基于sines準則的鋼軌疲勞分析

《鐵道機車車輛強度設(shè)計方法》基于sines準那么的鋼軌疲勞分析說明書學(xué)院：機械工程學(xué)院專業(yè)：機械工程姓名：XX學(xué)號：2023210227指導(dǎo)老師：米彩盈日期：2023年5月11日鋼軌疲勞概況在工程結(jié)構(gòu)和機械設(shè)備中，疲勞的現(xiàn)象極為廣泛，它普遍存在于每個承受反復(fù)荷載的結(jié)構(gòu)中。疲勞潛藏于機械設(shè)備運轉(zhuǎn)的過程中，它常常會造成加劇零部件的磨損和斷裂，從而使機械零部件失效，使機械設(shè)備不能正常工作，甚至造成生命危險，因此疲勞特性是人們一直非常關(guān)注的問題。鋼軌是軌道的主要部件，它是輪軌接觸中的直接承重局部，引導(dǎo)機車車輛的車輪前進，承受車輪巨大的壓力，并將所承受的荷載傳布于軌枕、道床及路基。同時，鋼軌必須為車輪提供連續(xù)、平順和阻力最小的滾動外表。在電氣化鐵道或自動閉塞區(qū)段，鋼軌還可兼作軌道電路之用。因此，鋼軌的狀態(tài)和使用壽命將直接影響鐵路運輸。所以，國內(nèi)外紛紛投入大量科研力量進行理論分析和實驗，研究在輪軌接觸中鋼軌的動力響應(yīng)特征，并根據(jù)動力響應(yīng)結(jié)果，預(yù)測鋼軌壽命，指導(dǎo)工務(wù)部門對鋼軌進行何時打磨、何時換軌等?；赼baqus6.10對鋼軌疲勞應(yīng)力的分析2.1鋼軌的建模為使鋼軌軋制冷卻均勻，要求軌頭、軌腰及軌底的面積分配，有一個較適宜的比例。根據(jù)我國對75kg/m鋼軌斷面尺寸在AutoCAD中繪制鋼軌的截面如下列圖1。根據(jù)已繪好的截面導(dǎo)入Pro/E中，根據(jù)0.65m的軌枕距裝配如下列圖2。圖1鋼軌截面圖圖2鋼軌裝配圖2.2鋼軌模型參數(shù)為了發(fā)揮鋼軌的性能，它應(yīng)具有足夠的剛度，以抵抗由動荷載引起的彈性撓曲變形；具有一定的韌性，以防止在動荷載作用下，發(fā)生折斷或損壞；具有足夠的硬度，以防止車輪壓陷或磨耗太快；其頂面應(yīng)具有一定的粗糙度，以利實現(xiàn)機車的黏著牽引與制動力。我國用于軋制鋼軌的材料有U71、U74、U71Cu、U71Mn、U71MnSi等，本次模擬疲勞應(yīng)力選用鋼軌材料為U71Mn，其彈性模量E＝2.145E5MPa，伸長率δ＝8%－10%，泊松比u＝0.3，密度ρ＝78kg/m3。2.3abaqus仿真分析鋼軌模型使用一對軌枕進行邊界模擬約束，因此軌枕距中心截面為鋼軌受力的危險截面，模擬CRH2車型中24t軸重荷載情況下，對建立好的模型選用C3D8R六面體單元進行網(wǎng)格劃分，并對鋼軌進行四個工況的受力進行模擬分析：①軌枕距中心截面正中心節(jié)點受力；②軌枕距中心截面頂部邊緣節(jié)點受力；③軌枕距中心截面線節(jié)點受力；④軌枕距中心截面面節(jié)點受力，分別如下列圖3所示。將寫好的文件導(dǎo)入工作站進行分析計算，導(dǎo)出計算結(jié)果如下列圖4所示，并導(dǎo)出各個節(jié)點的MISESMAX、S.Mises、S.Max、S.Mid、S.Min應(yīng)力文件，以便進行應(yīng)力分析。②④③①②④③①圖3鋼軌四種工況下的受力④③①②④③①②圖4abaqus分析結(jié)果圖三．基于matlab2023a對abaqus6.10仿真分析結(jié)果進行分析3.1鋼軌材料的力學(xué)性能鋼軌材料U71Mn的力學(xué)性能反映了鋼軌的工作能力，其根本力學(xué)性能有，強度極限δb＝964MPa，屈服極限δs＝552MPa，由材料力學(xué)性能經(jīng)驗公式可知，材料對稱循環(huán)彎曲疲勞極限為材料強度極限的一半，因此可知鋼軌材料的對稱循環(huán)彎曲疲勞極限δ－1N=482MPa。塑性變形后碳鋼扭轉(zhuǎn)疲勞極限與彎曲疲勞極限的關(guān)系的相關(guān)知識，15號碳鋼扭轉(zhuǎn)與彎曲疲勞極限的比在0.53－0.57之間，45號碳鋼扭轉(zhuǎn)與彎曲疲勞極限的比為0.57－0.58，且有含碳量高的材料其疲勞極限比也較高。因此利用插值計算的方法，可以計算出鋼軌材料U71Mn含碳量w(C)＝0.65－0.77的扭轉(zhuǎn)疲勞極限ζ－1＝288MPa。3.2matlab程序編制及驗證3.2.1修正的Goodman曲線由上述的參數(shù)可以對鋼軌各節(jié)點的應(yīng)力進行編程，并對其與Haigh圖形式的修正的Goodman曲線比照，Matlab程序如附錄一。其比照圖形如圖5所示。由圖5可知，各個不同的受力工況下，鋼軌各節(jié)點的應(yīng)力均在Goodman曲線內(nèi)部，因此鋼軌在不同工況下，其危險截面的受力均在其材料力學(xué)性能內(nèi)，其工作狀態(tài)平安。圖5鋼軌應(yīng)力與Haigh－Goodman的比擬3.2.2sines準那么sines準那么是最早提出并被普遍接受的高周多軸疲勞準那么，其內(nèi)容如下：其中：①為第二應(yīng)力偏張量不變量,＝;②;③;④,=。δb——材料的抗拉強度極限；δ－1——材料的旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限；Ζ－1——材料的扭轉(zhuǎn)疲勞極限。由上述參數(shù)及計算公式，對鋼軌各節(jié)點的應(yīng)力進行matlab編程，并將其與sines準那么圖線進行比照，其matlab程序如附錄二。其比照圖形如圖6所示。