西南交通大学本科毕业设计(论文)

毕业设计（论文）任务书

班

级

2010级工力一班

年

月

日

学生姓名

铁卫伟 学 完成日期：

号

20104273 月

日

发题日期： 题

目

钢轨表面长裂纹的扩展路径研究

1、本论文的目的、意义

由于我国高速铁路事业的飞速发展，铁路系统的养护与维修，其重要性业已显得日益突出，根据轮轨裂纹的形成与扩展，相关部门正为此寻找一条，既能解决疲劳断裂问题又能减少运营与维护费用，同时又能延长轮轨的正常使用年限的最佳解决途径。对此解决途径本次论文设计中需要对此进行初步探讨与研究，通过建立有限元模型来分析轮轨在使用过程中出现的疲劳与损伤现象。定性分析其损伤类型与失效机理，寻找通过滚动接触疲劳和磨损形成的各种类型的裂纹的扩展机理，以寻找一个打磨轮轨消除微裂纹的最佳时间和频率，并据此分析结果找出在不同特征的轨道线路上磨损强度的不同。通过以上分析结论为中国高速铁路量身打造一套，与中国高铁发展相协调的养护与维修体制，将利润最大化。

2、学生应完成的任务

第一阶段：根据自己的毕业设计论文题目，收集国内外相关论文资料与文献进行知识储备。分析国际上相关课题的研究现状，确定毕业设计论文的大致路线和所涉及的内容与领域。并根据毕业设计论文的选题，查找一篇与所要进行研究内容具有一定相关性的外文文献进行阅读并完成该文献的翻译工作。

第二阶段：从自己的毕业设计论文选题出发，进行Ansys建模并确定尺寸与网格划分。

第三阶段：针对毕业设计论文所涉及的具体问题进行分析计算并记录计算与分析结果；同是需要完成毕业设计论文的初步大纲，并根据已有研究成果撰写毕业设计论文的初稿。

IV

西南交通大学本科毕业设计(论文)

第四阶段：进行结果总结与分析的效验工作；同时修改论文初稿，对初稿中存在的错误与瑕疵及时进行订正，将修改后的初稿重新排版形成第二稿。

第五阶段：完成毕业设计论文，根据指导教师和评阅人的指正和建议，对第二稿中存在的重大错误和问题进行订正填补不足，形成最终稿并进行论文答辩，同时上交本人毕业论文的相关资料。

3、论文各部分内容及时间分配：（共 17 周）

第一部分查找相关外文文献并翻译该文献。准备论文相关文献及资料。( 1-3 周) 第二部分撰写计划书，明确研究内容及其实际意义

( 4-6 周)

第三部分使用ANSYS建立轮轨模型，进行加载，计算并得到相应的结果( 7-12周) 第四部分结合相关资料，对所得计算结果进行分析和总结，形成报告（13-14 周) 第五部分撰写论文，根据指导老师的建议进行修改，完成毕业论文（15-17周）

评阅及答辩 (

周)

备 注

指导教师： 审批人：

年 年

月 月

日 日

V

西南交通大学本科毕业设计(论文)

摘

要

由于我国高速铁路事业的飞速发展，客货运列车的行驶速度和载重都在不断增加。铁路系统的养护与维修，其重要性业已显得日益突出，轮轨的接触滚动问题中的磨损和接触疲劳现象则是困扰铁路运输业的难题。因此，分析接触滚动问题，并解决由于磨损和接触疲劳引发的安全问题，是一个亟需解决的关键性问题。

本文通过建立ANSYS有限元模型来分析轮轨在使用过程中出现的疲劳与损伤现象，在裂纹面上引入接触单元，在裂尖引入奇异单元，获得了钢轨裂纹尖端的应力与强度因子。具体开展的研究工作如下：

（1）使用Ansys有限元分析软件进行建模，施加约束及荷载，底端固定端全约束，顶端施加指定移动载荷；

（2）裂纹可使用直裂纹分别使用长度为50?m、200?m、500?m、1000?m、2000?m和5000?m，分别提取其应力强度因子；

（3）结果分析表明：（1）应力强度因子K?有两个波峰， K??有一个波峰；（2）应力强度因子K?随裂纹长度的增大而急剧增大，K??随裂纹长度的增大而增大；（3）在裂纹位于接触斑内部时，应力强度因子K?与K??的曲线大致呈负相关。

关键词 钢轨；接触裂纹；应力强度因子；疲劳裂纹

VI

西南交通大学本科毕业设计(论文)

Abstract

With the rapid development of China's high-speed railway, passenger and freight trains travel speed and load are increasing.Because of the maintenance and repair of the railway system, it has become increasingly prominent that the wear and contact fatigue of wheel/rail rolling contact. Therefore, the problem caused by wear and contact fatigue is urgent to be resolved.

Through the establishment of ANSYS finite element model, the introduction of contact elements on the crack surfaces and the singular element at the crack tip, it is obtained that the stress intensity factors at crack tips. Specific research work carried out as follows:

(1) ANSYS finite element analysis software is used to model the problem. The bottom of the rail is fully constrained. Specify the moving load is applied on the top.

(2) A straight crack with a length of

, respectively, was analyzed. The stress intensity factor is

obtained for each length of cracks.

(3) The results showed that: (1) the stress intensity factor has two peaks, there is a crest. (2) the stress intensity factor increases dramatically with the increasing of the crack length. (3) If the crack is located inside the contact patch, the curves of the stress intensity factors K? snd K?? have a negative relation.

Keywordsrail；contacts；stress；intensityfactor；fatiguecrack

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