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城市轨道交通的运营安全涉及因素较多,无论在设计阶段、施工阶段还是运营阶段都有触发事故的潜在条件,因此对其安全性也提出了更高的要求。轨道经过长时间的服役,其承载能力与服役初期相比会下降许多,而地铁钢轨焊接接头疲劳裂纹是研究轨道断裂的关键因素之一。为了详细分析地铁列车钢轨疲劳裂纹前沿的力学场,本文采用理论研究和弹塑性有限元分析相结合的方法,通过建立轮轨接触模型,研究了不同工况下疲劳裂纹扩展的力学特性,并对地铁钢轨剩余寿命和检修周期进行了预测。完成的主要工作如下:(1)以地铁轮轨为研究对象,建立了轮轨接触有限元模型,研究了钢轨与车轮接触位置处应力的变化规律,在此基础上分析了易于萌生裂纹的位置,并建立含椭圆形裂纹轮轨的有限元模型,得出裂尖前沿的拉伸应力分布及应力强度因子的大小;(2)为了准确分析行车过程中载荷的变化对轮轨疲劳裂纹力学场的影响,采用ABAQUS软件中的子模型技术,分别研究了轮轨摩擦系数和超载对疲劳裂纹前沿应力应变场的影响规律;(3)基于U71Mn的应力应变曲线关系建立了钢轨的弹塑性材料模型,在此基础上分析了屈服强度和应变硬化指数的变化对裂纹前沿塑性应变和拉伸应力的的影响规律,并在此基础上对钢轨材料适用性进行了合理的评价;(4)基于不同摩擦系数、超载系数、屈服强度和硬化指数对钢轨裂纹尖端应力强度因子的影响,利用疲劳裂纹扩展速率公式建立钢轨剩余寿命计算模型,进而针对某地铁不同的运营工况估算了钢轨剩余循环使用次数和钢轨剩余寿命。