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重载铁路轮轨滚动接触疲劳损伤机理研究

重载铁路；滚动接触疲劳；本构模型；损伤机理；有限元分析

重载铁路是提升货运能力的最有效路径，也是我国铁路十三五发展的重要方向。重载铁路通过重载列车在重载钢轨上行驶实现货物输运，其轴重大，运量大，行车密度高，给钢轨的抗疲劳性能带来巨大挑战。通过与钢轨厂家和高校的联合攻关，首先对现役的不同钢轨材料开展单轴和非比例多轴低周疲劳实验，揭示了棘轮-疲劳交互作用机理。基于实验结果建立了三维循环塑性本构模型和考虑棘轮-疲劳交互作用的疲劳失效模型，合理预测不同类型钢轨材料的棘轮行为和疲劳失效寿命。进而，针对重载线路钢轨的典型服役条件，建立轮轨接触三维有限元模型，研究不同服役条件，如钢轨曲率、轴载、摩擦系数和蠕滑率等因素对钢轨应力和应变场的影响，揭示稳态滚动接触时危险位置的应力和塑性应变随循环周次的演化规律。最终，结合有限元分析结果和疲劳失效寿命预测模型，预测了钢轨在不同服役条件下的疲劳裂纹萌生位置、寿命和扩展方向，并基于多尺度力学分析方法对两种新型钢轨延寿措施进行了机理分析。研究成果不仅可用于评估现役重载钢轨的疲劳性能，也为重载铁路钢轨选材和延寿提供重要参考。