【机情无限 精彩毕设】机械2026届毕业设计（论文）中期检查优秀案例分享第二十期——时速300km动车组拖车轮轨疲劳裂纹交互扩展特性研究
学生姓名：屈稚涵
班 级：车辆2022-04班
指导教师：方修洋
毕设题目：时速300km动车组拖车轮轨疲劳裂纹交互扩展特性研究
一、概况
1.选题意义
随着我国铁路运输系统朝着高速重载的方向迅速发展，铁路轮轨间承受着不同工况下愈加严酷的滚动、蠕滑以及冲击载荷的作用，轮轨踏面会因为反复的轮轨交互作用产生疲劳裂纹，这些裂纹会进一步向车轮和钢轨的次表面发展，严重时可导致车轮踏面剥离和钢轨断裂，危及行车安全，这给铁路安全运输带来了挑战。轮轨接触疲劳伤损的大量出现，大大增加了车轮和钢轨维修防护的资金投入，缩短了轮轨使用寿命。随着生产技术的提升，轮轨材料纯净度提高，因而由材料不纯导致的滚动接触疲劳缺陷减少。但高速客运、重载线路上，轮轨表面及次表面的疲劳缺陷仍大量出现。轮轨踏面匹配是影响疲劳裂纹扩展的重要因素，车轮镟修和对钢轨进行周期性打磨是疲劳损伤治理和预防的重要措施。虽然我国近些年也开始重视轮轨关系，加强了对轮轨的疲劳损伤维护，但是高速动车组车轮及钢轨接触踏面在不同服役里程下，两个踏面次表面均可能萌生疲劳裂纹，当这种情况发生时，二者萌生的疲劳裂纹在不同外载荷作用下的交互扩展特性显著影响轮轨维修周期的制定。因此开展轮轨疲劳裂纹交互扩展特性研究，对延长轮轨使用寿命、加快轮轨保护技术的制定与实施具有重要意义。
2.任务分解
（1）文献调研与构建理论基础：查阅国内外关于轮轨滚动接触疲劳、裂纹扩展机理及有限元仿真方法的文献资料，明确研究现状、确定研究范围，完成相关外文文献翻译。
（2）轮轨型面匹配设计与几何建模：调研并确定适用于时速300km动车组拖车的典型轮轨型面，完成其匹配设计并绘制工程图纸。
（3）轮轨接触有限元模型建立与应力分析：基于任务2的几何模型，利用有限元软件（ABAQUS）建立包含材料属性、接触对与边界条件的轮轨静学分析模型。分析典型工况下的轮轨接触应力、位移场分布，确定用于裂纹扩展分析的关键载荷工况。
（4）疲劳裂纹交互扩展特性仿真分析：在已建立的有限元模型中，在车轮踏面次表面危险部位预设代表性疲劳裂纹，通过改变钢轨轨面下的裂纹角度、深度等，探究两个踏面次表面裂纹的扩展特性，重点研究裂纹尖端应力强度因子的变化、扩展路径以及扩展速率。
（5）结果归纳与论文撰写：整理分析所有仿真计算数据，总结轮轨疲劳裂纹交互扩展的基本规律与主要影响因素，形成研究结论。在此基础上，按照规范完成毕业论文的撰写。
二、已完成工作
1.完成8000字符以上的外文文献翻译，文献内容与毕业论文研究内容相关。
图2.1 外文文献翻译截图
2.完成时速300km动车组拖车的典型轮轨匹配调研，选择CRH2C的拖车车轮和60N钢轨进行Solidworks建模和后续仿真计算。CRH2C拖车车轮为LMA踏面和直辐板，名义滚动圆直径860mm；60N钢轨轨底坡设置为1：40。
图2.2 （a）车轮剖面 （b）轮轨装配
3.利用hypermesh对轮轨接触模型划分网格，为保证模型计算准确又要节省计算时间，网格划分采用关键部位细化，其他区域粗化的原则。如图，轮轨接触的关键部位采用3mm的网格，接着用5mm、10mm的网格向其他区域过渡。
图2.3 （a）轮轨滚动接触区域细化 （b）钢轨模型网格
4.用ABAQUS软件对轮轨接触模型进行有限元分析，计算车轮和钢轨在直线工况下的Mises应力分布、接触斑。Mises应力最大值为583.9MPa，接触应力最大值为1079MPa。
图2.4 （a）Mises应力云图 （b）接触斑
