车轮滑动时钢轨热弹塑性有限元分析

利用有限元分析软件ABAQUS建立轮轨接触热弹塑性平面应变热机耦合有限元模型。模型中,材料本构采用的是双线性塑性模型,考虑轮轨自由表面与环境的热对流的影响和温度对材料参数的影响,通过移动边界条件模拟轮轨接触区的移动。分析车轮滑动时不同摩擦因数和轴重对钢轨温度场和残余应力分布的影响。计算结果表明,钢轨表面最高接触温升发生在接触斑中心后半轴靠近边缘处,温升主要分布在接触表面大约1.6mm的深度范围,钢轨表层最大VonMises等效应力发生在离钢轨表面大约0.2mm的次表面;残余应力应变的影响主要在钢轨表面大约10mm范围内,在钢轨表面考虑热影响时残余应力比不考虑热影响的大;考虑热影响时钢轨表层的温度随摩擦因数和轴重的增大而增大,钢轨表层残余应力也随着摩擦因数的增大而增大,而轴重对钢轨表面残余应力影响不明显,而在次表层影响很大。     

基于热力耦合的钢轨接触疲劳裂纹扩展特性分析

采用热弹塑性有限元法和裂纹尖端位移法,对轮轨全滑接触状态下的钢轨表面斜裂纹的扩展特性进行分析.热力耦合有限元模型中,考虑轮轨自由表面与环境热对流、裂纹表面间热传导和温度对材料参数的影响,通过移动边界条件模拟轮轨接触区的移动,计算轮轨摩擦因数、裂纹表面间的摩擦因数和裂纹角度对钢轨表面裂纹扩展特性的影响.计算结果表明:在热...     

轮轨滑动摩擦生热分析

利用ANSYS有限元软件建立轮轨滑动摩擦热-结构耦合简化模型,针对特定载荷、摩擦因数和相对滑动速度工况进行了轮轨的温度场和应力场研究.结果表明:轮轨处在滑动摩擦状态时,需考虑材料参数随温度变化的影响;热影响区分布于轮轨表面很薄层,并在此薄层产生很高的热应力;随着轴重力、摩擦因数和相对滑动速度的增大,轮轨的热效应越明显.轮轨滑动过程的热效应问题研究将有助于揭示接触过程中的表面磨损机理.     

滚滑工况下轮轨摩擦生热分析

随着铁路的高速化和重载化,车辆运行环境日益恶化,破坏的程度也越严重。应用有限元分析软件ANSYS建立了轮轨摩擦接触时的热弹性平面应变有限元模型,分析了不同蠕滑率、摩擦因数以及轴重对轮轨表层温升和应力的影响情况。结果表明:高速列车滚动运行时,温升不高,但也产生了可观的热应力;车轮滚动过程中承受冷热交替的载荷,很容易产生破坏;随着轴重、摩擦因数和蠕滑率的增大轮轨的摩擦热效应越明显。摩擦生热的计算分析对于揭示热损伤机理有很大的指导意义。     

轮轨接触应力数值计算方法

为了得到轮轨接触应力较精确的数值解,分别采用Hertz接触理论模型、传统有限元模型及改进有限元模型求解轮轨接触应力,并从计算精度和计算时间方面对3种模型进行了比较.结果表明,有限元模型较Hertz接触理论模型更能反映轮轨接触的实际情况,改进的有限元模型在允许的计算精度范围内可以大大提高计算效率;轮轨最大接触应力发生在轮轨表面以下约2.5 mm的位置,呈弧形分布,并随轴重的增加而增大,高应力区宽度增大,离初始接触位置一定距离处的钢轨表面出现高应力区.     

