钢轨轨头三维应力有限元分析6
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1.引言轮轨关系是车辆、轨道系统中最基本、最复杂的一个问题,轮轨接触应力的计算则是研究轮轨关系的基础,它是进一步研究车轮在轨道上的运行性能及轮轨表面损伤等问题的理论依据。
轮轨接触应力的理论计算,过去大多采用解析解和数值解,即将轮轨视为两个无限弹性半空间。
可是随着铁路向高速重载方向发展,使用解析解和数值解来解决轮轨关系问题的局限性也愈加突出。
这些解析解和数值解根本无法精确模拟车轮踏面与钢轨的真实几何形状。
文献[1]用SuperSap5软件包计算了钢轨内的弹性应力场,但是,文献[1]把接触荷载假设为一集中荷载,没有反映真实的轮轨接触行为。
由于在文献[2]中,张焱利用Kalker三维弹性体非Hertz接触理论确定轮轨接触斑上的作用力作为钢轨外力输入,使其仍避免不了局限于半空间的假设。
列车是在不同的情况下运行的,轮轨的接触状态也是时刻不一样的。
本研究运用ANSYS有限元分析软件建立真实尺寸和边界条件的模型,讨论轴重、枕木支撑位置对轮轨接触弹塑性应力/应变场的影响。
2.计算模型分析按照货车轮对和轨道的实际尺寸建立计算模型。
我国货车标准轮径为840mm,采用这种轮径和LM磨耗形踏面建立模型,轨道选择60kg/m标准钢轨。
以60kg/m钢轨铺设的无缝线路为背景,采用轨枕间距为55cm,取出长为60cm的一段钢轨进行计算。
考虑到轮轨接触部位受力比其它部位大,因此只取对接触影响较大的下半轮建立模型。
为了更好的模拟轮轨接触的加载,轴与轮分别建立两个模型,它们之间的力通过接触方式传递。
轮、轨、轴的材料均采用双线形模型(如图1),弹性模量E=20.6×104MPa,泊松比为0.28,强度极限为883.0MPa,应变强化模量Ep=2.1×104MPa[3]。
模型对于铁轨与枕木之间的连接用固定约束模拟,另外为限制车轮的横向移动对其横向位移也加以限制。
图1材料的双线性模型图2整体模型的网格划分3.划分网格生成有限元模型对模型进行网格划分,本研究中的模型采用六面体单元网格。