《Results in Engineering》：Investigation of plastic deformation and damage at the wheel–rail interface under thermal contact conditions via peridynamics
编辑推荐：
本文针对滑动接触产生的热力载荷加剧轮轨塑性变形甚至引发损伤的问题，研究人员通过建立基于普通态型近场动力学的柔性轮轨热力耦合模型，深入探究了蠕滑率、摩擦系数和车速对轮轨界面热力响应及损伤机制的影响。研究发现，高蠕滑率、高摩擦系数和高车速导致接触温度急剧升高（约450至1450°C），热软化引起的强度降低致使界面产生过度塑性变形和材料磨损，在临界滑动条件下甚至形成热致马氏体白蚀层。该研究为理解轮轨系统在极端工况下的失效机理提供了新视角，对提升铁路系统可靠性和降低维护成本具有重要意义。
在铁路运输高效、环保、大容量优势的背后，轮轨这对关键部件直接决定着系统的安全与性能。车轮与钢轨的摩擦为列车牵引和制动提供了必要条件，但当界面摩擦力无法满足需求时，接触状态会从黏着-滑动转变为纯滑动。在此剧烈滑动接触下，轮轨界面承受的切向力和摩擦热显著增加，导致表面材料发生显著塑性变形甚至被移除，形成热机械损伤或划痕。高温还会改变轮轨材料的微观结构，在损伤区域下方可观察到马氏体白蚀层。由于型面破坏和材料性能变化，表面损伤会加剧轮轨振动和滚动接触疲劳损伤，甚至诱发钢轨波磨，进一步威胁运行安全。因此，研究热接触条件下轮轨界面的塑性变形和损伤机制，对提升铁路系统可靠性至关重要。
传统上，基于经典连续介质力学和偏微分方程的有限元方法是研究轮轨热机械损伤的常用手段。然而，当发生热机械损伤或材料不连续时，有限元方法所需的空间导数可能不再存在，导致数学奇异性和数值鲁棒性降低。此外，滑动接触引起的热机械损伤通常局限于表层数十至数百微米尺度，而有限元模型常采用毫米级网格，更适合捕捉全局结构响应而非精细的损伤演化。这些因素限制了基于经典连续介质力学的有限元方法在准确捕捉轮轨系统局部热机械损伤过程中的适用性。
为了克服经典连续介质力学方法在研究结构断裂和失效方面的局限性，近场动力学理论应运而生。该理论采用非局部方法和空间积分方程来描述力学问题，有效规避了裂纹等不连续处出现的奇异性。同时，近场动力学通过“键”的断裂来描述损伤和开裂，无需预设裂纹路径，即可自发性地模拟损伤的萌生与演化。由于其强大的损伤建模能力，近场动力学已被广泛应用于研究钢轨的滚动接触疲劳裂纹扩展。
本研究基于普通态型近场动力学热力损伤理论，并考虑了材料的塑性，建立了一个二维的柔性轮轨接触近场动力学模型。该模型包含了轮轨之间的热传导以及弹塑性材料的温度依赖性属性。与以往将车轮简化为刚体的大多数研究不同，本研究将车轮和钢轨均建模为柔性体，更真实地反映了轮轨接触的耦合热机械响应。模型通过将计算域离散为物质粒子，并考虑粒子间的非局部相互作用，来模拟轮轨在滑动接触下的热力耦合过程。模型的控制方程包括考虑温度影响的运动方程和热传导方程。损伤通过基于棘轮失效机制的键断裂准则来表征，即当键的平均塑性应变超过临界阈值时，键发生断裂，代表材料损伤或磨损。
为了验证所建立的近场动力学模型，研究人员将其与在相同条件下建立的有限元模型的计算结果进行了对比。对比结果显示，两种模型得到的轮轨记录点温度、冯·米塞斯应力和塑性应变随时间的变化高度一致，验证了近场动力学模型在模拟轮轨热机械响应方面的有效性。
参数分析表明，蠕滑率、摩擦系数和车辆速度均与轮轨热机械响应呈明显的正相关。增加这些参数会增强摩擦生热，导致表面温度和塑性应变升高，从而加剧接触界面损伤。模拟揭示了滑动接触损伤的演化序列：摩擦生热导致接触区温度急剧上升，引起材料热软化；在强热力耦合下，产生显著的塑性变形；一旦满足局部失效准则，表面材料以颗粒脱落的形式被移除；随着车轮继续向前滚动，先前受热的接触区快速冷却，为白蚀层的形成创造了有利条件。材料脱落和白蚀层形成的综合效应最终表现为特征性的轮轨划痕。从物理本质上看，高蠕滑工况下宏观滑动引起的严重热机械载荷是轮轨接触表面损伤的根本原因。
在技术方法上，作者主要运用了基于GPU并行算法的近场动力学数值模拟技术（采用CUDA C++编写，运行于NVIDIA Tesla A800 GPU），结合了基于单元接触法的轮轨接触相互作用处理，以及考虑温度依赖性的弹塑性材料本构模型。模型通过双视域近场动力学方法缓解了非均匀离散化带来的“幽灵力”问题。
研究结果部分显示，在不同参数下，轮轨界面的温度和塑性应变分布呈现出规律性变化。随着蠕滑率从7%增加到28%，轮轨颗粒的最高温度从约455°C升至超过1278°C，最大塑性应变从0.002升至4.78，表明热机械载荷显著加剧。摩擦系数的增加（从0.15到0.60）同样导致表面温度和塑性变形加剧，在μ=0.45时，轮轨记录点峰值温度超过1285°C，冷却速率超过1000°C/毫秒，满足了白蚀层形成的热致相变条件。车辆速度的提高（从80公里/小时到200公里/小时）使得更多热量积聚在表面，导致表面接触颗粒的温度和塑性应变更高，进而引发材料在接触界面脱落。研究还发现，划痕深度并非随车速单调增加，轮轨划痕深度在摩擦系数为0.45时达到最大，这是由于在更高摩擦系数下材料脱落的发生改变了热分布模式。
归纳研究结论与讨论部分，本研究表明，基于近场动力学的柔性轮轨模型能够有效地模拟滑动接触下的热机械响应和损伤演化。蠕滑率、摩擦系数和车辆速度是影响轮轨界面热机械损伤的关键参数，它们通过加剧摩擦生热和材料热软化，共同导致塑性变形、材料磨损和白蚀层形成。这项工作强调了在轮轨接触分析中考虑热力耦合和材料损伤的重要性。从工程角度看，这些发现为现场运营和维护提供了定性指导，表明应尽量减少严重滑动接触的发生，例如在高速运行时合理控制加减速以避免过大的蠕滑和车轮空转。评估和修复划痕时，除表面材料去除深度外，还需考虑亚表面的白蚀层，因其高硬度和低疲劳抗力可能加速后续疲劳裂纹的萌生和扩展。
需要指出的是，基于近场动力学的轮轨热机械分析仍处于早期阶段，本研究存在一些局限性，如采用二维平面应变模型、仅考虑单次车轮通过、以及缺乏在极端滑动条件下的专用实验验证等。未来的工作应朝着高效的二维模型发展，纳入累积多轮效应，并开展协调的数值-实验研究，以更好地捕捉参数耦合并进一步验证所提出的方法。该研究为理解轮轨系统在极端工况下的失效机理提供了新视角，对提升铁路系统可靠性和降低维护成本具有重要意义。相关成果发表在《Results in Engineering》上。
