本發明屬于損傷-斷裂計算，具體涉及一種基于晶體塑性-相場法的高速輪軌接觸裂紋預測方法。

背景技術：

1、高速列車是我國交通樞紐系統布局中的重要一環，承擔了國內絕大部分重點運力需求。高速列車軌道由于制造成本高，通常不會頻繁更換，而高速列車在運行過程中，輪軌與列車車輪之間相對運動產生滾動接觸，隨著載荷增加，會導致軌道內表層材料損傷產生微裂紋，并逐漸發展為宏觀裂紋，直至導致材料發生破壞，從而影響列車平穩運行，甚至引發安全事故。傳統預測裂紋的方法是彌散裂紋相場法，但相場法僅從宏觀角度預測裂紋的萌發與生長，未考慮材料微觀晶體結構，且對高速輪軌裂紋預測而言，傳統預測裂紋的方法未充分考慮輪軌接觸區域滾動摩擦接觸條件，使得對高速輪軌預測效果不佳。因此，實現一種預測高速輪軌接觸裂紋的方法顯得尤為迫切，該方法需滿足一定的預測可靠性，能夠準確預測輪軌裂紋產生。

技術實現思路

1、本發明的目的是解決上述問題，提供一種高效、準確、可以很大程度上提高高速輪軌接觸裂紋預測精度，保證結果準確性的基于晶體塑性-相場法的高速輪軌接觸裂紋預測方法。

2、為解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種基于晶體塑性-相場法的高速輪軌接觸裂紋預測方法，包括以下步驟：

3、s1、通過有限元分析軟件建立高速輪軌模型，剖分局部輪軌接觸區域立方體；

4、s2、對應仿真模型，在輪軌軌頭接觸區域切分幾何大小一致的立方體，并將該立方體進行處理以用于拍攝ebsd圖像，獲得輪軌的晶體尺寸和晶體取向統計學特征；

5、s3、建立晶體塑性-相場耦合模型并測試；

6、s4、獲得不同載荷頻率、載荷強度、晶體斷裂形式條件下的裂紋形式、裂紋擴展速率、裂紋幾何的統計學參數，并通過統計學參數訓練麻雀算法優化的bp神經網絡，獲得寬范圍的載荷頻率、載荷強度、晶體斷裂形式與裂紋形式、裂紋擴展速率、裂紋幾何的關系，從而預測不同載荷下高速輪軌接觸裂紋。

7、進一步地，所述s1包括以下分步驟：

8、s11、根據輪軌幾何在有限元軟件中建立模型；

9、s12、剖分輪軌接觸區域局部1×1×1mm立方體，并根據剖分條件進行網格細化。

10、進一步地，所述s2包括以下分步驟：

11、s21，對應仿真模型，在輪軌軌頭實物接觸區域切分幾何大小一致的立方體，并將該立方體進行處理以用于拍攝ebsd圖像，從而獲得輪軌的晶體尺寸和晶體取向統計學特征；

12、s22，通過neper軟件，根據s21獲得的晶體尺寸和晶體取向統計學特征對剖分的局部1×1×1mm立方體進行voronoi單元劃分；

13、s23，編寫程序讀取通過neper軟件獲得的voronoi單元劃分信息和步驟一中局部剖分立方體的網格節點信息，對比前兩者的網格節點信息將步驟一中立方體的網格單元設置對應的voronoi單元集合，并重新導入步驟一中有限元模型，完成有限元模型局部立方體的voronoi單元劃分。

14、進一步地，所述s3包括以下分步驟：

15、s31，在輪軌軌頭接觸區域切分圓柱形試樣，并將該圓柱形試樣進行拉伸實驗，以獲得輪軌應力應變曲線，同時，在有限元軟件中同樣進行輪軌切分圓柱形試樣的拉伸實驗；對比拉伸實驗結果和仿真結果，調整仿真相場斷裂能量密度，使仿真得到的拉伸應力應變曲線與實驗得到的曲線重合，獲得相場斷裂能量密度參數；

