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滑差率对动车组车轮钢滚动接触疲劳性能的影响研究

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摩擦学学报 2024年

作者：李俊曾东方鲁连涛宫彦华陈希邹朗西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室马鞍山钢铁股份有限公司技术中心

车轮滚动接触疲劳是影响列车运行安全和使用寿命的重要因素，轮轨间滑差率会对滚动接触疲劳损伤产生显著影响，为了分析滑差率对动车组车轮钢滚动接触疲劳性能的影响，本研究开展了水润滑条件下的车轮钢滚动接触疲劳试验，分析了不同滑... 详细信息

车轮滚动接触疲劳是影响列车运行安全和使用寿命的重要因素，轮轨间滑差率会对滚动接触疲劳损伤产生显著影响，为了分析滑差率对动车组车轮钢滚动接触疲劳性能的影响，本研究开展了水润滑条件下的车轮钢滚动接触疲劳试验，分析了不同滑差率条件下车轮钢的摩擦磨损行为和滚动接触疲劳损伤特征；通过安定图理论分析裂纹萌生行为，通过基于最大周向力准则和流体腔技术的有限元仿真分析裂纹扩展行为；在此基础上，阐明了滑差率对车轮钢滚动接触疲劳性能的影响机理。试验结果表明，随着滑差率的增加，车轮钢试样的牵引系数增加，磨损加剧，滚动接触疲劳寿命先减小后增大。通过安定图理论分析表明，随着滑差率增加，表面滚动接触疲劳损伤指数FIsurf增加，促进了疲劳裂纹萌生。有限元仿真分析发现，随着滑差率增加，裂纹等效应力强度因子峰值Kθ，max增加，促进了疲劳裂纹扩展。磨损的增加抑制了滚动接触疲劳裂纹的萌生和扩展。因此，滚动接触疲劳与磨损的竞争导致车轮试样的接触疲劳寿命随着滑差率的增加呈先减小后增大的趋势。本研究还发现，通过最大周向力准则和流体腔技术可预测水润滑条件下的车轮钢滚动接触疲劳裂纹扩展路径。

关键词：车轮钢滑差率滚动接触疲劳磨损有限元分析

服役高速列车车体铝合金材料率相关剩余强度预测

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中南大学学报（自然科学版） 2024年第5期55卷 2000-2010页

作者：王小瑞朱涛张敬科丁浩谞肖守讷鲁连涛杨冰阳光武西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室四川成都610031

高速列车结构与材料在长期服役过程中因受复杂边界条件的影响将逐渐趋于劣化,存在潜在的安全风险。本文以高速列车常用铝合金6005A-T6为对象,首先将材料细观微结构解耦为基体相与空洞相,推导符合微结构连续度Weibull分布特征的损伤演化... 详细信息

高速列车结构与材料在长期服役过程中因受复杂边界条件的影响将逐渐趋于劣化,存在潜在的安全风险。本文以高速列车常用铝合金6005A-T6为对象,首先将材料细观微结构解耦为基体相与空洞相,推导符合微结构连续度Weibull分布特征的损伤演化方程;继而提出一种考虑应变率的试验−数值方法,识别材料颈缩后损伤的加速演化行为,进而推导得到覆盖空洞相萌生、生长、聚合全过程的损伤演化方程,并得出基体相的无损本构;最后结合细观物理机制提出损伤顺序交互作用模型,以实现仅测量材料表观弹性模量即可获取含先前服役损伤材料在后续延性变形中的损伤演化方程,准确预测含服役损伤材料的率相关剩余强度。研究结果表明:预测值与试验值的平均相对误差不超过1%。损伤随延性发展由应变率正敏感性转变为负敏感性;对于疲劳−延性机制,空洞在先前疲劳损伤发展的空洞基础上继续生长。

关键词：高速列车率相关本构模型损伤演化剩余强度

含夹杂物和疏松缺陷的车轮材料疲劳性能对比研究

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机械强度 2023年第4期45卷 820-825页

作者：王朝瀚徐田曾东方鲁连涛西南交通大学轨道交通运载系统全国重点实验室成都610031

通过超声波探伤确定缺陷在CL65车轮轮辋中的位置,取出了含有缺陷的毛坯试样,并加工成疲劳试样。在岛津电液伺服疲劳试验机上进行疲劳试验,获得含缺陷试样的疲劳寿命,并分析了缺陷的形状、尺寸与化学成分。结果表明,疏松缺陷的主要成分为... 详细信息

