钢轨冷却过程中温度场及弯曲变形数值模拟研究-材料加工工程专业论文.docxVIP

钢轨冷却过程中温度场及弯曲变形数值模拟研究 Numerical Simulation of Temperature Field and Deformation in Rail Cooling Process 研究生姓 名：段金良 指导教师姓名：刘宇雁 内蒙古科技大学材料与冶金学院 包头 014010，中国 Candidate：Duan Jinliang Supervisor：Liu Yuyan School of Material and Metallurgy Inner Mongolia University of Science and Technology Baotou 014010，P.R.CHINA  独 创 性 说 明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名： 日期：  关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文。 （必威体育官网网址的论文在解密后应遵循此规定） 签名： 导师签名： 日期： 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘 要 我国交通运输一直以铁路为主，铁路运输担负着全国 60%-70%的货运总量和 50%-60%的客运总量， 重载、高速、安全是铁路科技的发展方向。 铁路高速、重载的迅猛发展，使钢轨失效问题日益严重，已危及行车安全。因 此，提高钢轨性能延长使用年限，已刻不容缓。而钢轨全长热处理，是近年来世界 上大多数国家公认的提高钢轨耐磨、抗疲劳强度的最直接、经济的方法。 本文以 60kg/m 的 U75V 钢轨为研究对象，基于传热学、热弹塑性基本原理以及 有限元理论，采用模拟软件 ABAQUS 建立了 U75V 钢轨的三维瞬态非线性有限元模 型。模拟钢轨在自然空冷过程中的冷却过程，分析了钢轨自然空冷时温度场、应力 场和弯曲变形规律；研究了钢轨在不同冷速条件下的冷却过程中，钢轨在轨头分别 喷水 10s、20s 后的温度、???力分布规律和弯曲变形规律；采用红外线热成像仪对钢 轨温度冷却过程的温度场进行了实测，通过实验模拟实验，对比验证了模拟计算结 果与实测结果的一致性。 模拟结果表明：（1）钢轨在冷却过程中，温度随时间变化规律分为三个阶段： 第Ⅰ阶段，即发生固态相变前，温度降低速率比较快；第Ⅱ阶段，固态相变阶段， 温度几乎保持不变；第Ⅲ阶段，固态相变后，温度降低比较平缓均匀。（2）钢轨弯 曲变形过程也分为三个阶段：第Ⅰ阶段，钢轨向轨底弯曲；第Ⅱ阶段，钢轨由轨底 向平直阶段恢复；第Ⅲ阶段，钢轨由平直阶段向轨头弯曲，终冷时刻钢轨是弯向轨 头的。（3）不同冷却方案中，钢轨在冷却过程中，温度随时间变化规律趋势与自然 空冷条件下是一致的，但钢轨温度降低的速率不同。轨头喷水 20s 平均温降速率最 大，达到 0.277℃/s，轨头喷水 10s 次之，达到 0.184℃/s，自然空冷时最低，为 0.092℃/s。自然空冷、轨头喷水 10s、轨头喷水 20s 三种实验方案中的挠度、应力值 对比分析结果表明：钢轨在冷却过程中，钢轨轨头喷水 20s 时终冷弯向轨头的弯曲挠 度最大 0.5m 、应力值为 200 MPa，自然空冷时终冷弯向轨头的弯曲挠度最小 0.3m、 应力 150 MPa；三种冷却方案中温度-时间曲线的变化规律是一致的，曲线呈现了一 个温度由于相变潜热所产生的温度凸台，该阶段温度大约为 630℃左右。 本论文的研究为钢轨在线热处理工艺的制定提供实验数据及理论基础，为余热 淬火钢轨在线热处理工艺软件的开发与应用提供有效的技术支持。 关键词：钢轨；温度场；弯曲变形；数值模拟 II Abstract Transportation in China has been a rail-based, rail transport responsible for 60% -70% of the total freight and 50% -60% of total passenger traffic, overloaded, speed, security is the direction of development of railway technology. With the rapid development of railway hi