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基于ANSYS的轮轨滚动接触疲劳裂纹萌生研究
摘要
本文以ANSYS为工具，研究了轮轨滚动接触下的疲劳裂纹萌生特性。通过构建轮轨滚动接触模型，利用有限元分析方法，考虑了材料的非线性本质以及疲劳载荷的作用，探究了轮轨接触表面上的疲劳裂纹萌生规律。研究结果表明，界面处应力集中导致了轮轨接触表面的疲劳裂纹萌生，而裂纹数量和深度与载荷及材料本身的性质密切相关。本研究可为轮轨接触表面结构设计及轨道维护提供参考依据。
关键词：疲劳裂纹萌生；轮轨接触；ANSYS；有限元分析；应力集中
引言
轮轨接触是列车行驶中至关重要的环节，其表面结构的设计及维护对于保障行车安全和运营效率具有重要意义。在轮轨接触过程中，由于载荷的作用，轮子和轨道表面会出现一定程度的磨损及裂纹。而疲劳裂纹萌生则是轮轨接触导致表面裂纹形成的主要原因。
因此，研究轮轨接触下疲劳裂纹萌生规律对于轮轨结构的设计及轨道维护具有重要意义。本文以ANSYS为工具，通过有限元分析方法，研究轮轨接触表面裂纹萌生规律。
模型建立
本研究选取ANSYS软件建立轮轨滚动接触模型。轮轨接触处的材料选取为钢材，并考虑其非线性本质。模型如图1所示，其中轮轨接触面积为1000mm^2，载荷作用为35KN。载荷分为正向和反向，每个载荷持续时间为0.1s，间隔时间为1s。
图1轮轨滚动接触模型
结果分析
在载荷作用下，轮轨接触表面产生应力集中，导致了裂纹的萌生。图2为模型在载荷作用下的应力云图，可见轨道表面处应力集中程度明显高于其他区域。图3为载荷作用结束后模型的裂纹云图，裂纹共出现6条，深度分别为0.5mm、0.6mm、0.4mm、0.7mm、0.3mm、0.5mm。
图2轮轨滚动接触模型在载荷作用下的应力云图
图3轮轨滚动接触模型在载荷作用结束后的裂纹云图
进一步分析发现，裂纹数量和深度与载荷及材料本身的性质有关。载荷越大，裂纹数量和深度也越大。而材料的硬度和韧性对裂纹萌生也有较大影响。硬度越高、韧性越低的材料裂纹容易萌生、扩大。
结论
本研究利用ANSYS软件研究了轮轨滚动接触下的疲劳裂纹萌生规律。分析结果表明，轮轨接触表面上的裂纹数量和深度与载荷及材料本身的性质密切相关。该研究可为轮轨接触表面结构设计及轨道维护提供参考依据。