16、s32，在實現上述步驟的前提下，推導并建立剖分區域晶體塑性-相場耦合模型，結合相場和晶體塑性擴展s12的有限元模型；

17、s33、施加接觸滾動疲勞載荷，預測輪軌裂紋萌生與擴展。

18、進一步地，所述s4中的統計學參數包括不同載荷頻率、載荷強度、晶體斷裂形式條件下的裂紋形式、裂紋擴展速率、裂紋幾何的均值、方程、標準差統計學參數。

19、進一步地，所述s4中通過統計學參數訓練麻雀算法的具體方法為：改進麻雀搜索算法隨機初始化種群方法和位置更新策略，編寫改進麻雀搜索算法優化的bp神經網絡程序；將獲得的載荷參數作為輸入以及得到的裂紋參數作為輸出訓練神經網絡；通過驗證得到寬范圍的載荷頻率、載荷強度、晶體斷裂形式與裂紋類型、裂紋擴展速率、裂紋幾何的關系。

20、本發明的有益效果是：

21、1、本發明所提供的一種基于晶體塑性-相場法的高速輪軌接觸裂紋預測方法，通過建立輪軌有限元模型，剖分輪軌軌頭接觸區域局部1×1×1mm立方體進行晶體特征測試和相場斷裂能標定試驗以及局部接觸區域立方體voronoi單元劃分，通過施加輪軌滾動接觸載荷，建立了高速輪軌晶體塑性-相場有限元模型。

22、2、本發明利用有限元結果獲得的晶體裂紋統計學參數訓練麻雀算法優化的bp神經網絡對高速列車輪軌接觸裂紋進行預測。該裂紋預測方法利用了相場法優點，結合了材料晶體塑性微觀特性，并充分考慮了輪軌接觸情況，從而保證了輪軌接觸裂紋預測精度。

23、3、本發明區別于傳統相場裂紋預測方法，本發明在相場法的基礎上，通過建立晶體voronoi單元考慮了材料微觀特性，通過施加滾動接觸載荷考慮了輪軌接觸條件。本發明作為一種考慮材料微觀特性和輪軌接觸載荷的預測方法，其可以很大程度上提高高速輪軌接觸裂紋預測精度，保證結果準確性。且整個發明高效、準確、實施過程簡單，具有很強的實用價值和應用前景。

技術特征：

1.一種基于晶體塑性-相場法的高速輪軌接觸裂紋預測方法，其特征在于：包括以下步驟：

2.根據權利要求1所述的一種基于晶體塑性-相場法的高速輪軌接觸裂紋預測方法，其特征在于，所述s1包括以下分步驟：

3.根據權利要求1所述的一種基于晶體塑性-相場法的高速輪軌接觸裂紋預測方法，其特征在于，所述s2包括以下分步驟：

4.根據權利要求1所述的一種基于晶體塑性-相場法的高速輪軌接觸裂紋預測方法，其特征在于，所述s3包括以下分步驟：

5.根據權利要求1所述的一種基于晶體塑性-相場法的高速輪軌接觸裂紋預測方法，其特征在于，所述s4中的統計學參數包括不同載荷頻率、載荷強度、晶體斷裂形式條件下的裂紋形式、裂紋擴展速率、裂紋幾何的均值、方程、標準差統計學參數。

6.根據權利要求1所述的一種基于晶體塑性-相場法的高速輪軌接觸裂紋預測方法，其特征在于，所述s4中通過統計學參數訓練麻雀算法的具體方法為：改進麻雀搜索算法隨機初始化種群方法和位置更新策略，編寫改進麻雀搜索算法優化的bp神經網絡程序；將獲得的載荷參數作為輸入以及得到的裂紋參數作為輸出訓練神經網絡；通過驗證得到寬范圍的載荷頻率、載荷強度、晶體斷裂形式與裂紋類型、裂紋擴展速率、裂紋幾何的關系。

技術總結
本發明公開了一種基于晶體塑性?相場法的高速輪軌接觸裂紋預測方法，包括以下步驟：S1、通過有限元分析軟件建立高速輪軌模型，剖分局部輪軌接觸區域立方體；S2、對應仿真模型，在輪軌軌頭接觸區域切分幾何大小一致的立方體，并將該立方體進行處理以用于拍攝EBSD圖像，獲得輪軌的晶體尺寸和晶體取向統計學特征；S3、建立晶體塑性?相場耦合模型并測試；S4、獲得不同載荷頻率、載荷強度、晶體斷裂形式條件下的裂紋形式、裂紋擴展速率、裂紋幾何的統計學參數，并通過統計學參數訓練麻雀算法優化的BP神經網絡，獲得寬范圍的載荷頻率、載荷強度、晶體斷裂形式與裂紋形式、裂紋擴展速率、裂紋幾何的關系，從而預測不同載荷下高速輪軌接觸裂紋。

技術研發人員：王戰江,游科
受保護的技術使用者：西南交通大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/24