轮轨多刚体动力学模型、轮轨经典接触算法和基于临界平面法的裂纹预测相结合的手段来对轮轨裂纹萌生及扩展进行预测，然而该方法需要分布进行，忽略了轮轨到动态高频振动作用对滚动接触间的耦合作用。车辆-钢轨耦合多刚体动力学将轮轨系统视为刚体，忽略了非线性材料、轮轨高频振动的影响，而钢轨在高速列车滚动荷载作用下会出现独立运动与高频颤振，并与车轮发生接触振动，接触斑尺寸及其应力和微滑分布会出现剧烈变化，表现出瞬态滚动接触行为，多刚体动力学无法精确刻画出轮轨滚动接触解。另外，基于稳态假设的轮轨经典算法不适于精确求解轮轨瞬态滚动接触行为，也无法考虑轮轨的局部滚滑接触行为与结构动力学的耦合效应。
3.现有技术存在的问题和缺点：现有方法忽略了轮轨的局部滚滑接触行为与结构动力学的耦合效应，无法考虑非线性材料、轮轨接触下的质量效应和波导特性，无法精确刻画轮轨滚动接触行为。因此无法精确预测轮轨间的裂纹萌生和扩展规律。


技术实现要素：

4.本发明的内容是提供一种轮轨裂纹萌生及扩展的确定方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
5.根据本发明的一种轮轨裂纹萌生及扩展的确定方法，其包括以下步骤：
6.一、前处理：选取道岔的关键断面，随后求出中间关键断面和加密道岔沿纵向的截面数目；
7.二、建模：建立车轮-道岔三维参数化模型，对实体模型进行网格划分，同时赋予对应的材料属性，并将划分好的网格导出；
8.三、求解：将划分好的网格导入至ansys/lsdyna中，并将实测橡胶垫刚度和阻尼作为输入参数进行隐-显式求解，模拟车轮通过高速道岔的完整过程；
9.四、后处理：对步骤三中的结果进行后处理，并提取轮轨动态响应、应力/应变分布以及轮轨磨耗功、磨耗；
10.五、根据步骤四中的结果，获取单次车轮通过下的疲劳损伤，随后计算多次循环滚动下的轮轨疲劳阶段损伤d
ij
和疲劳累计损伤∑d
j
；
11.六、判断轮轨疲劳累计损伤∑d
j
是否小于临界疲劳损伤d
c
，若∑d
j
＜d
c
，则本阶段无裂纹萌生，返回重新计算；当∑d
j
≥d
c
时，则有裂纹萌生，且最大疲劳损伤参量点为裂纹萌生点，同时计算裂纹萌生寿命，获取裂纹萌生时的车轮通过次数。
12.作为优选，步骤一中，通过matlab程序插值拟合求出中间关键断面和加密道岔沿纵向的截面数目。
13.作为优选，步骤二中，利用pro/e的混合扫描功能来建立车轮-道岔三维参数化模型，网格划分需结合hypermesh软件。
14.作为优选，步骤四中，轮轨磨耗根据archard磨耗模型计算，当轮轨磨耗未超过设定的磨耗量时，统计累积轮对通过次数；当模型中任一节点的磨耗量超过设定的磨耗量时，将模型所有节点的磨耗量分别叠加到原有模型上，获取磨耗后的轮轨廓形，并替换原有模型，统计该磨耗阶段的累计轮对通过次数。
15.作为优选，所述设定的磨耗量为0.01mm。
16.作为优选，步骤五中，基于临界平面法获取单次车轮通过下的疲劳损伤。
17.作为优选，d
c
＝1。
18.本发明的轮轨裂纹仿真结果准确，能够精确的反应出轮轨瞬态滚动接触与高频振动对裂纹萌生及扩展的影响。
附图说明
19.图1为实施例1中一种轮轨裂纹萌生及扩展的确定方法的流程图。
具体实施方式
20.为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。
21.实施例1
22.如图1所示，本实施例提供了一种轮轨裂纹萌生及扩展的确定方法，其包括以下步骤：
23.一、前处理：选取道岔的关键断面，随后求出中间关键断面和加密道岔沿纵向的截面数目；
24.二、建模：建立车轮-道岔三维参数化模型，对实体模型进行网格划分，同时赋予对应的材料属性，并将划分好的网格导出；
25.三、求解：利用对应接口将划分好的网格导入至ansys/lsdyna中，并将实测橡胶垫刚度和阻尼作为输入参数进行隐-显式求解，模拟车轮通过高速道岔的完整过程；
26.四、后处理：根据轮轨磨耗功、塑性应变等参数的定义，基于matlab程序对步骤三中的结果进行后处理，并提取轮轨动态响应、应力/应变分布以及轮轨磨耗功、磨耗；
27.五、根据步骤四中的结果，主要是应力/应变结果，获取单次车轮通过下的疲劳损伤，随后计算多次循环滚动下的轮轨疲劳阶段损伤d
ij
和疲劳累计损伤∑d
j
；
28.六、预测钢轨裂纹萌生与扩展：判断轮轨疲劳累计损伤∑d
j
是否小于临界疲劳损伤d
c
，若∑d
j
＜d
c
，则本阶段无裂纹萌生，返回重新计算；当∑d
j
≥d
c
时，则有裂纹萌生，且最大疲劳损伤参量点为裂纹萌生点，同时计算裂纹萌生寿命，获取裂纹萌生时的车轮通过次数。
29.本实施例中，步骤一中，通过matlab程序插值拟合求出中间关键断面和加密道岔沿纵向的截面数目。
30.本实施例中，步骤二中，利用pro/e的混合扫描功能来建立车轮-道岔三维参数化模型，网格划分需结合hypermesh软件。
31.本实施例中，步骤四中，轮轨磨耗根据archard磨耗模型计算，当轮轨磨耗未超过设定的磨耗量时，统计累积轮对通过次数，但钢轨原有型面不会被现有磨耗型面替换；当模型中任一节点的磨耗量超过设定的磨耗量时，将模型所有节点的磨耗量分别叠加到原有模型上，获取磨耗后的轮轨廓形，并替换原有模型，统计该磨耗阶段的累计轮对通过次数，进而实现钢轨型面磨耗及其分段迭代。
32.本实施例中，所述设定的磨耗量为0.01mm。
33.本实施例中，步骤五中，基于临界平面法获取单次车轮通过下的疲劳损伤。
34.本实施例中，d
c
＝1。
35.本实施例的轮轨裂纹仿真结果准确，能够精确的反应出轮轨瞬态滚动接触与高频振动对裂纹萌生及扩展的影响。
36.以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。