非稳态纯滚动接触弹塑性分析

建立了二维弹塑性非稳态循环纯滚动接触有限元模型.材料本构采用一种较好的循环塑性模型,并通过材料用户子程序在通用有限元软件ABAQUS中自定义该本构模型.通过在弹塑性无限半空间表面上重复移动随时间按简谐规律变化的赫兹法向载荷来模拟非稳态循环纯滚动接触过程.通过数值模拟,得到接触表面附近的残余累积变形、应变和残余应力.不同的最大赫兹接触压力对残余应力和残余应变影响较大.在简谐变化的法向接触载荷作用下接触表面的变形呈波浪形,随着滚动次数的增加,该波状表面沿载荷移动相反方向逐渐移动,但移动速率要衰减.波状表面波谷处的残余应力、应变和变形大于波峰处.随滚动次数的增加,残余应力增大但很快趋于稳定,残余应变也增大但增大速率衰减.     

钢轨横向不均匀支撑刚度对钢轨波磨的影响

建立了钢轨波浪形磨损计算模型，模型中考虑车辆轨道垂向横向耦合动力学行为、轮轨三 维滚动接触力学行为和轮轨材料摩擦磨损的循环相互作用关系. 发展了相应的计算程序，并 用1: 1试验装置验证了理论模型. 详细分析了实际线路上由轨枕离散支撑导致的钢轨横向不均匀刚度和不同行车速度对曲线钢轨接触表面不均匀磨损的影响. 通过数值分析可知： (1)列车通过曲线钢轨时，轨枕离散支撑导致的钢轨横向不均匀刚度易引发曲线钢轨波磨的形 成和发展；(2)这类钢轨波磨具有与轨枕间距几乎相等的波长和28~35mm的短波长，这个短波长不均匀磨损主要是由轮轨高频接触振动引起；(3)同一个转向 架4个车轮作用下形成的钢轨波磨最大深度波谷的分布是不同的；(4) 改变过车速度不能有效地抑制轨枕离散支撑导致的钢轨波磨形成和发展速度.     

机车车轮踏面与钢轨接触的仿真计算及试验研究

应用轮轨型面测量仪测量实际运用中的磨耗后机车车轮，基于标准与磨耗后机车车轮型面，建立轮轨接触三维有限元模型，计算分析不同横移量下的接触斑和等效应力. 搭建轮轨接触试验台，使用取自现场的车轮与钢轨试块进行试验，分析不同横移量下轮轨接触状态. 针对磨耗前后车轮与标准钢轨接触的有限元计算与试验进行对比分析. 结果表明:横移量对轮轨接触状态有着显著的影响，横移量过大会加速机车车轮的磨耗；与标准型面相比，磨耗后车轮型面与标准钢轨接触时的接触斑面积较大，最大等效应力较小；通过轮轨接触试验台所得接触斑形状和大小与仿真计算所得结果一致性较好，证明了有限元仿真计算的可靠性.      

一种轿车车轮应力状态测量与分析方法

基于台架应变测试试验方法,研究轿车车轮在疲劳试验中的应力状态。结果表明:车轮的径向疲劳试验时,轮胎会对车轮的载荷产生较大的影响,轮胎与转鼓的挤压变形以及正反转动都会对车轮的应力状态产生影响;车轮径向疲劳试验时,最大应变出现在轮辋与轮胎接触位置沿车轮圆周方向,而在靠近轮心位置的应变较小;车轮弯曲疲劳试验时,最大应变出现在轮辐靠近轮心的位置,最大应变出现在轮辐的长度方向;不同的载荷对车轮应变的变化规律并没有影响,但是会对最大和最小峰值产生影响。     

一种轿车车轮应力状态测量与分析方法

基于台架应变测试试验方法,研究轿车车轮在疲劳试验中的应力状态。结果表明:车轮的径向疲劳试验时,轮胎会对车轮的载荷产生较大的影响,轮胎与转鼓的挤压变形以及正反转动都会对车轮的应力状态产生影响;车轮径向疲劳试验时,最大应变出现在轮辋与轮胎接触位置沿车轮圆周方向,而在靠近轮心位置的应变较小;车轮弯曲疲劳试验时,最大应变出现在轮辐靠近轮心的位置,最大应变出现在轮辐的长度方向;不同的载荷对车轮应变的变化规律并没有影响,但是会对最大和最小峰值产生影响。     

