有軌電車整體道床疲勞損傷力學(xué)機理及預(yù)估模型研究中文摘要

國內(nèi)外疲勞性能研究難以考慮有軌電車整體道床在實際工程環(huán)境下疲勞損傷力學(xué)機理及預(yù)估模型，本項目擬通過試驗?zāi)Ｐ?數(shù)值計算/理論分析/現(xiàn)場測試等技術(shù)手段：①精細定義輪軌動態(tài)接觸/溫度邊界條件/材料疲勞屬性/結(jié)構(gòu)層間彈性接觸，建立荷載-溫度雙相耦合情況下整體道床疲勞性能分析三維有限元統(tǒng)一模型，并通過試驗?zāi)Ｐ痛_定相關(guān)計算參數(shù)和驗證；②提出疲勞損傷的直觀表征指標(biāo)剛度衰變參量與疲勞壽命，運用因次分析法及雨流計數(shù)法全面分析行車荷載/溫度荷載/結(jié)構(gòu)設(shè)計等多維復(fù)雜因素對整體道床疲勞損傷的影響規(guī)律及其耦合效應(yīng)，通過降維篩選得荷載-溫度耦合作用下有軌電車整體道床疲勞損傷的顯著影響因素；③構(gòu)建了荷載-溫度耦合作用下有軌電車整體道床疲勞壽命與顯著影響因素的理論關(guān)系，為區(qū)分有軌電車整體道床與高速鐵路無砟軌道的疲勞損傷力學(xué)機理提供了理論依據(jù)。研究成果可用于預(yù)估有軌電車整體道床的疲勞壽命，為整體道床設(shè)計與評價提供理論基礎(chǔ)。

有軌電車整體道床力學(xué)行為及疲勞性能是設(shè)計過程中所必需的重要因素之一。因此它的準(zhǔn)確計算及表征、合理取值對整體道床設(shè)計與分析具有重要意義。由于整體道床的力學(xué)行為影響因素復(fù)雜，這就決定了整體道床力學(xué)行為是結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、材料參數(shù)及交通荷載的函數(shù)，由此給整體道床工作狀態(tài)的計算與表征增加了難度。 本項目在分析、總結(jié)國內(nèi)外已有研究成果的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了有軌電車整體道床雙層疊合梁力學(xué)行為彈性解析解，建立了有軌電車-整體道床-道路路基三維有限元模型，通過系統(tǒng)的力學(xué)行為及疲勞性能分析，明確了整體道床荷載應(yīng)力的分布規(guī)律與影響因素，并提出有軌電車整體道床提出了不同的基于容許應(yīng)力法的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。主要內(nèi)容如下： ①研究了整體道床結(jié)構(gòu)設(shè)計理論體系部分，研究建立和完善路基整體道床下部基礎(chǔ)的力學(xué)理論、模型與方法，推導(dǎo)了無水平摩阻情況下彈性基礎(chǔ)雙重疊合梁精確解析解，得鋼軌、整體道床板的撓度y、轉(zhuǎn)角θ、彎矩M、剪力Q、基礎(chǔ)反力q的顯式表達。 ②依托大型通用有限元軟件ABAQUS，建立了有軌電車-整體道床-道路路基分析有限元模型，通過對荷載模型、材料模型、結(jié)構(gòu)幾何尺寸、邊界條件和網(wǎng)格密度進行系統(tǒng)分析，明確了各參數(shù)對整體道床力學(xué)行為的影響規(guī)律，并確定了該參數(shù)在分析模型中的合理取值。 ③采用所建立的有限元分析模型，模擬板中/端有軌電車荷載作用下的整體道床力學(xué)行為影響因素，分析板中/端單個轉(zhuǎn)向架荷載作用下的整體道床結(jié)構(gòu)層厚度、層間接觸條件等因素對其力學(xué)行為及疲勞性能的影響；模擬夏季7月份道床板的溫度場變化情況，以最大正溫差耦合板中荷載、最大負(fù)溫差耦合板端荷載，得溫度與有軌電車耦合作用下整體道床疲勞性能；模擬路基出現(xiàn)不協(xié)調(diào)變形的情況下，板中單個轉(zhuǎn)向架荷載作用下的路基不協(xié)調(diào)對整體道床工況的力學(xué)行為的影響因素。 ④確定了有軌電車整體道床的功能設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容，確定了以容許應(yīng)力法作為有軌電車整體道床結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，并明確了有軌電車荷載組合。 2100433B

有關(guān)復(fù)合材料的疲勞損傷模型大致可以分為三類：第一類模型不考慮實際的性能劣化機理，使用S－N 曲線或類似的圖，提供若干疲勞破壞準(zhǔn)則；第二類是剩余剛度或剩余強度的表象模型；第三類是損傷發(fā)展模型，使用一個或多個可測的能衡量損傷情況的變量。2100433B

疲勞是零件由于循環(huán)載荷引起的局部損傷的過程，是一個由包括零件裂紋萌生、擴展和最終斷裂等組成的累積過程所導(dǎo)致產(chǎn)生的綜合結(jié)果。在循環(huán)加載期間，在最高應(yīng)力區(qū)域發(fā)生局部塑性變形，這種塑性變形引起零件的永久損傷和裂紋擴展。隨著零件所承受的加載循環(huán)次數(shù)不斷增加，裂紋長度(損傷)隨之增加。在達到一定循環(huán)次數(shù)之后，裂紋將導(dǎo)致零件失效(斷裂)。