扣件参数对轮轨滑动接触热弹塑性的影响分析

利用有限元软件ANSYS建立热机直接耦合作用下的轮轨滑动接触热弹塑性有限元模型。采用与温度相关的变摩擦因数和材料参数,运用热机直接耦合法,考虑轮轨间非稳态热传导及轮轨与环境间热对流和热辐射的影响,考虑扣件系统对轮轨接触的影响,分析了不同扣件垂向刚度和扣件间距对钢轨受力和变形的影响。结果表明:轮轨接触斑附近钢轨的最大等效应力和弹性应变出现在钢轨接触表面上;在车轮滑过区域,钢轨最大等效应力和弹性应变发生在钢轨次表面上;钢轨的等效应力、最大变形和车轮垂向加速度在扣件垂向刚度为50 k N/mm时最小;从钢轨的应力、应变、变形和温升方面考虑,扣件间距在0.6~0.725 m间取值均较合理,车轮垂向加速度在扣件间距为0.6 m时最小。     

滑动速度对钢轨表面接触应力的影响

利用ANSYS有限元软件建立轮轨系统弹性平面应变有限元简化模型,模拟轮轨滑动接触行为。研究机械载荷条件下滑动速度对钢轨接触表面接触应力的影响,以及热-机耦合载荷条件下滑动速度对钢轨表面接触应力、摩擦温升的影响,并对2种条件下的接触应力进行比较分析。结果表明:耦合载荷条件下的接触应力较机械载荷条件下显著增加,分布更集中于接触斑附近,即轮轨相对滑动产生了明显的摩擦热效应;滑动速度增加,摩擦热效应越明显,热影响层越浅,即滑动速度对接触应力有显著影响,钢轨接触应力分析时必须考虑滑动速度的影响。     

钢轨滚动接触磨损研究

利用三维非Hertz滚动接触理论和数值程序CONTACT分析了不同轴重下轮轨滚动接触斑上应力、摩擦功等参数的变化.通过JD-1轮轨模拟试验机研究了轴重对钢轨材料磨损性能的影响,分析了磨痕形貌的变化情况.数值计算及试验结果表明:轴重和曲线半径是影响钢轨滚动接触磨损的重要因素;轮轨摩擦功的变化与钢轨磨损量的变化之间存在一定线性对应关系.     

车轮全滑动轮轨摩擦温升三维有限元分析

基于有限元法和非稳态导热问题微分方程,建立轮轨摩擦温升三维数值分析模型.分析轮载、相对滑动速度和摩擦因数对轮轨接触区附近摩擦温度场的影响.模型中考虑了轮轨与环境间的对流换热和轮轨接触界面的相互导热过程.分析结果表明,轮载、相对滑动速度和摩擦因数对轮轨摩擦接触温升及其热影响层深度都有明显影响.轮重不仅影响轮轨表面最高摩擦温升,而且影响热影响区域的大小;相对滑动速度变大,热影响层深度和宽度分别变浅和变宽;摩擦因数越大,热影响区越大.     

钢轨踏面斜裂纹扩展寿命的预测

利用断裂力学理论建立了钢轨踏面斜裂纹扩展寿命预测模型;以CRH2型动车组为研究对象,计算了轮轨接触时钢轨内部的应力分布,然后利用预测模型估算了钢轨踏面斜裂纹的扩展寿命,并分析了摩擦因数、裂纹倾斜角、钢轨磨损率等因素对钢轨踏面斜裂纹扩展寿命的影响。结果表明:倾斜角在30°～40°时,斜裂纹扩展寿命随摩擦因数的增大而降低;裂纹倾斜角增加到50°～60°时,斜裂纹扩展寿命先增加后减小;随裂纹倾斜角的增大,斜裂纹扩展寿命先增后减;斜裂纹扩展寿命随磨损率增大先缓慢增加,当磨损率达到一定值后急剧增加;实际使用数据间接证明了模型预测的准确性。     