由圖6可知，各個不同的受力工況下，鋼軌各節(jié)點的各種應(yīng)力均在sines準那么圖線的內(nèi)部，因此鋼軌在不同工況下，其危險截面的受力均在其材料力學(xué)性能內(nèi)，其工作狀態(tài)平安。圖6鋼軌應(yīng)力與sines圖線的比擬總結(jié)經(jīng)過對CRH2型鋼軌24t荷載情況下，模擬鋼軌在不同工況受力的情況下，對其進行了abaqus仿真和基于Haigh－Goodman曲線和sines準那么下進行了matlab編程的理論分析。分析結(jié)果均說明，U71Mn的鋼軌材料是滿足理論的運行條件和要求，對實際鐵路機車車輛的運行具有極大的參考和指導(dǎo)意義。同時，也說明了鐵路機車車輛的開展必須要有足夠的理論支撐，理論知識的不斷完善和進步將毫無疑問地推動了鐵路機車車輛向前快速開展。參考文獻[1]楊寶峰,于春華.鐵路軌枕現(xiàn)狀及開展[J].鐵道工程學(xué)報,2007,101(2):37-40.[2]肖生靈.我國鐵路軌枕使用現(xiàn)狀及軌枕材料開展趨勢的研究[J].森林工程,2005,21(4):50-52.[3]SinesG.Behaviorofmetalsundercomplexstress.In:sinesG.WaismanJL,eds,MetalFatigue,NewYork:McGraw-Hill,1959,145-169.[4]HENRYOttenFuchs,RALPHIvanStephen.MetalFatigueinEngineering[M].NewYork:Wiley-Interscience,1980.[5]時新紅,張建宇,鮑蕊等.材料多軸上下周疲勞失效準那么的研究進展[J].機械強度,2023,30(3):515－521.[6]苗德華.塑性變形后碳鋼扭轉(zhuǎn)疲勞極限與彎曲疲勞極限的關(guān)系[J].天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)學(xué)報,2023,21(3):1-4.[7]韋樹軍.高速鐵路鋼軌的疲勞壽命研究[D].成都：西南交通大學(xué),2006.[8]劉月明,李建勇,蔡永林等.鋼軌打磨技術(shù)現(xiàn)狀和開展趨勢[J].中國鐵道科學(xué),2023,35(1):30－35.[9]劉啟躍.鋼軌的安定狀態(tài)研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,1995,30(4):466-471.[10]劉建鋒,魏慶朝.高速鐵路鋼軌疲勞壽命[J].鐵道工程學(xué)報,2000,66(2):30-33.[11]王元豐,梁亞平.高性能混凝土的彈性模量與泊松比[J].北方交通大學(xué)學(xué)報,2004,28(1):5-7.[12]趙雪芹.鋼軌接觸疲勞裂紋形成機理研究[D].成都：西南交通大學(xué),2007.附錄一〔1〕功能函數(shù)：求應(yīng)力幅和平均應(yīng)力function[y_a,y_m]=myfunction_pilao(x,y)y_a=zeros(1,12);y_m=zeros(1,12);fork=1:12y_a(k)=(x(k)-y(k))/2;enddisp('應(yīng)力幅矩陣y_a＝');disp(y_a);fork=1:12y_m(k)=(x(k)+y(k))/2;enddisp('平均應(yīng)力矩陣y_m＝');disp(y_m);〔2〕繪制Haigh-Goodman曲線并檢驗%繪制Haigh-Goodman曲線并檢驗:%其中y_b=964MPa,y_s=552MPa,y_n=482MPax=[0552];x1=-x;y=[5520];y_b=[-964964;9640];plot(x,y,'-k',...x1,y,'-k',...y_b(:,1),y_b(:,2),'-k');axis([-600,1000,0,600]);xlabel('y_m/MPa');ylabel('y_a/MPa');disp('工況一：');y_max=[187.64487.9213.6506137.842-36.3812...155.369155.369152.72155.36936.7922...63.763336.7924];y_min=[-87.8606-118.752-20.7267-223.32...-253.108-223.32-282.897-282.897...-282.897-50.1325-43.1023-50.1326];[y_a,y_m]=myfunction_pilao(y_max,y_min);holdonscatter(y_m,y_a,'s','markerfacecolor','b',...'markeredgecolor','b');disp('工況二：');y_max=[38.853349.797610.122961.7767...72.997961.777243.4437511.858E-03...43.4431-42.42-71.8975E-03-42.4193];y_min=[-57.8156-66.4293-14.6476-64.6593...-79.4268-64.6595-130.38-275.939...-130.38-421.497-265.026-421.498];[y_a,y_m]=myfunction_pilao(y_max,y_min);holdonscatter(y_m,y_a,'d','markerfacecolor','g',...'markeredgecolor','g');disp('工況三：');y_max=[7.65017-600.245e-037.6501416.6076...1.8125916.607739.768411.1223...4.7200517.524412.450317.5245];y_min=[-41.3266-51.317-41.3266-31.3219...