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系統識別號 U0026-0908201113103800
論文名稱(中文) 軌道裂縫破壞分析之回顧
論文名稱(英文) Retrospective on the Fracture Analysis of Rail
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 機械工程學系專班
系所名稱(英) Department of Mechanical Engineering (on the job class)
學年度 99
學期 2
出版年 100
研究生(中文) 謝寧鴻
研究生(英文) Ning-Hung Hsieh
電子信箱 n1795109@mail.ncku.edu.tw
學號 n1795109
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 74頁
口試委員 指導教授-褚晴暉
口試委員-陳鐵城
口試委員-李驊登
中文關鍵字 應變能密度因子  應力強度因子  第一型或第二型應力強度因子 
英文關鍵字 Strain Energy Density Factors  Stress Intensity Factors  Mode I & Mode II Stress Intensity Factors 
學科別分類
中文摘要 本文基於國立成功大學機械工程學系破壞力學實驗室過去的研究,回顧軌道力學的破壞分析論文。所有因素都影響軌道的安全,包括裂縫幾何形狀種類、金屬成形和輪/軌接觸表面所產生的塑性變形,磨擦力作用在軌道表面、裂縫表面及滾動方向都將在本文內討論。因此包括了混合模式破壞問題,應變能密度定理來評估三種不同種類(枝節裂縫、表面裂縫及殼狀裂縫)的破壞行為,本文討論強調,在裂縫成長的方向和裂縫裂縫驅動作用力Smin 稱做應變能密度因子。除此之外,軌道疲勞壽命是可以預測的。

英文摘要 Based on the previous researches of NCKU ME Fracture Mechanics Laboratory, this paper reviews the fracture analysis of rail mechanics. All factors that will affect the safety of rails and will be discussed here include the geometries of the cracks, the residual stresses due to metal forming and plastic deformation at wheel/rail contact surface, friction forces acting on the rail surface and the crack surfaces, and the rolling direction. Since it involves mixed mode fracture problems, the strain energy density theory is used to evaluate the fracture behavior of three different crack types: detail crack, surface crack and shell crack. The discussions are emphasizes on the direction of the crack propagation and the crack driving force Smin, called the strain energy density factor. In addition, the fatigue life of rail can also be predicted.
論文目次 目錄

摘要I
英文摘要II
誌謝III
目錄IV
表目錄VII
圖目錄VIII
符號說明XII

第一章 前言1
第二章 問題描述與分析方法5
2.1 範例描述與有限元素模型5
2.2 應力強度因子9
2.3 應力變能密度理論11
2.4 影響因子13
第三章 殼狀裂縫15
3.1 範例描述及分析結果15
3.1.1 剛體車輪下壓15
3.1.2 剛體車輪滾壓21
第四章 枝節裂縫27
4.1 剛體車輪壓凹與滾壓(磨擦及無磨擦)27
4.2 裂縫前進方向之探討29
4.3 分析結果30
4.3.1剛體車輪壓凹與滾壓(磨擦及無磨擦)30
4.3.2裂縫前進方向之探討分析35
第五章 表面裂縫46
5.1 磨擦效應對軌道表面影響46
5.1.1 磨擦下壓46
5.1.2 磨擦滾壓49
5.2 殘留應力對軌道表面影響54
5.2.1 車輪由軌道左邊滾動至右邊結果分析(β=20度)55
5.2.1.1 無殘留應力結果分析55
5.2.1.2 縱向(x方向)殘留應力結果分析56
5.2.1.3垂直軌道表面方向(y方向)殘留應力結果分析57
5.2.2車輪由軌道右邊滾動至左邊結果分析(β=20度)59
5.2.2.1殘留應力結果分析59
5.2.2.2縱向(x方向)殘留應力結果分析60
5.2.2.3垂直軌道表面方向(y方向)殘留應力結果分析61
5.3 軌道疲勞壽命及裂縫成長角度結果分析63
5.3.1車輪由軌道左邊滾動至右邊結果分析63
5.3.2車輪由軌道右邊滾動至左邊結果分析66
第六章 結論69
6.1殼狀裂縫69
6.2枝節裂縫70
6.3表面裂縫71
參考文獻72
附錄

表目錄

表3-1 蒲松比與裂縫角度對應表25
表4-1 壓凹無磨擦上裂縫尖端距上表面4 mm之Smin和角度(θ)與位置(x)之關係36
表4-2 壓凹無磨擦上裂縫尖端距上表面5 mm之Smin和角度(θ)與位置(x)之關係36
表4-3 壓凹有磨擦上裂縫尖端距上表面4 mm之Smin和角度(θ)與位置(x)之關係37
表4-4 壓凹有磨擦上裂縫尖端距上表面5 mm之Smin和角度(θ)與位置(x)之關係37
表4-5 滾壓無磨擦上裂縫尖端距上表面4 mm之Smin和角度(θ)與位置(x)之關係38
表4-6 滾壓無磨擦上裂縫尖端距上表面5 mm之Smin和角度(θ)與位置(x)之關係39
表4-7 滾壓有磨擦上裂縫尖端距上表面4 mm之Smin和角度(θ)與位置(x)之關係39
表4-8 滾壓有磨擦上裂縫尖端距上表面5 mm之Smin和角度(θ)與位置(x)之關係40
表4-9 壓凹無磨擦上裂縫尖端距上表面4 mm之Smin和角度(θ)與位置(x)之關係41
表4-10 壓凹無磨擦上裂縫尖端距上表面5 mm之Smin和角度(θ)與位置(x)之關係41
表4-11 壓凹有磨擦下裂縫尖端距上表面4 mm之Smin和角度(θ)與位置(x)之關係42
表4-12 壓凹有磨擦下裂縫尖端距上表面5 mm之Smin和角度(θ)與位置(x)之關係42
表4-13 滾壓無磨擦下裂縫尖端距上表面4 mm之Smin和角度(θ)與位置(x)之關係43
表4-14 滾壓無磨擦下裂縫尖端距上表面5 mm之Smin和角度(θ)與位置(x)之關係44
表4-15滾壓有磨擦下裂縫尖端距上表面4 mm之Smin和角度(θ)與位置(x)之關係44
表4-16 滾壓有磨擦下裂縫尖端距上表面5 mm之Smin和角度(θ)與位置(x)之關係45