5. 在Franc3d中进行裂纹扩展计算。在ABAQUS的Mises应力云图中可以发现车轮踏面深度6mm处和钢轨轨面深度3mm处的Mises应力最大，在钢轨轨面下应力最大处插入半径1mm、平行于XOZ平面的圆形初始裂纹，然后计算裂纹前沿应力强度因子和裂纹扩展寿命。
图2.5 Mises应力随轨面深度和踏面深度变化曲线图
6. 为了探究轮轨裂纹交互扩展特性，在车轮踏面最大Mises应力处也插入初始半径为1mm、平行于XOZ平面的圆形裂纹，进行多裂纹扩展计算，计算得到的二型应力强度因子略低于第一种情况下的二型应力强度因子。随后改变车轮踏面中的裂纹与XOZ平面的夹角，分别计算夹角为30°、45°、60°、75°时裂纹前沿的应力强度因子和裂纹扩展寿命。
图6 不同角度起始裂纹的二型SIF和扩展速率对比图
三、下一步工作计划
1.探究起始裂纹深度对轮轨裂纹交互扩展的影响规律。设置单一车轮裂纹为对照组，将车轮裂纹布置于轮轨接触区域Mises应力最大位置，在此基础上，设计不同钢轨轨面起始裂纹深度为3mm、5mm、7mm、10mm的四组实验组，通过Abaqus与Franc3D联合仿真，计算不同深度下车轮裂纹前沿的应力强度因子（SIF）、裂纹扩展速率，分析钢轨裂纹深度对车轮裂纹扩展行为的扰动机制。
2.探究起始裂纹倾角对轮轨裂纹交互扩展的影响规律。设置单一车轮裂纹为对照组，将车轮裂纹水平布置于轮轨接触区域Mises应力最大位置，改变不同钢轨轨面下起始裂纹与水平面的夹角，设计钢轨轨面裂纹倾角0°、30°、60°、90°四组实验组。计算车轮裂纹前沿的应力强度因子（SIF）、裂纹扩展速率，分析钢轨裂纹与水平面夹角对车轮裂纹扩展行为的扰动机制。
3.毕业论文的撰写与完善工作。按照本科毕业设计规范，完成数据结果分析、论文撰写工作，重点完成轮轨裂纹交互扩展的影响因素、规律总结，同时根据中期检查反馈优化论文的计算内容，确保论文逻辑严谨、数据详实、结论可靠，按时完成毕业设计任务。
问题一：你的研究内容是轮轨疲劳裂纹交互扩展，那么你的图纸准备画什么内容？
回答：我的第二个子任务是完成典型时速300km动车组拖车的轮轨型面匹配调研，我选择的是CRH2C。为了达到一张A0图纸的工作量，我计划装配图中包含的部件有车轴、车轮、制动盘、轴箱。
问题二：在不同裂纹的扩展速率对比图中，为什么30°裂纹的扩展速率显著最慢？你有没有去验证这组数据的对错？
回答：根据计算结果可以发现，车轮裂纹初始倾角显著影响钢轨中裂纹扩展行为。倾角适中（45°-60°）时，裂纹受切应力驱动更强，扩展速率更快、寿命更短；倾角过小（30°）或过大（75°）时，裂纹面受力不均，扩展速率降低、寿命相对更长。我在整理数据时发现30°这组数据与其他组扩展速率差异较大，重新进行计算过后仍是这个结果，说明参数设置没有问题、结果正确。下一步我打算在30°-45°之间再选取两个值进行计算，进一步寻找规律。
回顾这段时间的毕业设计，我主要在轮轨接触疲劳裂纹的仿真分析上取得了阶段性进展。最核心的收获是掌握了 Abaqus 与 Franc3D 联合仿真的操作，从轮轨接触模型的建立，到不同初始角度裂纹的扩展计算，再到 SIF（应力强度因子）、扩展速率等关键数据的提取与后处理，我更清晰地理解了轮轨双裂纹交互作用下的扩展规律。在处理数据时，我学会了使用图表工具表达数据、总结规律。在中期答辩时，老师们的针对性提问让我及时发现研究中的漏洞，比如图纸设计内容不清晰、部分裂纹数据规律分析不深入等问题。在逐一解答与反思中，我进一步理清研究逻辑，明确了后续需要补充算例、细化裂纹扩展速率的规律分析。这段经历让我学会严谨对待科研细节，提升了问题分析与学术表达能力，也更清楚如何完善研究内容、规范论文撰写，为顺利完成毕业设计奠定了扎实基础。