通常，疲勞過程可以觀察到裂紋成核、微觀裂紋擴展、宏觀裂紋擴展和最終斷裂四階段。

裂紋在接近高應(yīng)力集中的局部剪切面上開裂，如穩(wěn)定滑移帶、夾雜物、疏松或晶粒不連續(xù)分布等，局部剪切面通常發(fā)生在晶粒表面或邊界之內(nèi)。在這一階段，裂紋成核是疲勞過程的第一步。一旦裂紋成核并且持續(xù)施加循環(huán)載荷，裂紋就會沿著最大切應(yīng)力面并通過晶粒邊界擴展。

在工程應(yīng)用中，將零件在裂紋成核和微觀裂紋擴展期間的壽命長度稱為裂紋萌生階段，而將零件在宏觀裂紋擴展期間的壽命長度稱為裂紋擴展階段。通常，對從萌生到擴展的過渡階段無法做出精確的定義。鋼制零件的裂紋萌生階段一般占其疲勞壽命的大部分，特別是在高周疲勞狀態(tài)下(約大于10000次循環(huán))。在低周疲勞狀態(tài)下(約小于10000次循環(huán))，疲勞壽命的大部分時間耗費在裂紋擴展。

一旦裂紋形成或者發(fā)生完全失效，就可以檢查到疲勞失效的表面。彎曲或軸向疲勞失效通常會留下蛤殼狀或海灘狀斑紋，這些斑紋的名稱源自斷裂表面的形貌特征。裂紋成核區(qū)域位于殼的中央，裂紋像是從裂紋成核所在區(qū)域擴展開來的樣子，通常呈輻射狀，留下一個半橢圓形的圖案。在某些情況下，通過檢測裂紋部位所遺留海灘斑紋的尺寸和位置，可以識別裂紋擴展開始或者結(jié)束的不同階段。海灘斑紋的線條呈條紋狀與樹干橫斷面的年輪線相似。這些條紋狀呈現(xiàn)出在一個加載循環(huán)期間裂紋擴展的范圍。與樹類似，樹每年長一圈，而疲勞損傷則在每個加載循環(huán)產(chǎn)生一個圈。在發(fā)生疲勞失效時，會出現(xiàn)一個最終的剪切裂痕，這是材料在失效之前對載荷的最后一點支撐。切變裂痕的尺寸取決于加載的類型、材料和其他條件。

注漿加固是地下工程結(jié)構(gòu)事故處理與預(yù)防的主要手段，由于巖體工程的隱蔽性以及巖體內(nèi)部裂隙、孔洞等缺陷分布的隨機性，開展注漿加固后巖體的破壞機理研究，是一個具有挑戰(zhàn)性的研究課題，關(guān)于周期荷載下的注漿加固體的力學(xué)性能及破壞機理研究尚無系統(tǒng)研究，其疲勞壽命及損傷演化模型尚未建立，本研究基于試驗研究，以注漿加固后的巖石及類巖石材料為研究對象，通過抗彎及抗壓靜態(tài)加載和疲勞加載試驗，揭示注漿加固后的破壞機理，并建立相應(yīng)的疲勞壽命方程和損傷演化模型，本項目研究完成了: (1)探討了樹脂和水泥加固含裂隙紅砂巖、大理巖、類巖石材料的壓縮破壞機理，分析了注漿材料、裂紋類型、裂紋數(shù)量巖石類型等因素對應(yīng)力重分布即開裂模式的影響規(guī)律；(2)揭示了樹脂加固含裂隙巖石三點彎破壞機理，研究三種裂隙形式、注漿深度、增韌樹脂對破壞模式的影響規(guī)律；(3)考慮應(yīng)力比對疲勞壽命的影響，建立了壓縮和三點彎疲勞雙對數(shù)高頻疲勞壽命方程，結(jié)果吻合較好，疲勞壽命存在應(yīng)力水平的門檻值，當(dāng)應(yīng)力水平小于門檻值，不會發(fā)生疲勞破壞，當(dāng)循環(huán)比n/Nf達到0.5時，裂隙面橫向應(yīng)變突然迅速增加達到了門檻值導(dǎo)致開裂，與試驗中觀測到的開裂現(xiàn)象一致。(4)應(yīng)力水平是影響疲勞力學(xué)性能的主要因素，當(dāng)應(yīng)力水平較高時，試樣的損傷破壞分為三個階段，即，初始損傷加速階段，裂紋穩(wěn)定擴展階段和裂紋不穩(wěn)定加速擴展階段。而當(dāng)應(yīng)力水平較低時，損傷破壞退化為二個階段；(5)根據(jù)Logistic 模型，提出一種倒S型曲線模擬疲勞損傷演化曲線，實測數(shù)據(jù)與擬合曲線吻合較好。本項目的資助下，共發(fā)表論文9篇，申請專利2項，出國參加國際會議1次并作分組報告，培養(yǎng)碩士研究生2名，另外還有1名在讀碩士研究生。本項目研究成果可為地下及其他巖土工程注漿加固后效果評價提供理論與試驗依據(jù)，為巖土工程事故處理及設(shè)計方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有重要的科學(xué)意義和實用價值。 2100433B