圖目錄


圖1-1 軌道裂縫示意圖2
圖1-2 輪軌接觸之模擬方式示意圖4
圖2-1 輪軌接觸情況示意圖5
圖2-2 簡化後分析模型6
圖2-3 剛體車輪模擬運動方式7
圖2-4 裂縫尖端四分之一節點元素8
圖2-5 第一型及第二型應力強度因子模型9
圖2-6 裂縫尖端附近局部極座標系10
圖2-7 用LDET法求得裂縫尖端之應力強度因子10
圖2-8 裂縫尖端之極座標11
圖3-1 剛體車輪接觸模擬分析中之兩種運動15
圖3-2 左邊裂縫尖端分析結果之k1、k2曲線圖16
圖3-3 右邊裂縫尖端分析結果之k1、k2曲線圖17
圖3-4 左邊裂縫尖端分析結果之Smin曲線圖18
圖3-5 左邊裂縫尖端分析結果之θo曲線圖19
圖3-6 左邊裂縫尖端分析結果之k1、k2曲線圖20
圖3-7 右邊裂縫尖端分析結果之k1、k2曲線圖20
圖3-8 左邊裂縫尖端分析結果之Smin曲線圖22
圖3-9 左邊裂縫尖端分析結果之θo曲線圖23
圖3-10 右邊裂縫尖端分析結果之Smin曲線圖24
圖3-11 右邊裂縫尖端分析結果之θo曲線圖24
圖3-12右邊裂縫尖端分析結果之Smin曲線圖26
圖3-13 右邊裂縫尖端分析結果之θo曲線圖26
圖4-1 軌道中含不同深度的枝節裂縫受剛體下壓示意圖27
圖4-2 軌道中含不同深度的枝節裂縫受剛體滾壓示意圖28
圖4-3 縫尖端之正角度說明圖29
圖4-4 剛體車輪壓凹狀況下,上裂縫尖端k1和k2分佈圖31
圖4-5 剛體車輪壓凹狀況下,下裂縫尖端k1和k2分佈圖32
圖4-6剛體車輪滾壓狀況下,上裂縫尖端k1和k2分佈圖33
圖4-7剛體車輪滾壓狀況下,上裂縫尖端k1和k2分佈圖34
圖5-1 剛體車輪(磨擦與無磨擦)在不同位置給定一下壓位移d46
圖5-2 分析結果之應力強度因子。A:無磨擦分析k1之結果。B:磨擦
分析k1之結果。C:無磨擦分析k2之結果。D:磨擦分析k2之結果47
圖5-3 分析結果之Smin。A:無磨擦分析之結果。B:磨擦分析之結果48
圖5-4 分析結果之θo。A:無磨擦分析之結果。B:磨擦分析之結果48
圖5-5 由左至右之磨擦滾壓和磨擦下壓分析結果之應力強度因子比較50
圖5-6 由左至右之磨擦滾壓和磨擦下壓分析結果之Smin 比較50
圖5-7 由左至右磨擦滾壓和磨擦下壓分析結果之θ0 比較51
圖5-8 由右至左磨擦滾壓和磨擦下壓分析結果之應力強度因子比較52
圖5-9由右至左磨擦滾壓和磨擦下壓分析結果之Smin比較52
圖5-10由右至左磨擦滾壓和磨擦下壓分析結果之θ0比較53
圖5-11 縱向(x方向)殘留應力分佈圖54
圖5-12本文分析之軌道模型55
圖5-13 車輪由左邊滾動至右邊且施加x方向殘留應力之k1結果56
圖5-14 車輪由左邊滾動至右邊且施加x方向殘留應力之k2結果57
圖5-15 車輪由左邊滾動至右邊且施加y方向殘留應力之k1結果58
圖5-16 車輪由左邊滾動至右邊且施加y方向殘留應力之k2結果58
圖5-17 車輪由右邊滾至左邊且施加x方向殘留應力k1結果59
圖5-18 車輪由右邊滾至左邊且施加x方向殘留應力k2結果60
圖5-19 車輪由右邊滾至左邊且施加y方向殘留應力k1結果62
圖5-20 車輪由右邊滾至左邊且施加y方向殘留應力k2結果62
圖5-21 車輪由左邊滾動至右邊且施加x方向殘留應力之Smin 結果63
圖5-22 車輪由左邊滾動至右邊且施加x方向殘留應力之θ0 結果64
圖5-23 車輪由左邊滾動至右邊且施加y方向殘留應力之Smin 結果64
圖5-24 車輪由左邊滾動至右邊且施加y方向殘留應力之θ0 結果65
圖5-25 車輪由右滾動至左邊且施加x方向殘留應力之Smin 結果66
圖5-26 車輪由右滾動至左邊且施加x方向殘留應力之θ0 結果67
圖5-27 車輪由右滾動至左邊且施加y方向殘留應力之Smin 結果67
圖5-28 車輪由右滾動至左邊且施加y方向殘留應力之θ0 結果68



參考文獻 參考文獻

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論文全文使用權限
  • 同意授權校內瀏覽/列印電子全文服務,於2011-08-19起公開。
  • 同意授權校外瀏覽/列印電子全文服務,於2011-08-19起公開。


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