随着我国高速铁路的飞速发展,高速铁路系统的运行安全和行车品质越来越受到人们的重视,闪光焊无缝钢轨的使用大幅提升了列车运行的平稳性和舒适性。然而由于钢轨焊接接头处材质的非均匀性,使其较无焊接区域的钢轨更容易发生伤损与破坏,钢轨焊接接头成为无缝钢轨线路发生伤损的主要部位。为研究高速铁路轮轨滚动接触中焊接接头的服役性能,首先通过对高速铁路用U75VG钢轨材料进行准静态和动态冲击实验,获取钢轨焊接接头各个区域基本力学性能参数的分布情况和动态力学特性,进而基于实验结果建立合理的动态本构模型,通过有限元软件ABAQUS对轮轨瞬态滚动接触过程中的力学响应进行分析,研究结果将为评估高速铁路钢轨焊接接头服役性能提供参考依据。本文的主要工作如下:(1)在室温下利用DIC技术对U75VG钢轨闪光焊焊接接头试样进行准静态单轴拉伸实验,确定焊接接头各区域分布情况;再对焊接接头母材(BM)、焊接区(WZ)材料及热影响区(HAZ)材料进行准静态拉伸实验和霍普金森压杆实验,获取其基本材料力学性能和不同加载应变率下的应力-应变曲线。结果表明,U75VG钢轨闪光焊接接头的WZ和HAZ的宽度分别约为30 mm和20 mm;WZ材料的强度与BM相近,HAZ材料的强度显著低于BM和WZ材料的强度;BM、WZ和HAZ材料均表现出较强的应变硬化和应变率强化现象。(2)基于实验揭示的钢轨焊接接头各个区域材料的动态力学特性,针对经典的J-C模型和已有的改进J-C模型对钢轨焊接接头各个区域材料动态力学响应的适用性进行评估;通过在J-C模型的应变硬化项和应变率强化项中引入焊接接头各区域材料强度相关系数,进而建立适用于U75VG钢轨闪光焊焊接接头的改进动态本构模型。利用隐式应力积分算法将改进模型移植到有限元分析软件ABAQUS中,合理预测了焊接接头各区域材料在不同加载应变率下的动态力学响应。(3)为分析高速铁路钢轨焊接接头处在轮轨瞬态滚动接触下的力学响应,基于有限元分析软件ABAQUS开发了焊接接头处轮轨滚动接触有限元分析插件,可根据焊接参数不同快速完成钢轨焊接接头建模和轮轨瞬态滚动接触有限元分析,进而揭示钢轨焊接接头力学响应对材料非均质性和服役条件的依赖性。研究结果表明:HAZ的最大接触应力较其他区域小,在BM与HAZ交界、HAZ与WZ交界处会出现应力集中,等效塑性应变峰值出现在钢轨次表面HAZ与WZ交界处,且与准静态下分析结果相比,瞬态分析下焊接接头的等效塑性应变显著增加;最大接触应力随轴重增加而增加,轴重小幅度波动对等效应力峰值、应变场的分布和等效塑性应变率峰值影响不大;最大接触应力随行车速度增大先增大后减小,等效应力峰值随行车速度的增加而增大;由于应变硬化和应变率强化的竞争作用,行车速度对等效塑性应变率和应变分布影响明显。