-93.705-110.292-24.0324-105.924...-110.292-101.555-86.851-101.555];[y_a,y_m]=myfunction_pilao(y_max,y_min);holdonscatter(y_m,y_a,'p','markerfacecolor','r',...'markeredgecolor','r');disp('工況四：');y_max=[5.671185.624998.481277.36345...-3.69083-3.69456-10.6576-10.6372...8.335578.36779-9.91144-9.94554];y_min=[-34.5103-34.5401-31.4678-37.4927...-69.5824-69.4646-90.2238-90.4277...-37.2167-35.2162-77.3741-77.1295];[y_a,y_m]=myfunction_pilao(y_max,y_min);holdonscatter(y_m,y_a,'o','markerfacecolor','k',...'markeredgecolor','k');附錄二sines準那么疲勞強度評定%疲勞強度評定%sines準那么:其中t=288MPa,y_n=482MPa,y_b=964MPaclear;clc;t=288;y_n=482;y_b=964;k=(3*t*(y_b+y_n))/(y_b*y_n)-sqrt(6);x=-350:2000;y=-k*x+t;plot(x,y);xlabel('y_H,_m/MPa');ylabel('sqr.J_2,_a/MPa');axis([-350,2000,-150,500]);disp('工況一：');y_max=[187.64487.9213.6506137.842-36.3812...155.369155.369152.72155.36936.7922...63.763336.7924];y_mid=[76.015376.0153-558.285e-0332.0417...-122.09164.7092-147.633-70.7018...-147.633-16.4688-14.8813-16.4687];y_min=[-87.8606-118.752-20.7267-223.32...-253.108-223.32-282.897-282.897...-282.897-50.1325-43.1023-50.1326];y_mises=[142.003179.39822.8006159.826...189.165159.826144.198181.445...144.19877.995696.025877.9957];y_h=(y_max+y_mid+y_min)/3;aq_j=y_mises/(sqrt(3));holdonscatter(y_h,aq_j,'s','markerfacecolor','b',...'markeredgecolor','b');disp('工況二：');y_max=[38.853349.797610.122961.7767...72.997961.777243.4437511.858E-03...43.4431-42.42-71.8975E-03-42.4193];y_mid=[-18.6161-24.3711-3.95117-8.65852...-3.41798-8.65873-30.3961-64.6681...-30.3959-98.9401-43.6302-98.9402];y_min=[-57.8156-66.4293-14.6476-64.6593...-79.4268-64.6595-130.38-275.939...-130.38-421.497-265.026-421.498];y_mises=[84.4484102.03122.0141110.551...132.686110.552206.045252.659...206.045200.232246.157200.233];y_h=(y_max+y_mid+y_min)/3;aq_j=y_mises/(sqrt(3));holdonscatter(y_h,aq_j,'d','markerfacecolor','g',...'markeredgecolor','g');disp('工況三：');y_max=[7.65017-600.245e-037.6501416.6076...1.8125916.607739.768411.1223...4.7200517.524412.450317.5245];y_mid=[-4.82279-10.9099-4.82283-7.37709...-20.7407-7.377088.12969-35.1937...-23.2061-47.1813-37.9153-47.1813];y_min=[-41.3266-51.317-41.3266-31.3219...-93.705-110.292-24.0324-105.924...-110.292-101.555-86.851-101.555];y_mises=[44.206346.466144.206368.9947...86.478868.994779.8837103.579...79.883769.291