通过超声波探伤确定缺陷在CL65车轮轮辋中的位置,取出了含有缺陷的毛坯试样,并加工成疲劳试样。在岛津电液伺服疲劳试验机上进行疲劳试验,获得含缺陷试样的疲劳寿命,并分析了缺陷的形状、尺寸与化学成分。结果表明,疏松缺陷的主要成分为MnS,夹杂物缺陷的主要成分为硬质氧化物,含疏松缺陷试样的疲劳寿命高于含夹杂物缺陷试样。结合镶嵌应力理论建立有限元模型,分析了两种缺陷对车轮材料疲劳性能影响的差异。与夹杂物缺陷相比,疏松缺陷和基体界面上的镶嵌应力显著降低,缺陷周围应力集中程度小。因此,含MnS疏松对车轮材料疲劳性能的危害程度明显小于氧化物夹杂。

关键词：夹杂物缺陷疏松缺陷硫化锰硬质氧化物镶嵌应力

空心轴与实心轴过盈配合结构微动磨损与疲劳的仿真分析

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机械工程学报 2022年第5期58卷 161-169页

作者：董懿辉鲁连涛李小萱赵海陈翰曾东方西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都610031 中国铁路北京局集团有限公司北京动车段北京102600 安徽工业大学材料科学与工程学院马鞍山243000 马鞍山钢铁股份有限公司技术中心车轮研究所马鞍山243000

为了分析空心轴与实心轴过盈配合结构微动磨损与疲劳行为的差异,建立了两种过盈配合结构的微动磨损-微动疲劳联合仿真模型。该联合仿真模型基于Archard磨损方程和有限元软件ABAQUS的自适应网格技术实现了循环微动磨损的仿真,基于线性累... 详细信息

为了分析空心轴与实心轴过盈配合结构微动磨损与疲劳行为的差异,建立了两种过盈配合结构的微动磨损-微动疲劳联合仿真模型。该联合仿真模型基于Archard磨损方程和有限元软件ABAQUS的自适应网格技术实现了循环微动磨损的仿真,基于线性累积损伤理论和修正的SWT临界平面法实现了微动疲劳寿命预测。分析结果表明:空心轴的微动磨损比实心轴严重,微动磨损显著降低了过盈配合边缘附近的应力集中,同时在配合内部引起了新的应力集中,并导致微动裂纹萌生位置出现在配合内部。受到微动磨损的影响,空心轴的微动疲劳寿命仅约为实心轴的40%,但两种结构的微动裂纹萌生位置几乎一致。

关键词：微动磨损微动疲劳过盈配合空心轴有限元

不同加载频率下GCr15钢超高周疲劳行为的研究

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材料热处理学报 2008年第6期29卷 53-57页

作者：李伟李强鲁连涛王平北京交通大学结构强度检测国家级认证中心北京100044 西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031 山东省科学院海洋仪器仪表研究所山东青岛266001

分别采用常规和超声疲劳的试验方法,结合断裂力学理论以及FRASTA仿真,开展了GCr15钢超高周疲劳破坏行为的研究。结果表明,根据裂纹萌生位置的不同,疲劳破坏分为表面和内部破坏两种,其中内部破坏伴有granular bright facet(GBF)现象的产... 详细信息

分别采用常规和超声疲劳的试验方法,结合断裂力学理论以及FRASTA仿真,开展了GCr15钢超高周疲劳破坏行为的研究。结果表明,根据裂纹萌生位置的不同,疲劳破坏分为表面和内部破坏两种,其中内部破坏伴有granular bright facet(GBF)现象的产生,整个内部裂纹具有"Fish-eye"形貌特征。材料的疲劳S-N曲线呈现持续下降的趋势,ΔKGBF(4～4.2MPa·m1/2)是控制内部裂纹扩展的临界参数,超声疲劳试验提高了材料的疲劳强度,高强度钢的超高周疲劳行为的研究应采用常规试验为主,超声为辅的试验方法。

关键词： GCr15钢超高周疲劳 S-N曲线 GBF 裂纹

基于临界距离法的含表面缺陷车轴试样疲劳强度预测

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机械强度 2022年第4期44卷 825-830页

作者：徐友坤鲁连涛曾东方徐田李伟西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都610031

基于临界距离法进行含表面缺陷车轴试样疲劳强度预测研究。使用轴向疲劳试验测试光滑试样、环状V型缺口试样、孔洞缺口试样的疲劳极限,同时也测试了材料在应力比R=-1下的裂纹扩展门槛值。借助有限元计算,基于临界距离法预测含表面缺陷... 详细信息

基于临界距离法进行含表面缺陷车轴试样疲劳强度预测研究。使用轴向疲劳试验测试光滑试样、环状V型缺口试样、孔洞缺口试样的疲劳极限,同时也测试了材料在应力比R=-1下的裂纹扩展门槛值。借助有限元计算,基于临界距离法预测含表面缺陷车轴试样的疲劳极限,并采用试验结果验证。研究结果表明,当基于临界距离法预测含表面缺陷车轴试样的疲劳极限时,临界距离法中的点法误差较大,而线法具有更高的预测精度,能够满足工程需求。该方法在对预测表面缺陷车轴疲劳强度上具有重要指导意义。