高速列车车轮踏面剥离引起的轮轨冲击力学响应有限元模拟

车轮踏面剥离是轨道车辆车轮非圆化损伤的常见形式之一。轮轨滚动接触过程中,车轮踏面剥离会循环冲击钢轨,诱发异常大的轮轨动态相互作用,严重影响高速列车运行平稳性和安全性。基于三维轮轨滚动接触有限元模型,模拟了高速列车车轮踏面剥离引起的轮轨冲击力学响应,分析了轮轨冲击过程中的轮轨接触力/压力、接触斑及黏/滑特性、钢轨表面节点速度分布和应力/应变状态等响应特征,讨论了列车速度、剥离长度和剥离深度等关键参数对轮轨冲击响应的影响。结果发现,车轮踏面剥离引起的轮轨动态垂向接触力随列车速度的提高呈现出先增大后减小的变化趋势,并在列车速度为300 km/h出现最大值,约为轮轨准静态垂向接触力的1.35倍;随着剥离长度的增大,轮轨动态接触力、轮/轨von Mises应力和等效塑性应变均显著增大;随着剥离深度的增大,仅车轮von Mises应力和等效塑性应变显著增大。     

冲角工况下列车车轮损伤机理研究

曲线通过和蛇行运动时将会在轮轨间产生一定的冲角,为探究列车车轮在冲角工况下的损伤机理,利用JD-1轮轨模拟试验机对列车车轮进行滚动接触疲劳试验.结果表明:在冲角工况下车轮试件磨痕的不同区域存在不同的损伤机理,按损伤机理的不同可以将其分为塑性堆积区、疲劳损伤区和磨损区三个区域.在应力发生剧烈变化且应力方向由高应力区指向低应力区的区域将会出现材料的塑性堆积,并且在堆积处产生疲劳裂纹.滚动接触下的疲劳裂纹可以萌生于表面和亚表面,在较强应力作用下,车轮材料的晶粒发生了明显的细化,在横截面上呈现出纤维状组织.     

钢轨表面三维疲劳裂纹扩展数值分析

在车轮循环滚动接触载荷作用下,钢轨接触表面裂纹问题频发,严重威胁高速列车运行安全,开展钢轨表面三维滚动接触疲劳裂纹扩展分析意义重大.首先,考虑不同初始裂纹角度,建立钢轨轨头含初始裂纹的三维有限元模型,对钢轨表面施加循环滚动接触载荷,进行轮轨滚动接触计算;然后,基于相互作用积分法计算裂纹前缘的应力强度因子;最后,采用最大周向应力准则和Paris公式计算当前状态下裂纹扩展方向和扩展速率,进而更新下一时刻的裂纹形状和尺寸.通过对上述过程重复实现,从而预测钢轨表面三维裂纹的扩展路径.加载过程中裂纹前缘应力强度因子计算结果表明,随着初始裂纹角度增加,K_Ⅰ的峰值逐渐减小,K_Ⅱ的峰值逐渐增大,裂纹前缘各位置的等效应力强度因子逐渐减小;裂纹前缘节点的位置越靠近钢轨表面,等效应力强度因子越大.疲劳裂纹扩展计算结果表明,随着循环次数的增加,不同初始角度下的裂纹都发生了偏折,逐渐朝着钢轨深度方向扩展,且裂纹的初始角度越大,发生扩展时需要的循环次数越多.对比三种初始裂纹角度下裂纹长度随循环次数的演化曲线可以发现,初始裂纹角度越小,裂纹扩展速率越大.所开发的方法也适用...     

