ABAQUS中铁轨滚动接触疲劳裂纹的数值分析方法技术

本发明专利技术公开了一种ABAQUS中铁轨滚动接触疲劳裂纹的数值分析方法，步骤包括：1)建立轨道有限元微观模型；2)导入模型生成ABAQUS的轨道计算模型；3)采集并初始化参数，设置轨道计算模型边界条件；4)设置ABAQUS中分析步和增量步；5)计算材料损伤性能；6)轨道计算模型的加载；7)分析内聚力单元应力幅及应变；8)分析内聚力单元损伤；9)判断内聚力单元是否失效；10)修订ABAQUS计算模型。本发明专利技术的方法，利用ABAQUS的UMAT子程序实现了内聚力单元疲劳损伤失效数值分析，在ABAQUS中实现了对轨道在滚动接触下的疲劳裂纹萌生、扩展的模拟分析，预测轨道的可靠性。

Numerical analysis method of rolling contact fatigue crack of rail in ABAQUS

【技术实现步骤摘要】
ABAQUS中铁轨滚动接触疲劳裂纹的数值分析方法
本专利技术属于结构疲劳裂纹监控
，涉及一种ABAQUS中铁轨滚动接触疲劳裂纹的数值分析方法。
技术介绍
滚动接触引起的轨道表面裂纹是高速铁路安全的主要问题，列车车轮不断与轨道发生滚动接触，在轮轨滚动接触疲劳作用下，接触区内轨道材料表面或次表面产生裂纹，并逐渐向深度方向扩展，最终导致轨道材料失效而断裂，引发列车脱轨事故。轨道表面疲劳裂纹直接影响了铁路安全运行的可靠性，然而，轨道裂纹的检测与维修成本非常高，因此，预测轨道裂纹萌生的位置以及裂纹扩展到危险长度载荷的循环次数，从而制定正确的维修策略以降低铁路的维护费用，成为铁路企业和学术界研究的热点。大量研究表明，金属材料的裂纹萌生与扩展多发生在晶界，在微观尺度下晶粒拓扑结构对多晶材料疲劳的影响很大。不同于多数工程结构裂纹在拉伸载荷的作用下发生扩展，轨道滚动接触裂纹是在轮轨接触所产生的压力作用下进一步向轨道内部扩展的，基于断裂力学的Paris公式裂纹模拟，以及扩展有限元的裂纹模拟，都不能对轨道金属材料晶粒间的裂纹萌生与扩展进行分析。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种ABAQUS中铁轨滚动接触疲劳裂纹的数值分析方法，解决了现有技术对轨道裂纹的检测方式不够精准，导致维修成本明显提高的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种ABAQUS中铁轨滚动接触疲劳裂纹的数值分析方法，按照以下步骤实施：步骤1：建立轨道有限元微观模型，设车轮与轨道接触的裂纹分析区为6b*4b，b为轨道与车轮滚动接触的接触半宽，其中的2b*b区定为中央区，本步骤使用Neper软件在轨道裂纹分析区建立Voronoi及内聚力单元镶嵌的轨道有限元微观模型；步骤2：导入步骤1建立的轨道有限元微观模型，生成ABAQUS的轨道计算模型，利用ABAQUS的“Import”功能，将镶嵌Voronoi以及内聚力单元的轨道有限元微观模型文件mode.inp导入ABAQUS中；步骤3：采集并初始化参数，设置轨道计算模型边界条件，根据轨道的材料初始化相关参数：晶粒的弹性模量E，泊松比γ，晶界内聚力单元初始所能承受的最大应力值T0，内聚力单元的初始刚度K0，断裂能GIC；并对疲劳退化损伤变量以及累积损伤变量初始赋值为0，即Ds＝0，Df＝0；并且，根据轨道与车轮接触的工况，在ABAQUS中限制轨道底部的全部自由度；步骤4：设置ABAQUS中的分析步和增量步；步骤5：计算材料损伤性能，利用疲劳退化损伤变量Df以及累积损伤变量Ds，修改材料内聚力单元刚度以及最大承载应力，计算得到内聚力单元退化后所能承受的应力Tf，计算得到损伤后的内聚力单元刚度K1；步骤6：对轨道计算模型进行加载；步骤7：分析内聚力单元的应力幅Δτ以及应变δ，利用ABAQUS的静力学分析功能，得到轨道模型在滚动接触载荷作用下的单元最大应力幅Δτ和应变δ；步骤8：分析内聚力单元的损伤，在ABAQUS的job界面，添加P1.for子程序，将内聚力单元疲劳损伤失效的UMAT子程序P1.for关联到轨道分析模型，调用UMAT子程序P1.for计算轨道模型的内聚力单元损伤变量Df以及Ds；步骤9：判断内聚力单元是否失效，若Ds≠1，返回步骤5计算材料损伤性能，循环加载计算；若Ds＝1，单元失效，进入步骤10；步骤10：修订ABAQUS计算模型，如果Ds＝1说明内聚力单元已失效，将该晶界的内聚力单元从模型中删除，并在模型中标记开始萌生裂纹；然后，返回步骤5计算材料损伤性能，循环加载计算；在ABAQUS提交上述分析模型，ABAQUS将按设置的分析步以及增量步，循环轨道滚动接触疲劳裂纹萌生与扩展的数值分析算法中的步骤5到步骤10，从而实现对轨道裂纹的萌生与扩展分析，及时输出分析结果。