曲线半径及轴重对轮轨摩擦功影响的研究

基于非Hertz滚动接触理论利用数值计算方法详细分析了静态接触情况下,轴重和曲线半径对轮轨接触质点间等效应力、接触斑粘滑区的分布、总滑动量和摩擦功的影响。分析计算表明,轴重增加引起轮轨接触质点间等效应力,接触质点间粘滑区的面积以及总滑动量的变化,同时对轮轨接触质点阍的摩擦功的变化有重要影响;小曲线半径处轮轨接触质点间的总滑动量,接触斑滑移区的面积以及摩擦功都明显增大,导致曲线上钢轨磨损加剧。因此曲线半径和轴重是影响轮轨滚动接触磨损的重要因素。     

ANALYSIS OF THERMAL-ELASTIC STRESS OF WHEEL-RAIL IN ROLLING-SLIDING CONTACT

A coupling thermo-mechanical model of wheel/rail in rolling-sliding contact is put forward using finite element method. The normal contact pressure is idealized as the Hertzian distribution, and the tangential force presented by Carter is used. In order to obtain thermal-elastic stress, the ther-mal-elastic plane stress problem is transformed to an elastic plane stress problem with equivalent fictitious thermal body force and fictitious boundary distributed force. The temperature rise and ther-mal-elastic stress of wheel and rail in rolling-sliding are analyzed. The non-steady state heat transfer between the contact surfaces of wheel and rail, heat-convection and radiation between the wheel/rail and the ambient are taken into consideration. The influences of the wheel rolling speed and wear rate on friction temperature and thermal-elastic stress are investigated. The results show the following: ① For rolling-sliding case, the thermal stress in the thin layer near the contact patch due to the friction temperature rise is severe. The higher rolling speed leads to the lower friction temperature rise and thermal stress in the wheel; ② For sliding case, the friction temperature and thermal stress of the wheel rise quickly in the initial sliding stage, and then get into a steady state gradually. The expansion of the contact patch, due to material wear, can affect the friction temperature rise and the thermal stress during wear process. The higher wear rate generates lower stress. The results can help under-stand the influence of friction temperature and thermal-elastic stress on wheel and rail damage.     

地铁线路曲线段磨耗状态下轮轨滚动接触有限元分析

基于城市轨道交通曲线段不同磨耗程度的典型钢轨和车轮的实测型面,利用有限元分析软件ANSYS建立曲线段轮轨三维弹塑性接触有限元模型,对三种不同轮轨磨耗型面匹配工况下的地铁车辆的曲线通过性能以及轮轨接触应力进行计算分析,分析不同磨耗状态下车轮和钢轨接触时的接触应力和轮轨应力的分布状态,并研究其对钢轨磨耗的影响。发现钢轨使用初期,由于轮轨廓形不一致,轮轨间易出现应力集中,应力集中部位易出现磨损;随着钢轨侧磨的增加,轮轨接触状态逐渐由一点接触变为两点接触,且接触点的塑性变形部分和弹性部分的过渡区间易出现裂纹;两点接触状态下,外侧轨距角处接触面积及应力集中区域远大于钢轨侧面部分,轨距角易出现较大的接触压力,易加速钢轨磨耗与疲劳伤损的产生。     

考虑摩擦因数与滑动速度相关时的轮轨滚动接触有限元分析

使用与滑动速度相关的摩擦因数替代库伦摩擦定律中的常系数,结合mixed Lagrangian/Eulerian方法建立轮轨滚动接触有限元模型,分析牵引力主导的蠕滑工况下的干燥状态的轮轨滚动接触特性。通过与摩擦因数取值为常数的轮轨滚动接触分析结果对比发现:与滑动速度相关的摩擦因数对轮轨滚动接触最大接触应力和接触斑面积影响不大,均在1%以内;但是对轮轨接触斑内最大Mises应力、最大纵向切应力、最大横向切应力和最大等效塑性应变影响较大,特别是对最大纵向切应力影响幅度近20%;更需要引起注意的是对轮轨滚动接触摩擦力矢量分布和切向塑性应变分布影响明显,这对轮轨滚动接触疲劳损伤分析非常重要。     

