一种钢轨材料复合型疲劳断裂性能的近场动力学表征方法

本发明涉及轨道系统，具体涉及一种钢轨材料复合型疲劳断裂性能的近场动力学表征方法。

背景技术：

1、钢轨作为轨道系统的核心部件，长期承受着来自车轮的循环动态荷载作用，因此很容易产生疲劳伤损现象，例如鱼鳞裂纹、斜裂纹、剥离掉块和贯通断裂等。这些钢轨疲劳伤损不仅会增加现场养护维修的工作量，极端情况下甚至会影响车辆运行安全。钢轨疲劳伤损多由裂纹扩展行为引起，而由于受到轮轨法向和切向等复杂的荷载作用，使得裂纹大多表现为复合型扩展行为，有必要掌握复合型型加载条件下钢轨材料的疲劳断裂性能，从而为复杂运营条件下钢轨裂纹扩展研究提供基础。由于突破了经典连续介质力学理论的连续假设，近场动力学更适合用于解决断裂等不连续问题。

2、现有技术中，键拉伸率参数只能表征钢轨材料在纯拉伸型加载条件下的疲劳断裂性能，而无法准确表征钢轨材料在复合型加载条件下的疲劳断裂性能。然而，大多数情况下，导致钢轨失效的裂纹都呈现出复杂的复合型扩展行为。

技术实现思路

1、(一)发明目的

2、本发明的目的是提供一种能在复合型加载条件下的疲劳断裂性能问题的钢轨材料疲劳断裂性能的近场动力学表征方法。

3、(二)技术方案

4、为解决上述问题，本发明提供了一种钢轨复合型材料疲劳断裂性能的近场动力学表征方法，包括：

5、构建键疲劳失效条件，所述键疲劳失效条件与键能量参数相关；

6、构建待表征钢轨材料的cts试样加载过程的近场动力学模型；

7、根据所述近场动力学模型，计算所述待表征钢轨材料的键能量参数；

8、利用所计算的键能量参数，基于所述键疲劳失效条件表征钢轨材料疲劳断裂性能。

9、本发明的另一方面，优选地，所述键能量参数包括键能量第一参数和键能量第二参数；基于以下公式构建所述键疲劳失效条件：

10、

11、其中，n为加载循环次数，b2(k)(j)为键能量第一参数，n2为键能量第二参数，g(k)(j)表示键能量变化幅值，c1(k)(j)为键能量变化幅值与键拉伸率变化幅值之间的关系系数，ε(k)(j)为单次加载过程中键拉伸率变化幅值，λ表示键的疲劳剩余寿命，当λ为0时，表示该键将被断开。

12、本发明的另一方面，优选地，所述键能量变化幅值与键拉伸率变化幅值之间的关系系数包括利用以下公式计算：

13、

14、其中，c0(k)(j)为计算键能量的系数，θ(k)和θ(j)分别表示质点k和j的体积膨胀率，a、b、d分别是与材料特性和模型尺寸相关的第一参数、第二参数和第三参数，r表示载荷比，s(k)(j)表示键拉伸率，ξ表示质点变形前的相对位置矢量；v(k)和v(j)分别表示质点k和质点j的体积，δx表示模型离散尺寸。

15、本发明的另一方面，优选地，通过以下公式分别计算与材料特性和模型尺寸相关的第一参数、第二参数、第三参数、质点k和质点j的体积膨胀率；

16、

17、

18、其中，nk和nj分别为质点k和j各自近场范围内的质点数量，e和υ分别表示材料的弹性模量和泊松比，h为模型厚度，ψ表示标量函数，当两个质点之间键存在时，标量函数ψ＝1，而当两个质点之间的键断开后，标量函数ψ变为0；δ是近场范围h的半径；s(k)(j)和s(j)(k)分别表示质点k和质点j的键拉伸率，v(k)和v(j)分别表示质点k和质点j的体积。

19、本发明的另一方面，优选地，所述键能量第一参数和键能量第二参数通过以下公式计算：

20、

21、其中，b2(k)(j)为键能量第一参数，n2为键能量第二参数，a2为第一待定参数，m2为第二待定参数，c1(k)(j)为键能量变化幅值与键拉伸率变化幅值之间的关系系数。