本专利技术的有益效果是：1)利用ABAQUS的UMAT子程序实现了内聚力单元疲劳损伤失效数值分析；2)运用Neper软件建立了嵌入Voronoi单元及内聚力单元的轨道微观模型，该模型中利用有限元模型更精细地描述材料力学特性，同时，Voronoi单元表征材料中随机分布的晶粒；晶粒间嵌入的内聚力单元则模拟晶界属性，从而实现裂纹在晶粒间的萌生、扩展分析；3)本专利技术方法有效模拟轨道在滚动接触下的疲劳裂纹的萌生、扩展，从而预测轨道的寿命，可靠性，为制定轨道维修的策略提供依据，降低铁路的维护费用。附图说明图1是本专利技术方法采用的内聚力单元疲劳损伤失效的应力-应变关系；图2是本专利技术方法采用的内聚力单元疲劳损伤失效分析的UMAT子程序流程；图3是本专利技术方法采用的ABAQUS中轨道滚动接触疲劳裂纹萌生与扩展的数值分析算法流程；图4是本专利技术方法采用的轨道与车轮接触模型；图5是本专利技术方法采用的Voronoi及内聚力单元镶嵌的轨道有限元微观模型；图6是本专利技术方法实施例的轨道接触载荷；图7是本专利技术方法实施例的轨道裂纹的数值模拟结果。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。参照图1，是本专利技术方法采用的内聚力单元疲劳损伤失效的应力-应变关系，在图1中，设定T0为内聚力单元初始最大承受应力，K0为单元刚度，GIC为裂纹扩展单位长度单元所吸收的能量(即断裂能，为应力-应变曲线所包含的面积)；当内聚力单元所受应力小于T0时，单元处于线弹性阶段；当应力达到T0时，内聚力单元开始出现损伤(起始损伤)，此后内聚力单元承载能力开始下降，内聚力单元位移量逐渐增大；当内聚力单元位移值达到δf，δf取决于变量断裂能GIC，当内聚力单元承受载荷能力下降到0时，内聚力单元完全失效。内聚力单元在交变载荷下的损伤失效过程分为疲劳退化与损伤演化两个阶段。疲劳退化阶段描述为内聚力单元应力小于内聚力单元所能承受最大应力值，此时内聚力单元未开始损伤，但在交变载荷作用下，内聚力单元性能会逐渐衰减。本专利技术方法采用内聚力单元的强度衰减来描述内聚力单元的疲劳退化过程，定义疲劳退化损伤变量Df，见图1，随着持续加载，内聚力单元所能承受的最大应力能力逐渐减小，用疲劳退化损伤变量Df描述单元性能衰减的表达式如下：Tf＝T0(1-Df)(1)式(1)中，Tf为退化后的内聚力单元所能承受应力，单位为MPa；T0为内聚力单元初始最大承受应力，单位为MPa；Df为疲劳退化损伤变量，随着加载次数增加，Df的演化规律为：式(2)中，Δτ为应力幅，单位为MPa；τr与m为材料常数；N为加载次数，则有：式(3)中，为第i+1次加载后的损伤率；为第i次加载后的损伤率；为第i次加载的损伤增量；当内聚力单元应力大于Tf，内聚力单元在载荷作用下进入损伤演化阶段，见图1，定义累积损伤变量Ds,描述损伤演化阶段内聚力单元的刚度逐渐减小，表达式如下：K1＝K0(1-Ds)(4)式(4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种ABAQUS中铁轨滚动接触疲劳裂纹的数值分析方法，其特征在于，按照以下步骤实施：/n步骤1：建立轨道有限元微观模型，/n设车轮与轨道接触的裂纹分析区为6b*4b，b为轨道与车轮滚动接触的接触半宽，将其中的2b*b区定为中央区，使用Neper软件在轨道裂纹分析区建立Voronoi及内聚力单元镶嵌的轨道有限元微观模型；/n步骤2：导入步骤1建立的轨道有限元微观模型，生成ABAQUS的轨道计算模型，/n利用ABAQUS的“Import”功能，将镶嵌Voronoi以及内聚力单元的轨道有限元微观模型文件mode.inp导入ABAQUS中；/n步骤3：采集并初始化参数，设置轨道计算模型边界条件，/n根据轨道的材料初始化相关参数：晶粒的弹性模量E，泊松比γ，晶界内聚力单元初始所能承受的最大应力值T

