(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210357648.9 (22)申请日 2022.04.07 (71)申请人 西南交通大 学 地址 610000 四川省成 都市二环路北一段 (72)发明人 阚前华　赵吉中　伏培林　康国政　 吴圣川　徐井芒　王平　 (74)专利代理 机构 北京中政联科专利代理事务 所(普通合伙) 11489 专利代理师 刘艳 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种钢轨滚动接 触疲劳预测方法 (57)摘要 本发明涉及钢轨滚动接触疲劳评估 领域， 具 体为一种钢轨滚动接触疲劳预测方法。 其包括如 下步骤： 步骤1、 选择或建立材料本构模型； 步骤 2、 建立三维实体模型； 步骤3、 获取接触斑内接触 压力的分布规律； 步骤4、 编写移动法向载荷子程 序； 步骤5、 获取切向载荷分布规律； 步骤6、 编写 移动切向载荷子程序； 步骤7、 循环加载钢轨模 型； 步骤8、 提取接触区附近 所有节点的应力张量 和应变张量； 步骤9、 通过旋转张量得到在新坐标 系下每个节 点对应的所有应力张量和应变张量； 步骤10、 获取所有节点在任意平面上的SWT参数 的值； 步骤11、 筛选出SWT参数的最大值， 获取危 险点的疲劳裂纹萌生寿命。 本发 明能对钢轨裂纹 萌生位置和寿 命进行预测。 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 CN 114969886 A 2022.08.30 CN 114969886 A 1.一种钢轨滚动接触疲劳预测方法， 其特 征在于， 包括如下步骤： 步骤1、 选择或建立可以合理反映所研究金属结构的材料循环变形行为的材料本构模 型， 并确定相关材 料参数， 并对参数进行验证； 步骤2、 根据实际车轮和钢轨尺寸， 在有限元软件ABAQUS中建立车轮和钢轨的三维实体 模型； 步骤3、 以O ‑XYZ为初始坐标系， X轴为钢轨横向， 垂直于钢轨， Y轴为钢轨纵 向， 与列车行 进方向一 致， Z轴垂直向上； 获取接触 斑内接触压力的分布规 律p(x,y)； 步骤4、 基于提取的接触压力分布规 律p(x,y)， 编写相关的移动法向载荷子程序DLOAD； 步骤5、 获取切向载荷分布规 律q(x,y)； 步骤6、 根据步骤5得到的切向载荷分布规律q(x,y)， 编写相 关的移动切向载荷子程序 UTRACLOAD； 步骤7、 采用步骤4和步骤6编写的子程序DLOAD和UTRACLOAD替代车轮， 对步骤2建立的 钢轨三维 实体模型进行循环加载； 步骤8、 提取接触区附近所有节点的应力张量 和应变张量 其中， σij和 εij分别为应力、 应 变张量的分量， i,j＝x,y,z； 步骤9、 固定坐标原点O， 对初始坐标系O ‑XYZ进行旋转， 得到新的坐标系O ‑X'Y'Z'， 其 中 X轴与X'轴夹角为θ， Y轴与Y'轴夹角为φ， 通过旋转张量 得到在新坐标系O ‑X'Y'Z'下每个 节点对应的所有应力张量 和应变张量 其中， σij*和 εij*分别为应力、 应 变张量的分量， i,j＝x,y,z， 为张量 的转置； 步骤10、 角度θ和φ所确定的平面称之为临界面， 获取所有节点在任意平面上的SWT参权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114969886 A 2数的值： 其中， σmax为临界面上的正应力， Δ ε为临界面上的正应 变范围； 步骤11、 筛选出SWT参数的最大值， 其对应的节点即为当前轮轨滚动 接触过程中的危险 点； 根据钢轨材料， 确定参数 和E， 根据下式获取危险点的疲劳裂纹萌生 寿命Nf： 其中， 为疲劳强度系数， 是疲劳延性系数； 是疲劳强度指 数； 是疲劳延展性指 数； E是弹性模量； 角度θ和φ所确定的平面称之为临界面， 在该计算条件下， 钢轨的滚动接 触疲劳裂纹最 开始将在该平面上 萌生。 2.根据权利要求1所述的一种钢轨滚动接触疲劳预测方法， 其特征在于， 步骤3 中， 开展 轮轨法向静压接触， 得到接触斑的长、 短轴长度a和b， 并得到接触斑内接触压力的分布 规律 p(x,y)， p(x,y)的表达形式为： 其中， pmax为接触斑内最大接触压力。 3.根据权利要求2所述的一种钢轨滚动接触疲劳预测方法， 其特征在于， 步骤5 中， 基于 轮轨滚动接触条形理论， 将接触斑切分为多个窄条， 每个条带内的切向载荷q(x,y)满足 Carter理论， 引入归一化切向载荷系数ζ， 以描述不同蠕滑情况下的切向载荷分布情况， 进 而得到整个接触 斑内的切向载荷分布情况； 其中， f为库伦摩擦系数； Ft为实际切向载荷； FN为法向载荷合力； 2c*、 2d*和2a*分别为黏着区、 滑移区和接触区宽度； ζ称为归一化切向载荷系数， 用于表征纵向蠕 滑率或黏着区的大小， 其变化范围为0～1； 称为黏着区宽度系数， 其变化范围也为0 ～1。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114969886 A 3