基于ANSYS的轮轨摩擦滑动接触应力分析

以Hertz接触理论为依据,利用ANSYS建立2D有限元计算模型,模拟原地打滑、完全制动等轮轨滑动摩擦接触行为。分析了轮轨静接触和滑动接触时接触应力分布情况,研究了接触状态、轴重、滑动速度、载荷类型和钢轨轨顶圆半径对接触应力的影响。结合Hertz接触理论计算结果、剥离损伤理论和自激振动理论进行了轮轨损伤分析。     

基于轮轨法向间隙的车轮踏面优化方法

为了寻求基于目标的铁路车辆车轮踏面数值优化技术,开发一种考虑轮轨法向间隙参数的车轮踏面优化方法.利用该方法优化我国高速列车车轮LMa型面.并发现优化后的LMa车轮和CHN60钢轨滚动接触接触时,轮轨界面之间具有较好的"共形"特性,这样能有效降低轮轨接触应力以达到降低滚动接触疲劳目的.并用车辆轨道耦合动力学理论分析优化的车轮型面对车辆动态特性的影响.数值结果表明,在不降低车辆动力学性能的情况下,此方法可以有效改善轮轨接触点对分布,降低轮轨接触应力.     

轮轨配合对重载货车轮轨磨耗的影响

在中国既有线路的参数设置下,建立标准LM车轮与R60轨和R75轨配合时的轮轨接触和磨耗模型,对比研究不同轮轨配合时的磨耗性能。计算表明R75轨轮轨接触点集中分布在轨侧、轨头和轨顶三个区域,接触线不连续。在当轮对横移小于3 mm时,两种钢轨滚动圆半径差和接触角差基本一致,轮对横移大于3 mm时,R75轨的滚动圆半径差和接触角差稍小。R75轨与LM车轮配合时,在车轮踏面和轮缘、钢轨轨顶和轨角两段圆弧的过渡段的接触斑面积和应力变化剧烈。车辆在直线上运行时,R75轨的轮轨磨耗将增大数倍,动态通过800 m半径曲线时,外轨磨耗增大约45%。轮轨配合的理论分析表明R75轨不适应我国重载运输,采用提高强度的R60轨更符合我国重载铁路的实际情况。     

起重机轮轨弹塑性接触有限元分析

利用ANSYS9.0软件对起重机轮轨弹塑性接触进行有限元分析,分别对点接触和线接触状态轮轨的弹性和弹塑性两种情况进行有限元分析,得出了轮轨间弹性接触和弹塑性接触应力的分布情况.     

车轮踏面硌伤处的瞬态滚动接触应力分析

通过建立三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型,研究带有踏面硌伤的车轮在指定牵引或制动力条件下的瞬态滚动接触行为,分析不同速度、硌伤几何和材料塑性变形对踏面硌伤处滚动接触行为的影响。结果表明:在60~300km/h速度范围内,车轮硌伤所激起的接触力随速度的增加而降低;初期硌伤可能存在的边缘"堆起"能大大增加接触应力的水平,或可导致滚动接触疲劳的萌生;对于具有尖锐边缘的硌伤,弹塑性等效应力水平仍可明显大于车轮材料的强度极限,即可发生持续的塑性变形,易于萌生疲劳;相对而言,对于具有钝边缘的硌伤,相应的接触应力水平要低得多,车轮偏于安全。     

硬化深度对港口起重机车轮接触应力的影响

在建立港口起重机轮轨接触的三维实体模型的基础上，通过商业软件ANSYS建立了车轮材料不做硬化、硬化10mm、硬化25mm、全部硬化4种有限元模型；计算了这4种模型点接触和线接触2种轮轨接触模型的接触应力和接触面积，并与相应的赫兹理论值对比。通过对不同车轮硬化处理方式的接触应力和接触面积的比较，分析硬化处理对车轮接触的影响。