英语原文共 9 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
使用动态有限元法对钢轨接头区域进行接触冲击应力分析
温泽峰 金学松 张卫华
牵引力国家重点实验室，西南交通大学，中国，成都 610031
摘要：有限元模块ANSYS / LS-DYNA用于模拟轨道接头区域的轮轨接触冲击特性。隐式和显式有限元方法已经耦合到分析轮/轨道冲击过程。在FE模拟中，使用具有线性运动学硬化的材料模型，详细研究了轴载和火车速度对接触力，轨头上的应力和应变的影响。从获得的结果来看，发现轴承在以恒定速度冲击期间对上述参数具有更大的影响，然而，列车速度的影响相对较弱。该研究为进一步研究钢轨疲劳和磨损以及改善钢轨接头方式提供了一种方法和有用的数据。
关键词：轮轨；轨道接头；弹性塑料；接触影响；动态有限元法
- 引言
轨道接头是铁路轨道结构中增加的小半径曲线和转弯三个主要弱点之一。在传统的铁路轨道中，两个连接杆用于通过四个或六个螺栓连接相邻轨道的端部。该接头组件的一个目的是水平和垂直地对齐轨道末端，以便产生用于轮子和轨道滚动接触的平滑运行表面。这是铁路轨道的基本几何要求。但是，轨道间隙，轨道高度不匹配和倾角的存在打破了轨道的连续性（图1）。另一个目的是机械性质，即通过提供连接杆以覆盖缺失的垂直弯曲刚度来代替接头处的轨道不连续性。这要求杆的横截面足够大并且螺栓被紧紧地紧固。然而，应当注意的是，通常两个连接杆的弯曲刚度小于轨道的弯曲刚度。例如，中国60 kg / m轨道的惯性力矩为I = 3217.0 cm4，而两个标准连接杆的相应值仅为I = 992.6 cm4，约为轨道惯性矩的三分之一。因此，轨道接头是轨枕结构中的严重缺陷。 当车轮经过它时，会导致异常高的动态冲击力。根据现场调查[1,2]，这些由钢轨接头引起的附加冲击力的范围为车轮和钢轨之间的静载荷的2至3倍，在某些情况下甚至为5倍。在车轮和轨道之间的这种大的冲击力导致在轨道接头处比在其他区域处更严重的轨道损坏。图2示出了在轨接头区域中的挤压，剥落，鞍背磨损和裂纹的特性。 来自铁路领域的统计显示，由于轨道接头的断裂，更换轨道的数量占总替换轨道的50％。
近年来，为了满足国民经济发展的需要，铁路运输在中国发展很快。 较高的列车速度，较重的轴载荷和较大的交通密度导致增加的垂直偏转，导致接头组件的劣化，接头附近的道碴和路基的退化甚至车辆的脱轨。 因此，其导致高维护成本。此外，大的动态力减少了乘客的舒适度，并显着增加了烦人的噪音。为此，需要采取有效措施来消除或减轻车轮和轨道之间的动态响应。Li [3]提出了许多方法，如提高支撑的弹性系数，在车轮/轨道动力有限元模型的基础上减少车轮/轨道的动态相互作用和损伤。 Cannon等人 [4]和Reid [5]详细描述了裂口套管冷膨胀技术及其有益的人工残余应力有效地消除了引起疲劳的循环张力载荷的机理，并且实际上消除了轨端螺栓孔裂纹问题。Mayville和String fellow [6]建立了一个有限元模型，用于研究连接杆松动，轨道高度不匹配和列车速度对从铁路轨道腹板中的螺栓孔发出的裂纹的裂纹驱动力的影响。Kataoka等人 [7]在实验室进行静态荷载试验，现场测试测量鱼螺栓孔周围的应力，连接钢轨的静态应力分析和带螺栓孔的钢轨的弯曲疲劳试验。基于研究结果，他们开发了一种评估接合钢轨疲劳寿命的方法。 Cheng等人[8]讨论了低和高负荷率对钢轨疲劳性能的影响。在他们的实验研究中，所有测试的标本取自铁路头。 Arnold和Joel [9]对焊接绝缘接头进行了精确分析，这与使用实际接合接头的获得的测试结果一致。