小半径曲线科隆蛋扣件地段钢轨波磨特性

为研究小半径曲线科隆蛋扣件轨道的波磨演化特征,首先通过分析钢轨波磨实测数据,获得了波磨的典型通过频率;然后运用车辆-轨道空间耦合模型和基于摩擦功理论的钢轨材料摩擦磨损模型,对曲线段钢轨波磨特性进行了分析。结果表明:导向轮可承载的外侧蠕滑力几乎全程达到饱和,内侧蠕滑力部分达到饱和,且饱和部分呈周期性出现;当蠕滑力等于饱和蠕滑力时,磨耗深度最大,并且内轨的磨耗深度幅值大于外轨。结合钢轨磨耗预测型面可知,外轨主要发生侧磨,内轨则趋向发生波磨,从而出现内轨波磨严重而外轨波磨轻微这一现象。磨耗频域特性分析表明,内轨磨耗等级含有与实测波磨通过频率相近的特征频率,且这些频率处的磨耗增长率较大,说明对应频率的磨耗将不断发展,最终形成波磨。     

合金含量对高速车轮材料滚动接触磨损性能的影响

将2种含碳量相同合金含量不同的高速车轮材料分别与钢轨材料匹配,利用滚动接触摩擦磨损试验机测试了各摩擦副的摩擦系数和磨损率,比较研究了组织、硬度和加工硬化等因素对车轮材料滚动接触磨损性能的影响.结果表明：在传统的高速车轮材料中适当地增加Si、Mn的含量,降低Cr的含量可以提高车轮材料的抗磨损性能;硬度高的车轮材料未必耐磨,组织差异对车轮材料的抗磨损性能影响显著;表面裂纹易萌生于高度变形的先共析铁素体组织;加工硬化引起的硬度增加对材料的抗磨损性能影响不大.     

Effect of a scratch on curved rail on initiation and evolution of plastic deformation induced rail corrugation

A calculation model is put forward to analyze the effect of a scratch on the running surface of a curved rail on initiation and growth of plastic deformation induced rail corrugation when a wheelset is steadily and repeatedly curving. The numerical method considers a combination of Carter’s two-dimensional contact theory, a two-dimensional elastic–plastic finite element model and a vertical dynamics model of railway vehicle coupled with a curved track. A concept of feedback between the corrugation development and the vertical coupling dynamics of the wheelset and track is involved. The cyclic ratchetting effect of the rail material under repeated contact loadings is taken into account. The numerical results indicate that when a vehicle runs on rails with a scratch the contact vibration between the wheel and rail occurs at large amplitude, and rail corrugation due to plastic deformation initiates and develops. The corrugation has a tendency to move along the running direction and its evolution rate decays as wheelset passages increase. The passing frequencies of the plastic deformation induced corrugation depend on the natural frequencies of the track. The residual stresses stabilize after a limited number of wheelset passages. The residual strains increase at a reduced rate with increasing wheelset passages.     

钢轨表面波浪形磨损研究

通过对现场获取的波磨钢轨进行铆钉上，硬度试验分析，探讨了钢轨波磨的形成机理，发现钢轨波磨主要是因为轨面的不均匀塑性变形所致，机车车辆结构的相似和列车运行速度的趋近将加速钢轨波摩的产生，而提高钢轨屈服强度可有效地减轻钢轨波磨。     

钢轨短波长波浪形磨损的安定性分析

针对轮-轨滚动接触的短波长波浪形磨损现象,采用有限元法分析了三维实体模型的接触状态,通过计算分析了高频力作用下接触表面的塑性变形过程.结果表明:在一定的运动条件下,由于重复滚压作用,接触表面发生硬化并达到安定极限状态,生成有规律的短波长变形;钢轨表面塑性变形受枕木间距的影响;就具有随动硬化特性的钢轨材料而言,当摩擦系数μ<0.3时,屈服现象发生在材料表层下方;随着摩擦系数的增大,接触表面的切向力增大,安定极限的临界接触压力Po降低,屈服点移向接触表面,材料失效加快.     

