钢轨接头螺栓的疲劳失效特性分析及寿命估算研究

论文摘要

近年来随着我国经济的快速发展,在旅客发送量和物资运输中铁路承担着重要的份额,为经济快速发展、社会进步、提高人们的生活质量做出了重要贡献；但是铁路运输交通事故仍然频繁发生,其中钢轨接头螺栓疲劳失效是引起事故发生的重要因素之一,因此研究钢轨接头螺栓的疲劳失效具有重要意义。本文针对钢轨接头螺栓工作的特殊性,分析出螺栓在工作状态下各部分所受应力与应变特性,研究其发生疲劳失效的影响因素,并进一步对螺栓结构进行改善,提高其疲劳强度；通过有限元分析得到钢轨接头螺栓的疲劳寿命,为螺栓的维护或更换提供参考依据。本文对钢轨接头螺栓的疲劳失效及寿命分析,主要研究内容如下：(1)通过对国内外相关文献的查阅,对螺栓疲劳问题的研究方法和研究现状进行总结,并对疲劳累积损伤理论、寿命估算方法和有限元相关的知识做进一步的学习,为以后的工作做好基础。(2)应用有限元分析软件ANSYS对螺栓螺纹建立接触对进行接触分析,得到钢轨接头螺栓的等效应力与应变情况,并与实际螺栓失效特征进行比较；通过改变螺纹根部半径,研究其对螺纹根部的应力集中的影响,从而提高螺栓的疲劳强度。(3)通过改变螺栓的预紧扭矩得到螺栓各部分应力与变形,分析预紧扭矩对螺栓疲劳的影响,并计算出螺栓的最佳预紧扭矩。(4)应用Pro/E建立钢轨接头三维实体模型,通过有限元分析软件ANSYS Workbench分析由于温度力的作用而导致的钢轨变形,从而得到钢轨变形对螺栓的影响。(5)由于钢轨接头处轨缝的存在,机车运行时对钢轨接头处产生很大的冲击力,应用Pro/E建立车轮与钢轨接头三维实体模型,利用有限元分析软件ANSYS Workbench进行有限元分析,研究钢轨变形及其对螺栓的影响。(6)建立钢轨接头螺栓有限元模型,应用ANSYS Workbench Fatigue疲劳分析模块对钢轨接头螺栓进行疲劳寿命分析,为钢轨接头螺栓的维护或更换提供一定的参考依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的意义
• 1.2 研究疲劳问题的基本概念及发展现状
• 1.2.1 疲劳的概念及分类
• 1.2.2 疲劳研究的特点
• 1.2.3 疲劳问题研究回顾
• 1.3 钢轨接头螺栓疲劳强度的影响因素
• 1.3.1 螺栓材料的影响
• 1.3.2 螺纹形式的影响
• 1.3.3 螺栓直径的影响
• 1.3.4 螺栓的加工工艺的影响
• 1.3.5 螺栓毛坯热处理的影响
• 1.4 螺栓的失效形式与机理
• 1.4.1 螺栓连接的失效机理
• 1.4.2 螺栓的失效形式
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第2章 钢轨接头螺栓的疲劳基本理论研究
• 2.1 疲劳累积损伤理论
• 2.1.1 线性疲劳累积损伤理论
• 2.1.2 双线性疲劳累积损伤理论
• 2.1.3 非线性疲劳累积损伤理论
• 2.2 疲劳寿命估算方法研究
• 2.2.1 疲劳寿命的概念
• 2.2.2 疲劳寿命评估方法
• 2.3 钢轨接头螺栓疲劳累积损伤分析
• 2.3.1 钢轨接头螺栓疲劳累积的受力分析
• 2.3.2 弹性接触问题的基本方程
• 2.3.3 螺栓应力—应变疲劳可靠性寿命的确定
• 2.4 本章小结
• 第3章 钢轨接头螺栓接触模型建立及有限元分析
• 3.1 有限元法概述
• 3.1.1 非线性有限元方法
• 3.1.2 接触有限元方法
• 3.1.3 接触有限元方法的求解与收敛
• 3.2 ANSYS接触分析
• 3.2.1 ANSYS软件介绍
• 3.2.2 面—面接触分析应考虑的几个重要方面
• 3.2.3 ANSYS求解的基本步骤
• 3.3 钢轨接头螺栓螺纹有限元模型的具体实现
• 3.3.1 选择单元类型
• 3.3.2 定义材料属性
• 3.3.3 建立几何模型
• 3.3.4 网格划分
• 3.3.5 建立螺纹接触对
• 3.3.6 定义边界条件及载荷
• 3.4 螺纹根部应力集中对钢轨螺栓疲劳失效特性的影响
• 3.4.1 螺纹根部应力集中的产生
• 3.4.2 钢轨接头螺栓有限元计算结果
• 3.4.3 分析结论
• 3.5 本章小结
• 第4章 预紧扭矩对钢轨接头螺栓疲劳特性影响
• 4.1 螺栓预紧的方法
• 4.1.1 伸长量控制法
• 4.1.2 旋转角度控制法
• 4.1.3 扭矩控制法
• 4.2 预紧扭矩与预紧力的换算
• 4.3 螺栓扭矩对螺栓疲劳特性的影响
• 4.4 钢轨螺栓最佳预紧扭矩的确定
• 4.5 本章小结
• 第5章 钢轨接头模型的建立及有限元分析
• 5.1 钢轨接头模型的建立
• 5.1.1 三维建模软件Pro/ENGINEER概述
• 5.1.2 钢轨接头三维实体建模
• 5.2 钢轨接头实体模型与ANSYS Workbench的无缝连接
• 5.2.1 ANSYS Workbench有限元软件介绍
• 5.2.2 Pro/E与ANSYS Workbench的连接
• 5.3 Pro/E与ANSYS Workbench的协同设计
• 5.3.1 AWE与Pro/E的设计与分析协同
• 5.3.2 钢轨接头及钢轨与车轮连接有限元模型
• 5.4 钢轨接头有限元分析
• 5.4.1 由于温度变化钢轨对螺栓失效的影响
• 5.4.2 车轮作用力对钢轨螺栓的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 钢轨接头螺栓疲劳寿命估算
• 6.1 ANSYS Workbench Fatigue疲劳分析模块
• 6.2 材料S-N曲线获得
• 6.2.1 S-N曲线的基本概念
• 6.2.2 S-N曲线的数学表达式
• 6.2.3 S-N曲线的近似估计
• 6.3 钢轨接头螺栓的疲劳寿命计算结果与分析
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