应力分析是理解和预测接触或冲击元件的疲劳和磨损行为的关键。 然而，很少有关于铁路联合地区的应力研究，迄今为止考虑动态效应。 本文描述了一个三维弹性有限元模型的车轮和钢轨之间的接触冲击在轨道接头区域。 三维非线性有限元动态分析代码ANSYS / LS-DYNA用于轮轨冲击过程的模拟，当车轮经过轨道间隙时。 详细研究了轨道附近轨道间的应力分布，其中考虑了轴载和列车速度。 该研究将提供一种方法和有用的数据，用于进一步研究在连接轨道上撞击轨头上的损伤的机理以及改进轨道接头模式。
- 数值模拟理论
ANSYS / LS-DYNA在本研究中用于连接钢轨和车轮的冲击接触的模拟。该计算机代码[10,11]执行三维结构的非线性瞬态动力学分析。 ANSYS / LS-DYNA具有多种分析功能，包括大量材料模型，多种接触建模选项，梁，板，壳和实体元素库以及用于自适应控制解决方案过程的鲁棒算法。在求解过程中，考虑应力波传播和惯性效应。其主要算法采用拉格朗日公式。
我们假设点坐标为Xi（i = 1,2,3）。 在时间t，它移动到点xi（i = 1,2,3）。 由于考虑了拉格朗日公式，变形可以用对流坐标Xi和时间t表示：
xi = xi(Xj, t), i, j = 1, 2, 3 (1)
在时间t = 0，我们具有初始条件和速度的分量如下：
xi(Xj, t)|t=0 = Xi, (Xj, t)|t=0 = Vi(Xj, 0) (2)
其中Vi定义初始速度。
2.1动量方程
sigma;ij,j rho;fi = rho;I (3)
其中sigma;ij是柯西应力，fi是体力密度，ẍ是加速度。
2.2．质量守恒
rho; = Jrho;0 (4)
其中rho;是电流密度，rho;0是参考密度，J是相对体积，即变形梯度矩阵的行列式Fij：
J = (5)
2.3. 能量方程
（6）
其中V是当前配置中的体积; 应变率张量;和p分别为偏应力和压力，其中 =sigma;ij （p q）sigma;ij; p =- / 3-q，Kronecker delta（= 1，如果i = j;否则= 0）; 和q体积粘度。
2.4．边界条件
表面牵引边界（S1）条件为
sigma;ij nj = ti(t) （7）
其中nj（j = 1,2,3）是相对于S1的边界向外法向的单位，ti（i = 1,2,3）是表面牵引。
位移边界（S2）条件为
xi(Xj, t) = Ki(t) （8）
其中Ki（t）（i = 1,2,3）是规定的位移函数。
接触不连续是
(minus;)nj = 0 （9）
当= 时，其沿着内部边界S0.
根据方程 （3），（7）和（8）我们可以写成：
其中delta;xi满足S2上的所有边界条件，并且该积分超过当前几何。利用我们获得的发散定理
并注意到
我们可以写出平衡方程的弱形式
这是虚拟工作原理的说明。
在等式 （13）通过有限元方法离散化，我们可以给出非线性动力学行为的运动方程
其中M是全局质量矩阵，定义为
在等式（14）中，Ẍ（t）是全局节点加速度矢量，P代表全局荷载矢量，包括节点荷载，表面牵引和体积牵引
其通过组合来自所有元素的贡献而获得。 N是插值矩阵，B是应变位移矩阵，sigma;是应力向量。
对于大多数非线性问题，只有数值解是可能的。 LS-DYNA使用显式中心差分方案来整合运动方程。 对于评估Ẍ（t） （14）已经引入了节点集中质量近似，因此质量矩阵M是对角线; 等式 （14）然后可以被解耦，并且可以容易地求解，因为右侧量是已知的。 由于瞬态分析避免了需要在许多隐式时间积分算法所需的每个时间步骤的矩阵评估，汇编和分解，LS-DYNA需要最少的执行时间和存储或磁盘空间来执行甚至非常大的数值问题。 但是显式中心差分方案是条件稳定的。 所以时间步长Delta;t需要满足：