22、本发明的另一方面，优选地，基于以下公式构建所述待表征钢轨材料的cts试样加载过程的近场动力学模型：

23、将总荷载分解到试样的六个加载孔，所述六个加载孔分成两列排在试样中心两侧，所述六个加载孔的承受的荷载通过以下公式表示：

24、

25、其中，f1、f2、f3、f4、f5和f6分别表示六个加载孔的承受的荷载，e表示加载孔横向跨距，f表示加载孔垂向跨距，β代表加载角度，p表示总荷载。

26、本发明的另一方面，优选地，利用近场动力学模型，通过paris拟合公式，进行试验，获取试验结果；

27、根据所述试验结果，利用以下公式计算获取第二待定参数；

28、

29、其中，dq/dn表示通过试验获取的裂纹扩展速率，c表示材料常数，δk表示应力强度因子幅值，m2表示第二待定参数。

30、本发明的另一方面，优选地，

31、预设第一待定参数的模拟值；

32、利用预设的第一待定参数的模拟值，计算键能量第一参数的模拟值；

33、利用所述键能量第一参数的模拟值，进行模拟实验，获取模拟实验结果；

34、利用所述模拟实验结果和试验结果，利用以下公式计算获取第一待定参数；

35、

36、其中，a2为第一待定参数；atrial表示预设的第一待定参数的模拟值；(dq/dn)trial表示通过模拟实验获取的裂纹扩展速率。

37、本发明的另一方面，优选地，还包括：

38、利用所述键疲劳失效条件，判断键是否断开；

39、若断开，则计算断开的键的质点损伤指数与荷载循环次数；

40、利用所述荷载循环次数评价裂纹扩展速率；

41、利用所述质点损伤指数评价裂纹扩展路径；

42、利用所述裂纹扩展速率和裂纹扩展路径验证基于所述键疲劳失效条件表征钢轨材料复合型疲劳断裂性能的正确性。

43、本发明的另一方面，优选地，包括利用以下公式计算断开的键的质点损伤指数与荷载循环次数：

44、

45、其中，n0为键断开的荷载循环次数，λ为键的疲劳剩余寿命；b2(k)(j)和n2为键能量第一参数和键能量第二参数，s为键的伸长率，为质点损伤指数，ψ为标量函数，当键未发生断裂时，ψ为1，当键断开时，ψ由1变为0，h为中心物质点的近场范围内所有物质点的集合。

46、(三)有益效果

47、本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

48、本发明通过引入键能量参数构建钢轨材料的键疲劳失效条件，克服了现有技术中只能表征钢轨材料在纯拉伸型加载条件下的疲劳断裂性能，引入键能量参数构建钢轨材料的键疲劳失效条件，可以实现表征钢轨材料在复合型加载条件下的疲劳断裂性能。

技术特征：

1.一种钢轨材料复合型疲劳断裂性能的近场动力学表征方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的钢轨材料复合型疲劳断裂性能的近场动力学表征方法，其特征在于，所述键能量参数包括键能量第一参数和键能量第二参数；基于以下公式构建所述键疲劳失效条件：

3.根据权利要求2所述的钢轨材料复合型疲劳断裂性能的近场动力学表征方法，其特征在于，所述键能量变化幅值与键拉伸率变化幅值之间的关系系数包括利用以下公式计算：

4.根据权利要求3所述的钢轨材料复合型疲劳断裂性能的近场动力学表征方法，其特征在于，通过以下公式分别计算与材料特性和模型尺寸相关的第一参数、第二参数、第三参数、质点k和质点j的体积膨胀率；

5.根据权利要求2所述的钢轨材料复合型疲劳断裂性能的近场动力学表征方法，其特征在于，所述键能量第一参数和键能量第二参数通过以下公式计算：

6.根据权利要求1所述的钢轨材料复合型疲劳断裂性能的近场动力学表征方法，其特征在于，基于以下公式构建所述待表征钢轨材料的cts试样加载过程的近场动力学模型：

7.根据权利要求6所述的钢轨材料复合型疲劳断裂性能的近场动力学表征方法，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的钢轨材料复合型疲劳断裂性能的近场动力学表征方法，其特征在于，

9.根据权利要求1所述的钢轨材料复合型疲劳断裂性能的近场动力学表征方法，其特征在于，还包括：

10.根据权利要求9所述的钢轨材料复合型疲劳断裂性能的近场动力学表征方法，其特征在于，包括利用以下公式计算断开的键的质点损伤指数与荷载循环次数：

技术总结
本发明涉及轨道系统技术领域，具体涉及一种钢轨材料复合型疲劳断裂性能的近场动力学表征方法，包括：构建键疲劳失效条件，所述键疲劳失效条件与键能量参数相关；构建待表征钢轨材料的CTS试样加载过程的近场动力学模型；根据所述近场动力学模型，计算所述待表征钢轨材料的键能量参数；利用所计算的键能量参数，基于所述键疲劳失效条件表征钢轨材料复合型疲劳断裂性能。本发明通过引入键能量参数构建钢轨材料的键疲劳失效条件，克服了现有技术中只能表征钢轨材料在纯拉伸型加载条件下的疲劳断裂性能，引入键能量参数构建钢轨材料的键疲劳失效条件，可以实现表征钢轨材料在复合型加载条件下的疲劳断裂性能。

技术研发人员：马晓川,尹伟彬,王亚杰,王祥和,曾琦,赵培阳,陈帆明,姚力
受保护的技术使用者：华东交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/6