多重随机因素作用下钢轨疲劳裂纹萌生与扩展寿命预测研究

Rail tread fatigue crack is one of rail common defects. It undermines the relationship between wheel and rail, increasing the maintenance costs. Even fatigue crack propagation causes the rail to break, endangering traffic safety. With the train speed and axle load increasing, rail tread fatigue crack is more serious trend. .The project will establish three-dimensional wheel/rail coupling dynamics model using the actual wheel and rail profiles to study the distributions of wheel/rail forces and locations of wheel/rail contact.Then a random load spectrum will be made according to the joint probability distribution of the two random fatctors. Based on experimentally obtained cyclic stress-strain curve, a nonlinear finite element model of wheel and rail will be established to study of the rail stress/strain field under the random load spectrum. The fatigue crack initiation and propagation lives will be predicted based on the rail stress/strain field using Theory of damage mechanics and Theory of fracture mechanics. Then, a neural network will be used to simulate the nonlinear relationship between fatigue crack initiation and propagation lives and the various random factors (such as wheel/rail contact location, wheel/rail forces and material properties parameters). By using Monte-Carlo simulation, the characteristics of fatigue life probability distribution will be studied under multiple random factors to reveal the mechanism of rail fatigue damage. .The results of this project will enrich the rail damage mechanics research, and provide theoretical support for rail maintenance and service safety.

钢轨踏面疲劳裂纹是钢轨常见伤损之一，它破坏轮轨关系，增加养护维修费用，其扩展甚至会导致钢轨折断，危及行车安全；随着列车速度提高和轴重增加，钢轨踏面疲劳裂纹呈增加趋势。本项目拟建立车辆-轨道耦合动力学模型，研究轮轨力的幅频特性和轮轨接触位置的分布特征，探求这两随机量的联合概率分布，编制随机载荷谱；利用试验获得的循环应力-应变曲线，建立轮轨接触非线性模型，研究随机载荷谱作用下钢轨应力-应变场的变化；利用损伤力学理论和断裂力学理论，估算疲劳裂纹萌生与扩展寿命；采用神经网络模拟疲劳裂纹萌生扩展寿命与轮轨接触位置、轮轨力和材料性能参数等各随机因素之间的非线性关系；运用Monte-Carlo仿真，研究多重随机因素作用下疲劳裂纹萌生和扩展寿命概率分布特性，分析各参数对疲劳裂纹萌生和扩展寿命的影响，揭示钢轨疲劳损伤机理。本项目的研究成果将丰富钢轨损伤力学研究内容，为钢轨养护维修和服役安全提供理论支持。

随着列车速度的提高和轴重的增加，钢轨疲劳伤损呈增加趋势。它破坏轮轨关系，增加养护维修费用，其扩展会导致钢轨折断，危及行车安全。因此，为了应对这种严峻形势，需要从理论与技术方面研究钢轨疲劳伤损的预防和治理措施。本项目综合运用理论研究、仿真分析和试验研究等方法，研究重载铁路钢轨疲劳裂纹萌生扩展机理，分析了不同随机因素对疲劳裂纹萌生寿命的影响规律，探求了不同参数情况下疲劳裂纹扩展特性。本项目利用车辆-轨道动力学理论，采用敏感性分析方法，分析各因素对轮轨力的敏感性，计算各参数的敏感度因子，确定敏感参数；采用蒙特卡洛（Monte-Carlo）模拟方法，进行了随机参数下轮轨接触特性分布研究。对现场实测轮轨力数据进行统计分析，对比了仿真结果和现场实测数据统计结果的差异性。进行了重载铁路常用钢的循环加载疲劳试验，分析了不同试件间应力-应变曲线的异同性；采用敏感性分析方法，分析了钢轨材质参数对疲劳裂纹萌生寿命的影响，计算了各参数的敏感度因子；以影响疲劳裂纹萌生寿命的主要材质参数为变量，利用蒙特卡洛模拟方法，分析了钢轨疲劳参数分散性，统计确定疲劳参数分布类型；根据轮轨接触特性和疲劳参数分布类型，利用累积损伤理论，建立多重随机因素作用下疲劳裂纹萌生寿命预测模型。利用断裂力学理论，研究了不同参数情况下踏面疲劳和轨底疲劳扩展特性。提出一种考虑设计周期总体磨耗情况的钢轨型面优化方法，以轮轨滚动接触理论、车辆-轨道动力学理论及非线性规划理论为基础，对重载铁路曲线钢轨型面进行优化设计。研究发现：在随机参数情况下，轮轨力服从正态分布，轮轨接触位置分布具有非均匀性，呈现“双高峰”特点；疲劳强度指数服从均匀分布，疲劳强度系数服从正态分布，疲劳延性指数和疲劳延性系数的简单函数服从正态分布；疲劳裂纹萌生寿命概率分布图呈“S”型；抗拉强度对疲劳裂纹萌生寿命影响比较大；通过多样性参数对比分析，发现踏面疲劳裂纹多以复合型裂纹模式扩展，而轨底疲劳裂纹多以I型裂纹模式扩展；优化获得了非对称钢轨型面，其设计周期内通过总重相比标准型面提升139.73%，达到了提升钢轨使用寿命的目的。本项目深入认识了钢轨疲劳裂纹萌生扩展机理和特性，初步掌握了钢轨非对称型面优化设计方法，这为钢轨伤损养护维修和预防措施制定提供了理论依据。