其中L是最小元件长度; c =radic;E/rho;为波传播的速度，E为杨氏模量，rho;为材料的密度。
3.有限元模型
对轮/轨道冲击载荷的广泛兴趣导致了各种各样的分析模型的开发和使用。分析模型主要由集中参数模型[12]，弹性基础模型[13,14]和离散支持模型[15]组成。集中参数模型只能用于定性分析车轮/轨道系统的动力学问题。弹性基础模型不能用于处理一些特殊类型的动力学问题，例如，支撑刚度沿着轨道纵向方向变化。离散弹性支撑模型可以解决上述问题，适合实际的车轮/轨道条件[16]。为了掌握由于车轮和连接钢轨之间的冲击引起的轨头应力变化以及冲击过程中各种因素对钢轨应力的影响，基于离散弹性支撑模型建立了接触冲击的三维有限元分析模型。
在这项工作中，ANSYS隐式和ANSYS / LS-DYNA显式代码已经耦合以解决接触影响过程。简言之，隐式有限元方法首先用于解决轨道在撞击之前的初始变形，其中使用接触元件CONTA174使轨道与接合杆接触。在ANSYS隐式分析中，需要两个加载步骤。首先，将由螺栓的紧固引起的螺栓预紧施加在接合杆的螺栓孔位置上。螺栓预张力或预载荷可以通过实验定义为[1]：
其中Pb是螺栓预紧力，T是螺栓扭矩，D是螺栓直径，K是螺栓扭矩的系数，K = 0.19-0.25。这里我们选择T = 500N m，D = 24mm和K = 0.2。然后，即在第二负载步骤中，静态车轮负载作用在轨道间隙的一个侧轨端。值得注意的是，车轮未被选择，或车轮的所有节点都被限制在所有方向。在隐式分析完成之后，轨道和连接杆中的变形形状，预应力和应变被转移到ANSYS / LS-DYNA显式代码中。这是通过创建一个数据库文件来完成的，该文件更新了显式元素的几何和应力历史以匹配最终的隐式解。一旦在显式程序中，车轮的所有节点约束，螺栓预紧和静态轮负载被移除。另外，在隐式分析的第一负载步骤中施加的螺栓预应力的节点被选择来约束在横向或预张力方向上的运动。轴载荷和初始速度也施加到车轮。最后，显式求解器然后被用来解决车轮/轨道接头接触冲击问题。
由于轨道绕其中心线的对称性，轨道一侧的轮和轨道在数值模拟中建模。这里我们只关心轨头的应力分布，所以螺栓孔和孔附近的应力的影响也被忽略。车轮/轨道模型如图3所示。对于模型，坐标方向为：X轴或轮滚动方向，为纵向，Y轴为垂直方向，Z轴为横向。选择磨损轮廓的货车车轮，中国“LM”和60kg / m的轨道。如图3所示，车轮的公称滚动半径为R = 420mm，支撑跨度b = 538mm，c = 540mm，H是轨道间隙宽度，P0是轴载荷，omega;是角速度，Vx是 恒定轮滚动速度，Vy是初始车轮垂直速度，Kt是等效垂直支撑刚度，其包括轨垫刚度，压载刚度和路基刚度。我们选择H = 15mm，Vx = 30,50,70,90km / h，Kt = 30MN / m，P0 = 75,105,125kN。 初始车轮垂直速度写为
其中alpha;是钢轨端部在接头处弯曲的倾角。它是从静态轮荷载或轴荷和螺栓预载荷下的隐含分析计算得到的。g表示重力加速度。t是车轮从一个轨道端部落入轨道端部之间的间隙的时间。
车轮，导轨和接头部件使用8节点砖元件进行网格划分。车轮轴的半质量被视为连接到车轮轴线的质量元件。轨道的支撑件用弹簧 - 阻尼器离散元件建模。该模型总共有88,669个元素和113,754个节点，如图4a所示。从车轮撞击的轨道端部的部分更细地啮合，因为这是用于局部材料响应的感兴趣的轨道模型的体积。在该轨端附近的局部网格被放
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[138348]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
