半无限大体中次表面裂纹间的相互影响

针对钢轨次表面的微裂纹问题,采用含裂纹的半无限大体进行简化,研究了半无限大体中裂纹间的相互影响。利用弹性力学中半平面体在边界上受法向分布力的应力公式求出裂纹面上的应力,并采用Kachanov简化方法,得到了裂纹尖端的应力强度因子。分析了裂纹与表面的距离、裂纹尺寸和裂纹之间的距离对裂纹尖端应力强度因子的影响。结果表明:裂纹与表面的距离越大裂纹间的影响越小,裂纹尺寸越大裂纹间的影响越大,裂纹之间的距离越大裂纹间的影响越小。

钢轨表面裂纹扩展路径的数值模拟

通过采用有限元分析软件ANSYS对钢轨表面裂纹扩展路径进行模拟,在主裂纹尖端微小区域虚设出不同角度的次裂纹来计算出钢轨表面斜裂纹的扩展路径。仿真结果表明模拟的裂纹路径与实验得到的裂纹路径基本吻合。由此可知,用虚设的次裂纹计算裂纹的扩展方向是可行的。

疲劳裂纹扩展引起的钢轨表面剥离研究

钢轨表面疲劳裂纹扩展引起的剥离掉块是一种很常见的损伤形式。利用有限元模拟钢轨表面裂纹扩展,得到裂纹尖端的周向应力和应力强度因子。基于最大周向应力幅值判据,确定裂纹扩展方向,运用paris公式计算裂纹扩展速率,进而确定裂纹扩展路径。研究结果表明:高速列车裂纹扩展速率明显高于低速列车。高速列车钢轨经过6万多次车轮碾压表面剥离,剥离深度约为430μm;而低速列车钢轨经过16万多次车轮碾压表面剥离,剥离深度约为590μm。模拟的钢轨裂纹扩展路径和剥离掉块与现场服役钢轨的损伤形貌比较吻合,说明用最大周向应力幅值判据来确定钢轨疲劳裂纹扩展路径是可行的。钢轨表面剥离与疲劳裂纹扩展密切相关,建议对钢轨进行及时的打磨来预防钢轨的剥离。