应用探析|数字图像相关技术DIC技术在钢轨钢疲劳裂纹扩展实验研究中的应用

1研究背景

轨道交通日新月异发展中，作为轨道的主要组成部分，U71MnG钢轨用于引导车轮，承受列车载荷，为车轮提供连续、光滑、低阻的滚动表面。受服役环境影响，钢轨断裂失效行为复杂且评估缺乏客观数据支撑。

U71MnG钢轨由于外部载荷后的应力集中，裂纹尖端存在一定范围的塑性变形区。如何准确表征裂纹尖端塑性区的形状、位置和大小，为断裂力学求解提供准确的应力场，进而准确评估钢轨材料的寿命具有重要研究意义。

西南交通大学杨教授团队采用数字图像相关法DIC技术对钢轨疲劳裂纹扩展进行了分析，分析结果可为预测钢轨钢的寿命提供科学数据参考。

2实验仪器、实验工况

1）测试件U71MnG钢轨钢，厚度1mm，符合ASTM-E647标准设计。

2）拉伸扭转动态试验机，最大加载Pmax=1.1kN，加载频率20Hz。

3) 千眼狼Revealer DIC数字图像相关采集设备，分辨率4096×3000。

4）千眼狼Revealer DIC数字图像相关采集软件。

3 数字图像相关可视化实验部分

首先采用有限元法，建立了三维轮轨滚动接触模型，获得钢轨钢的局部应力和应变状态，构建局部使用等效载荷环境，以确定实验取样的科学与合理性。

三维轮轨滚动接触有限元模型如图1， XYZ轴分别为轨道横、纵向，Z轴为轨道垂直坐标系。轮轨滚动接触的有限元计算分为初始接触阶段和滚动接触两个阶段。将轮轨接触中心位置设定为原点，得到轮轨在静态接触和滚动接触下的应力分布结果，横截面的分布是对称的，如图2所示，纵截面应力分布中，静态接触是对称，滚动接触下是不对称的，如图3所示。

图1 三维轮轨滚动接触有限元模型

图2 钢轨横向截面应力分布

图3 钢轨纵向截面应力分布

轮轨处于静态接触时，轮轨接触中心附近的状态主要是粘性接触。远离接触中心的区域会由于轨道变形产生相对位移。这些区域接触面积小，导致摩擦力的大小和作用面积较小，对应力分布的影响较小，故轨道应力分布是对称的。滚动接触中，轮轨主要在纵向产生相对运动，而横向的相对运动与静态接触相比变化不大，故轧制状态下，截面上的应力分布仍然是对称的，但纵向摩擦作用面积较大，导致图3中的应力分布在钢轨表面向接触区域后端偏移的现象，摩擦作用对应力的影响区域主要在轨道表面。

静态接触的摩擦力会导致相对滑动区域内的轨道表面应力增大，如图4a所示，滚动接触的摩擦力会导致接触区域内的应力比静态接触更大，摩擦影响更为显著，如图4b所示。

轨道在两种接触状态下的最大应力值都出现在次表层，车轮的滚动会影响轨道表面层的应力水平和表面层的纵向应力分布。因此，测试采样应包括从轨道表面层到次表层的区域，加载方式应沿轨道的纵向进行。

图4 铁轨表面应力分布

下一步结合上述研究成果准备不同取向下的试样，并进行加载试验，使用超分辨率相机进行间隔采集并记录裂纹长度，使用千眼狼DIC数字图像相关采集设备，获取裂纹尖端位移场数据。同时基于CJP模型求解裂纹尖端的SIF值，并采用微观结构方法对钢轨中的裂纹扩展进行了分析。

4实验结论

本研究结合有限元模拟、数字图像相关法DIC测量法、微观结构分析法等，基于CJP模型表征了U71MnG钢轨在不同应力比和不同试样取向下的裂纹扩展情况。

研究可为复杂服役环境下钢轨寿命预测提供客观数据依据，保障轨道交通线路高速、重载、安全运行。

附 光学影像测量实验室

千眼狼光学影像测量实验室是中科视界参照计量研究院、国内重点高校实验室重点建设的研发基地之一，占地面积约200㎡，目前拥有专职光学测量团队20余人，其中博士7人，提供基于高速摄影技术、数字图像相关技术的全面、可视化、系统级解决方案，提供20kN座式、5kN台式万能试验机、视频引伸计、高速摄像机、高分辨率摄像机、高精度位移检测光学平台、激光干涉仪等仪器设备，可视化研究金属、复合、弹塑性等各型材料在动、静、热载下的应力应变行为、弹性模量、拉伸量、泊松比、裂纹延展特性等。

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