高速铁路道岔钢轨疲劳裂纹演变分析方法

本书系统阐述高速铁路道岔钢轨疲劳裂纹演变分析方法，主要包括车轮与道岔组合轨件接触关系研究、组合轨件重构影响下车辆-道岔轮轨动力作用研究、道岔钢轨材料复合型疲劳裂纹扩展试验、材料复合型疲劳断裂性能表征研究、道岔钢轨裂纹演变的2.5 维近场动力学分析模型、铁路道岔钢轨裂纹演化行为分析等。

目录
“高速铁路轨道工程丛书”序
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 车辆-道岔系统动力学研究现状 4
1.2.1 多刚体动力学方法 4
1.2.2 刚柔耦合动力学方法 4
1.2.3 瞬态有限元方法 5
1.3 道岔钢轨材料疲劳断裂性能表征研究现状 5
1.3.1 经典理论表征方法 6
1.3.2 近场动力学表征方法 6
1.4 道岔钢轨疲劳伤损研究现状 7
1.4.1 定性评估方法 7
1.4.2 定量分析方法 7
1.5 铁路道岔钢轨裂纹伤损标准 8
1.5.1 道岔钢轨探伤周期 8
1.5.2 道岔钢轨裂纹伤损程度标准 9
参考文献 11
第2章 车轮与道岔组合轨件接触关系研究 15
2.1 道岔组合轨件重构行为 15
2.2 轮轨多点接触几何关系 17
2.2.1 轮轨多点接触几何计算方法 17
2.2.2 道岔组合轨件廓形 19
2.2.3 轮轨接触位置 20
2.2.4 轮轨两点接触区域 23
2.3 轮轨力分配与转移规律 24
2.3.1 轮轨力分配计算方法 24
2.3.2 轮对横移影响因素 26
2.3.3 车轮磨耗影响因素 26
2.3.4 轮轨垂向力影响因素 28
2.3.5 弹性垫板刚度影响因素 30
2.4 轮轨滚动接触算法 32
2.4.1 接触算法简介 32
2.4.2 计算参数 33
2.4.3 法向接触计算 35
2.4.4 切向接触计算 37
参考文献 41
第3章 组合轨件重构影响下车辆-道岔轮轨动力作用研究 43
3.1 车辆动力学模型 43
3.1.1 车辆模型概述 43
3.1.2 车辆模型振动方程 46
3.1.3 车辆子模型参数 50
3.1.4 子模型检验 51
3.2 道岔轨道动力学模型 54
3.2.1 道岔钢轨振动模型与方程 54
3.2.2 道岔轨枕振动模型与方程 57
3.2.3 道岔道床振动模型与方程 58
3.2.4 道岔轨道子模型参数 60
3.2.5 子模型检验 60
3.3 动力学仿真系统开发 64
3.3.1 车辆-道岔动力学仿真系统VITS-RMCRP 64
3.3.2 模拟与实测结果对比 67
3.4 组合轨件动态重构影响分析 68
3.4.1 组合轨件动态重构规律 68
3.4.2 轮轨相互作用力规律 69
3.4.3 轮轨振动加速度规律 70
3.4.4 轮载过渡转移规律 71
参考文献 72
第4章 道岔钢轨材料复合型疲劳裂纹扩展试验 73
4.1 试验方案 73
4.1.1 紧凑拉伸剪切试样 73
4.1.2 试验仪器与夹具 74
4.1.3 试验参数与试验步骤 76
4.2 复合型疲劳裂纹扩展测量方案 78
4.2.1 裂纹扩展长度测量 78
4.2.2 裂纹扩展路径与角度测量 79
4.3 复合型疲劳裂纹扩展试验结果 80
4.3.1 裂纹扩展速率结果 80
4.3.2 裂纹扩展路径结果 87
4.3.3 裂纹扩展角度结果 89
4.4 试样断口宏观形貌分析 92
4.4.1 断口区域划分 92
4.4.2 扩展区长度 93
4.5 试样断口微观形貌观测 94
4.5.1 取样观测方式 94
4.5.2 微观组织形貌分析 94
4.5.3 EDS分析 98
参考文献 99
第5章 材料复合型疲劳断裂性能表征研究 100
5.1 CTS试样加载过程的近场动力学仿真模型 100
5.1.1 常规态近场动力学理论 100
5.1.2 近场动力学疲劳分析方法 101
5.1.3 试样加载仿真模型 102
5.2 基于键拉伸率的疲劳断裂性能表征 103
5.2.1 方法简介 103
5.2.2 键失效条件参数反演 107
5.2.3 键失效条件验证 109
5.3 基于键能量释放率的疲劳断裂性能表征 114
5.3.1 方法简介 114
5.3.2 键失效条件参数反演 116
5.3.3 键失效条件验证 118
5.4 表征效果对比分析 124
5.4.1 裂纹扩展长度对比 124
5.4.2 裂纹扩展路径对比 125
5.4.3 裂纹扩展角度对比 125
参考文献 126
第6章 道岔钢轨裂纹演变的2.5 维近场动力学分析模型 129
6.1 道岔钢轨裂纹演变二维分析模型 129
6.1.1 道岔钢轨分析断面 129
viii 高速铁路道岔钢轨疲劳裂纹演变分析方法
6.1.2 模型概述 131
6.1.3 裂纹短程接触 132
6.1.4 模型算法流程 133
6.2 移动荷载施加方法 135
6.2.1 轮轨法向荷载 135
6.2.2 轮轨切向荷载 138
6.3 裂纹面2.5 维附加约束 140
6.3.1 裂纹面约束概念 140
6.3.2 等效约束刚度推导 141
6.4 截断界面2.5 维附加约束 142
6.4.1 截断界面约束概念 142
6.4.2 等效约束刚度推导 142
6.5 两类2.5维附加约束验证 143
6.5.1 三维有限元验证模型 144
6.5.2 裂纹面约束验证 144
6.5.3 截断界面约束验证 149
6.6 裂纹演变模拟与实测结果对比 153
6.6.1 裂纹演变模拟结果 153
6.6.2 模拟与实测对比分析 159
参考文献 160
第7章 铁路道岔钢轨裂纹演化行为分析 161
7.1 初始裂纹特征影响分析 161
7.1.1 初始裂纹长度影响分析 161
7.1.2 初始裂纹角度影响分析 163
7.1.3 初始裂纹纵向宽度影响分析 165
7.1.4 初始裂纹位置影响分析 167
7.2 接触荷载特征影响分析 169
7.2.1 列车轮重影响分析 169
7.2.2 轮轨滚滑状态影响分析 172
7.2.3 轮轨摩擦系数影响分析 174
7.3 多裂纹相互作用影响分析 176
7.3.1 裂纹间距影响分析 176
7.3.2 裂纹长度影响分析 178
7.3.3 裂纹角度影响分析 180
7.3.4 裂纹数量影响分析 182