钢轨短波波磨的产生机理

通过对轮-轨系统进行动力学分析,指出高频率的能量传播主要集中于轮轨之间,在对轮-轨系统进行有限元分析的基础上,研究了轨道的受力情况和摩擦系数对应力分布的影响。讨论了轨道的弹塑变形和安定极限。     

不同介质对轮轨增黏与磨损特性影响

利用MMS-2A摩擦磨损试验机研究了水介质下砂、氧化铝、研磨子对轮轨增黏与磨损特性影响.结果表明:干态和水介质下随蠕滑率增大黏着系数呈先增加后小幅降低并趋于稳定.水介质下氧化铝介质的增黏效果最好,研磨子最差;砂介质使轮轨磨损严重且塑性流变层最厚,轮轨试样表面剥落严重;氧化铝介质下轮轨磨损量较砂介质小,塑性流变层轻微;研磨子介质下的轮轨试样磨损量最小,磨损表面较为光滑;落叶显著降低黏着系数,且易形成落叶浆,使接触表面产生划痕;落叶工况下撒砂能增加黏着系数且能去除落叶浆,但易造成轮轨试样的剥落损伤.     

位移幅值对铜镁合金微动磨损行为的影响

在研制的多功能微动磨损试验机上,开展了不同位移幅值下铜镁合金微动磨损试验,以研究位移幅值对铜镁合金微动磨损行为的影响. 微动过程中记录摩擦系数曲线与F_t-D-N曲线,利用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能量色散X射线光谱仪(EDS)及三维形貌仪对损伤区域进行了微观分析. 结果显示:随着位移幅值的增加,铜镁合金微动运行状态由部分滑移进入完全滑移,未发现混合滑移状态;部分滑移区中呈现由弹性变形协调逐渐向塑性变形协调转变的趋势. 磨损体积随位移幅值的增加而增加,在完全滑移区中体积损失非常严重. 在弹性变形协调的部分滑移状态下,接触表面损伤轻微,而由塑性变形协调的部分滑移状态下,接触中心出现较大切应力,疲劳裂纹扩展至接触表面导致材料剥落,接触边缘有磨粒磨损和氧化磨损的痕迹. 在完全滑移状态下,接触表面损伤主要为疲劳剥层,磨粒磨损和氧化磨损.      

不同润滑材料对轮轨磨损与滚动接触疲劳的影响

通过轮轨滚动接触模拟试验研究了干态、施加轨顶摩擦调节剂、润滑油和润滑脂工况下的轮轨摩擦、磨损和损伤行为,分析了不同润滑材料对轮轨滚动接触疲劳损伤的影响. 结果表明:施加轨顶摩擦调节剂可将轮轨摩擦系数调控至0.1~0.3范围内,车轮和钢轨试样磨损率较干态下分别降低了54.9%和26.3%,轮轨表面损伤、塑性变形和滚动接触疲劳损伤明显降低;施加润滑油和润滑脂具有更加显著的润滑和减磨效果,摩擦系数降低至0.1以下,磨损率降低85%以上,但润滑油和润滑脂会进入裂纹内部产生“油楔效应”,导致严重的滚动接触疲劳损伤,而轨顶摩擦调节剂的固体润滑特性则避免了该问题的产生.      

Design and development of a new transformable wheel used in amphibious all-terrain vehicles (A-ATV)

Conventional ground-wheeled vehicles usually have poor trafficability, low efficiency, a large amount of energy consumption and possible failure when driving on soft terrain. To solve this problem, this paper presents a new design of transformable wheels for use in an amphibious all-terrain vehicle. The wheel has two extreme working statuses: unfolded walking-wheel and folded rigid wheel. Furthermore, the kinematic characteristics of the transformable wheel were studied using a kinematic method. When the wheel is unfolded at walking-wheel status, the displacement, velocity and acceleration of the wheel with different slip rates were analyzed. The stress condition is studied by using a classic soil mechanics method when the transformable wheel is driven on soft terrain. The relationship among wheel traction, wheel parameters and soil deformation under the stress were obtained. The results show that both the wheel traction and trafficability can be improved by using the proposed transformable wheel. Finally, a finite element model is established based on the vehicle terramechanics, and the interaction result between the transformable wheel and elastic–plastic soil is simulated when the transformable wheel is driven at different unfold angles. The simulation results are consistent with the theoretical analysis, which verifies the applicability and effectiveness of the transformable wheel developed in this paper.