128091字博士毕业论文货车轮辐板裂纹及其应用安全性探讨

论文类型：博士毕业论文

论文字数：128091字

论点：裂纹,车轮,应力

论文概述：

本文是优秀博士论文，采用有限元法数值模拟和应力寿命法定量模拟研究了轮轨机械载荷，以及与这些制动热负载组合作用下车轮福板孔的疲劳裂纹形成寿命。

论文正文：

第一章为裂纹形成和扩展规律的

仿真研究——基于轮轨机械载荷和车轮运行制动热载荷条件，采用有限元方法计算轮辐孔的应力应变和裂纹应力强度因子，研究建立了考虑胎面磨损量、轮辐孔位置等多参数影响的裂纹形成寿命和剩余寿命预测模型，计算了大秦线典型制动工况和全工况下的裂纹形成寿命和剩余寿命。根据调节板孔裂纹数据的统计分析、断口的宏观和微观分析、轮辐板孔裂纹车轮的直线运行试验以及裂纹形成、扩展和失稳临界条件的模拟计算等。全面分析了裂纹产生的原因、扩展规律和裂纹车轮的安全使用条件。
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第二章车轮法兰的失效分析和材料性能

2.1840D车轮法兰的失效分析
通过车轮法兰的宏观显微组织、金相检验、能谱分析和材料性能研究，材料无冶金缺陷等异常情况会导致车轮法兰裂纹萌生。对孔表面的观察表明，其边缘的拐角是尖锐的，这表明在实际生产过程中，孔形成时已经存在，并且没有进行边缘倒角，这将在孔的边缘产生局部应力集中。然而，观察发现样品中的所有裂纹都起源于孔的边缘和拐角，这表明孔的边缘和拐角处的应力集中可能是导致裂纹起源的主要因素。综合分析，产生裂纹的原因是腹板孔边是车轮应力的薄弱环节，加工过程中没有进行处理，加剧了局部应力集中，导致腹板孔边的局部应力超过了车轮外载荷下腹板材料的疲劳极限，从而在使用过程中造成疲劳裂纹。

2.2载重汽车轮辐板钢板断裂和韧致辐射试验
载重汽车运行期间有不同的制动过程，包括长坡制动、紧急制动等。这些频繁的制动会对车轮法兰板产生热应力。由于法兰盘上的孔和孔边的应力集中，法兰盘的孔位置产生疲劳裂纹。在本试验中，施加拉伸载荷，使试件孔边产生的拉伸应力等于孔边产生的热应力，制动10分钟，以模拟最不利工况，即车轮最不利制动次数下腹板孔位置的裂纹萌生时间。实验分别由宏观液压疲劳试验机和微观电子显微镜试验机进行。由于调节板的孔部是车轮的薄弱环节，加工过程中没有对孔边进行处理，孔边的局部应力集中加剧，导致受祝福的板孔在外载荷作用下局部应力超过材料的疲劳极限，从而在使用过程中产生疲劳裂纹。

第三章腹板孔疲劳裂纹成因模拟分析.......29
3.1轮轨作用下孔边的应力分析...................30
3.2制动条件下的温度场和热应力场分析.......35
第四章腹板孔裂纹扩展规律及扩展寿命研究........61
4.1轮辐孔拐角裂纹应力强度因子的研究61
4.2轮辐孔拐角裂纹扩展规律的研究........67
第五章轮辐孔断裂准则分析...................87
5.1线弹性断裂力学基础理论……87
5.2应力强度因子的计算……87

第七章福克孔裂纹工程应用于未来车轮研究的研究

7.1踏面制动模式下的车轮形状设计研究
就车轮裂纹而言，疲劳裂纹(以下简称轮辋裂纹)除福克孔裂纹外，还存在于轮辋中，这仍然是一个国内外尚未彻底解决的难题。如果没有及时发现轮辋裂纹，在轮轨进一步接触应力的作用下，可能会造成车轮踏面。目前，轮辋裂纹的原因非常清楚。这是由于车轮踏面左右两侧存在大颗粒夹杂物造成的。然而，轮辋裂纹的扩展规律仍在研究中。与板孔裂纹一样，它也受钢轨接触应力和踏面制动热应力的影响，需要得到裂纹尖端的应力强度因子。因此，研究板孔裂纹扩展的热-机械亲和分析方法和裂纹尖端应力强度因子的计算方法对研究轮辋裂纹扩展规律具有一定的参考价值。应用有限元方法建立轮轨几何尺寸的轮轨接触模型，开展轮轨接触疲劳性能研究，对防止轮辋裂纹和开展损伤容限研究具有积极意义。

7.2轮辋裂纹扩展研究的可行性分析
轮辋疲劳裂纹是车轮使用过程中产生的典型损伤类型。未能及时发现车轮裂纹将严重危及机车车辆的行驶安全。虽然车轮疲劳裂纹是车轮损坏史上的常见现象，但随着我国铁路的快速发展，时速高达300公里的列车和轴重为30t的重型卡车相继投入使用。轮轨之间的动态相互作用力随着速度的增加而线性增加。同样，轮轨接触应力随着轴重的增加而增加。此外，在高速重载工况下，车轮踏面的擦伤和剥落会导致严重的冲击载荷，这些因素会导致轮辋内应力的增加。因此，随着轮轨动态相互作用力的增大，车轮内夹杂物的类型、尺寸和形状将成为影响车轮疲劳轮辋裂纹萌生和扩展的重要因素。如果该区域存在非金属夹杂物等冶金缺陷，列车运行时轮轨接触剪应力是轮对固有的。当裂纹源在剪应力作用下成核并引发裂纹时，列车运行越快，裂纹扩展越快。
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第八章结论

通过对货车轮缘板的失效分析、裂纹萌生原因及裂纹扩展分析、轮缘板孔裂纹模拟及跟踪试验研究，得出以下结论:采用有限元法数值模拟和应力寿命法定量模拟研究轮轨机械载荷， 大秦线典型制动工况下全制动工况下轮缘板孔的应力分布和轮轨机械载荷，以及这些制动热载荷共同作用下轮缘板孔的疲劳裂纹形成寿命。 通过分析计算，发现板孔裂纹问题与运行状态密切相关，特别是大秦线长坡道的线路特性。长坡道制动产生的热负荷和轮轨之间的机械负荷的综合作用是造成板孔裂纹的最重要因素。然而，轮轨机械动载荷产生的波动应力和制动热载荷产生的热应力的叠加极大地导致了其疲劳损伤和裂纹的产生。由于加工工艺的不稳定性，祝福板孔的加工位置离散性大。如果它向边缘倾斜，它会加速受祝福的板孔裂纹的形成。此外，胎面磨损的增加导致机械应力水平的提高，这也促进了祝福板孔裂纹的形成。
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参考文献(省略)