关键词：缺陷车轴疲劳试验疲劳极限临界距离法

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超长寿命疲劳破坏行为的可靠性研究

工程力学 2009年第6期26卷 36-41页

作者：李伟李强鲁连涛周素霞北京交通大学结构强度检测国家级认证中心北京100044 西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031

为了进行超长寿命疲劳破坏行为的可靠性研究,对GCr15钢超长寿命疲劳S-N试验数据进行了统计评估,采用Bansqun模型描述了其S-N曲线关系,建立了其概率S-N曲线模型,并采用SEV方法和Murakami方程分别预测了钢中最大夹杂尺寸和其相对应的疲劳... 详细信息

为了进行超长寿命疲劳破坏行为的可靠性研究,对GCr15钢超长寿命疲劳S-N试验数据进行了统计评估,采用Bansqun模型描述了其S-N曲线关系,建立了其概率S-N曲线模型,并采用SEV方法和Murakami方程分别预测了钢中最大夹杂尺寸和其相对应的疲劳强度。结果表明:其超长寿命疲劳S-N数据能较好地服从三参数威布尔分布,其概率S-N曲线形式都呈现持续下降的趋势;在验证了最大夹杂尺寸服从Gumbel分布的基础上,SEV方法预测的最大夹杂尺寸随着钢体积的增大而线性增加,Murakami方程预测的结果揭示了其概率S-N曲线呈现持续下降的原因。

关键词：超长寿命疲劳 S-N曲线 P-S-N曲线 SEV理论 Murakami方程

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超长寿命双重S-N曲线模型的研究

中国铁道科学 2008年第3期29卷 101-105页

作者：李伟鲁连涛北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 西南交通大学牵引动力国家重点实验室四川成都610031

基于某些高强度钢、钛合金等特殊金属材料由于破坏机理(表面和内部破坏)的不同而表现出的双重S—N(应力—寿命)曲线特性,以高碳铬轴承钢为试验材料进行旋转弯曲疲劳的试验研究,用Basquin,Langer和三参数模型分别描述其S—N曲线关系,并... 详细信息

基于某些高强度钢、钛合金等特殊金属材料由于破坏机理(表面和内部破坏)的不同而表现出的双重S—N(应力—寿命)曲线特性,以高碳铬轴承钢为试验材料进行旋转弯曲疲劳的试验研究,用Basquin,Langer和三参数模型分别描述其S—N曲线关系,并且应用常规最小二乘法、广义极大似然法分别研究其概率S—N曲线模型。结果表明:在区分破坏机理的情况下,试验数据较好地服从对数正态分布;从试验数据的拟合效果和可靠性设计出发,三参数模型更能有效地描述这些特殊金属材料的双重S—N曲线关系,并且更宜采用广义极大似然法描述其概率S—N曲线模型,以避免常规最小二乘法受试验数据局部统计特征影响而给出偏于非安全的估计。

关键词：高碳铬轴承钢疲劳试验双重S—N曲线 S—N模型 P—S—N曲线

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高碳铬轴承钢的超长寿命疲劳行为的研究

机械工程学报 2005年第10期41卷 143-148,152页

作者：鲁连涛张卫华西南交通大学牵引动力国家重点实验室成都610031

使用砂漏型试样对高碳铬轴承钢的S-N曲线特性和破坏机理进行了研究。通过旋转弯曲疲劳试验获得的S-N曲线按照破坏模式的不同被划分为裂纹萌生位置不同的两组。一组叫做表面破坏模式的S-N曲线,它发生在高应力幅短寿命区,是由试样表面晶... 详细信息

使用砂漏型试样对高碳铬轴承钢的S-N曲线特性和破坏机理进行了研究。通过旋转弯曲疲劳试验获得的S-N曲线按照破坏模式的不同被划分为裂纹萌生位置不同的两组。一组叫做表面破坏模式的S-N曲线,它发生在高应力幅短寿命区,是由试样表面晶体滑移引起的。另一组叫做内部破坏模式的S-N曲线,它发生在低应力幅长寿命区,是由试样内部的非金属夹杂引起的。由于内部破坏模式的疲劳破坏发生在表面破坏模式的疲劳极限上下很宽的应力幅范围,因此,试验材料的S-N曲线的形状与通常报道的阶梯形状的S-N曲线的形状不同,它具有两条S-N曲线的特性。通过对断口上裂纹萌生位置的详细观察和裂纹萌生位置的初期尺寸参数的计算,阐述了内部破坏模式的破坏机理,提出了基于尺寸参数的超长寿命疲劳极限的推定方法。

关键词：轴承钢超长寿命疲劳 S-N曲线表面裂纹内部裂纹非金属夹杂鱼眼