【技术特征摘要】
1.一种ABAQUS中铁轨滚动接触疲劳裂纹的数值分析方法，其特征在于，按照以下步骤实施：
步骤1：建立轨道有限元微观模型，
设车轮与轨道接触的裂纹分析区为6b*4b，b为轨道与车轮滚动接触的接触半宽，将其中的2b*b区定为中央区，使用Neper软件在轨道裂纹分析区建立Voronoi及内聚力单元镶嵌的轨道有限元微观模型；
步骤2：导入步骤1建立的轨道有限元微观模型，生成ABAQUS的轨道计算模型，
利用ABAQUS的“Import”功能，将镶嵌Voronoi以及内聚力单元的轨道有限元微观模型文件mode.inp导入ABAQUS中；
步骤3：采集并初始化参数，设置轨道计算模型边界条件，
根据轨道的材料初始化相关参数：晶粒的弹性模量E，泊松比γ，晶界内聚力单元初始所能承受的最大应力值T0，内聚力单元的初始刚度K0，断裂能GIC；并对疲劳退化损伤变量以及累积损伤变量初始赋值为0，即Ds＝0，Df＝0；
并且，根据轨道与车轮接触的工况，在ABAQUS中限制轨道底部的全部自由度；
步骤4：设置ABAQUS中的分析步和增量步；
步骤5：计算材料损伤性能，
利用疲劳退化损伤变量Df以及累积损伤变量Ds，修改材料内聚力单元刚度以及最大承载应力，计算得到内聚力单元退化后所能承受的应力Tf，计算得到损伤后的内聚力单元刚度K1；
步骤6：对轨道计算模型进行加载；
步骤7：分析内聚力单元的应力幅Δτ以及应变δ，
利用ABAQUS的静力学分析功能，得到轨道模型在滚动接触载荷作用下的单元最大应力幅Δτ和应变δ；
步骤8：分析内聚力单元的损伤，
在ABAQUS的job界面，添加P1.for子程序，将内聚力单元疲劳损伤失效的UMAT子程序P1.for关联到轨道分析模型，调用UMAT子程序P1.for计算轨道模型的内聚力单元损伤变量Df以及Ds；
步骤9：判断内聚力单元是否失效，
若Ds≠1，返回步骤5计算材料损伤性能，循环加载计算；
若Ds＝1，单元失效，进入步骤10；
步骤10：修订ABAQUS计算模型，
如果Ds＝1说明内聚力单元已失效，将该晶界的内聚力单元从模型中删除，并在模型中标记开始萌生裂纹；然后，返回步骤5计算材料损伤性能，循环加载计算；
在ABAQUS提交上述分析模型，ABAQUS将按设置的分析步以及增量步，循环轨道滚动接触疲劳裂纹萌生与扩展的数值分析算法中的步骤5到步骤10，从而实现对轨道裂纹的萌生与扩展分析，及时输出分析结果。


2.根据权利要求1所述的ABAQUS中铁轨滚动接触疲劳裂纹的数值分析方法，其特征在于：所述的步骤1中，使用基于Linux系统的开源软件Neper建模，具体过程是，
1.1)生成Voronoi晶粒位置文件，
利用Matlab的随机数产生函数rand()，在轨道的裂纹分析区6b*4b随机生成700个晶粒种子位置，将所有晶粒种子位置存贮在晶粒位置文件c1.txt中；
1.2)构建轨道Voronoi模型，
利用Neper的-T命令，由晶粒位置文件c1.txt，构建含有700个晶粒位置的轨道Voronoi模型文件mode_V.tes...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨静，胡志伟，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61