UM RCF

　　UM Rolling Contact Fatigue模块实现了铁路车辆车轮滚动接触疲劳累积损伤的模拟，利用多变量计算功能，根据接触疲劳准则，可进行轮轨型面优化。 

 模块功能

• 根据UM Loco车辆动力学计算的结果来定义不同车轮踏面的接触疲劳损伤累积速度；

• 接触疲劳损伤累积速度考虑到车轮踏面的磨耗效应；

• 用户界面以等值线和彩色云图来表示车轮应力状态和损伤累积。

 疲劳强度准则

 
　　等效应力的计算基于Dang Van准则[1]， 计算接触疲劳强度时考虑最大剪切应力幅和流体静应力。

　　计算得到的等效应力与通过试验数据获得的损伤应力对比如左图。疲劳S-N曲线决定了不同等效应力载荷作用下车轮发生断裂/失效时对应的循环次数[2, 3]。

　　车轮上每个点的累积损伤根据疲劳S-N曲线计算综合得到。

 车轮模型

　　车轮踏面采用局部有限元模型，各表面施加弹性约束[4]。

　　该模型支持定义接触面内层单元的应力，既保证了足够高的精度，又能快速计算，便于累积计算节点的接触疲劳损伤。

 接触问题的求解

　　车轮每旋转一周，每一个车轮径向截面与钢轨发生一次接触。因此接触问题的计算量取决于车轮旋转周数。

　　UM Loco车辆动力学每一步计算的结果用于定义接触力：法向力，接触点坐标，轮轨冲角，纵向蠕滑力，横向蠕滑力和自旋蠕滑力。

　　采用非椭圆接触模型，快速计算接触斑内法向力和切向力的分布。

　　法向接触力的求解算法不涉及数值积分，可显著减少CPU计算时间。该算法可很好的处理多点接触和共形接触问题。切向接触力通过FASTSIM算法计算得到。

　　将计算得到的力作用于接触表面对应的节点上，求解等效应力和损伤应力[5]。

 模型假设

 
• 假设发生接触的物体（车轮和钢轨）具有相同的材料性能，均匀、各向同性、弹性。
• 不考虑接触过程中温度升高对材料性能和等效应力的影响。
 

 仿真案例

　　左图为采用不同踏面的车轮滚动接触疲劳损伤累积速度的对比计算案例，计算过程动态显示等值线和彩色云图。

 参考文献

1. Ekberg A. Rolling contact fatigue of railway wheels – computer modeling and in-field data / Proceedings of 2nd mini conf. Contact mechanics and wear of rail/wheel systems. Hungary, Budapest. 1996. P. 154…163.

2. Increasing resistance of the railway wheels in operation by using carbonitride hardening of steel / L.M. Shkolnik, D.P. Markov, U.S. Proydak etc. // Herald of the Railway Research Institute (JSC VNIIZhT). 1994. No 6. P. 40…44. (in Russian)

3. Sakalo A.V. Contact fatigue strength of railway wheel steel // Herald of the BSTU. 2011. №2. P. 35…41. (in Russian)

4. Sakalo A.V. Method of simulation of contact stresses by using finite element fragments on elastic foundation // Herald of the VSTU. 2009. №9. P. 71…76. (in Russian)

5. Sakalo A.V. Improvement of the wheel tread profile according to a contact fatigue criterion. PhD thesis, Moscow, 2011. (in Russian)