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随着铁路运输业的发展,重载化成为我国货运铁路的发展趋势,而残余应力正是重载铁路钢轨疲劳裂纹萌生与扩展的影响因素之一。研究残余应力对钢轨疲劳裂纹萌生与扩展的影响机理,具有重要实践意义。本文以传热学理论、矫直变形理论、断裂力学理论等为基础,对残余应力在钢轨生产与服役过程中的演变规律及其对钢轨疲劳裂纹萌生与扩展的影响机理进行了如下的研究:首先,利用ABAQUS有限元仿真软件建立热机耦合有限元模型与显式动力学有限元模型,分别对钢轨热处理与矫直过程进行模拟,得到75kg/m在线热处理钢轨矫直后的残余应力场,即新轨的残余应力场。其次,建立轮轨接触有限元模型,并导入新轨的残余应力场,对重载铁路钢轨服役过程中残余应力演变规律进行研究,对不同工况下的钢轨残余应力分布规律进行对比分析,结果表明:轮载作用对残余应力分布的影响主要集中在轮轨接触区域附近。在轮轨接触区域表面及近表面,随轮载次数的增多,残余应力逐渐趋于稳定。10次轮载作用后,纯滚动与0.4%纵向蠕滑率工况的纵向残余应力分布规律类似,即表面6mm深度以内为纵向压应力状态,6mm以下为纵向拉应力状态。摩擦系数对纵向残余应力与残余剪切应力分布的影响范围主要集中在表面2mm深度范围以内。相较于摩擦系数,轮轨力对残余应力的影响深度范围更大。然后,根据临界平面法和低周疲劳理论,研究残余应力对钢轨滚动接触疲劳裂纹萌生计算的影响,对比分析考虑残余应力情况下不同工况对钢轨疲劳裂纹萌生寿命的影响。研究表明:残余应力对钢轨疲劳裂纹萌生寿命影响较大,对于某一般工况,不考虑残余应力情况下得到的疲劳裂纹萌生寿命仅约为考虑残余应力情况下的75%。考虑残余应力作用的情况下,摩擦系数越大,疲劳裂纹萌生寿命越短;轮轨力越大,疲劳裂纹萌生寿命越短;纵向蠕滑率越大,疲劳裂纹萌生寿命越短。最后,建立引入斜裂纹的轮轨接触弹塑性三维有限元模型,并导入钢轨生产与服役过程产生的残余应力场,以疲劳裂纹尖端位移作为断裂参量,分析考虑残余应力情况下的滚动接触疲劳裂纹扩展特性,结果表明:当裂纹全部处于残余压应力状态,考虑残余应力情况下的裂纹尖端张开位移CTOD幅值仅约为不考虑残余应力情况下的28.9%;当裂纹部分处于残余拉应力状态,考虑残余应力情况下的CTOD幅值约为不考虑残余应力情况下的180.8%。所以在钢轨疲劳裂纹扩展分析中应该考虑残余应力的影响。考虑残余应力的情况下,裂纹深度、裂纹角度对裂纹尖端张开位移CTOD、裂纹尖端滑动位移CTSD和裂纹尖端撕开位移CTD都有较大的影响;裂纹面摩擦系数主要对CTSD有较大影响,对CTOD和CTD影响较小;钢轨疲劳斜裂纹主要以Ⅱ-Ⅲ型或Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型的复合型方式扩展。