钢轨接头处轮轨接触有限元分析

摘要

钢轨接头是铁路线路三大薄弱环节之一。随着列车速度和轴重的提高和行车密度的加大，钢轨接头的损伤也随之加剧。接触应力分析是接触疲劳破坏机理研究的基础。本文主要研究钢轨接头处的接触应力，其结果可作为今后研究钢轨接头处接触疲劳破坏的依据。 本文主要分别从静态和动态来研究钢轨接头处的接触应力： (1)基于传统的钢轨接头(用两个夹板和六个螺栓连接钢轨)，利用大型有限元软件ANSYS建立钢轨接头处二维、三维静态弹塑性有限元模型。在三维模型中，考虑了多体接触问题，即考虑了车轮与钢轨、钢轨与夹板、夹板与螺栓和螺栓与钢轨之间的接触。计算钢轨轨头处的接触应力，研究接触点到轨端的距离、轴重以及接头螺栓预紧力对轨头处接触压力、应力、应变和变形的影响。 (2)基于传统的钢轨接头，建立钢轨错牙接头处三维动态弹塑性有限元模型，模型中考虑多体间动态接触，结合ANSYS隐式和ANSYS/LS-DYNA显式程序，仿真计算车轮冲击钢轨轨头的过程。研究车速、轴重和错牙接头高度差对钢轨轨头处接触应力的影响。 由轮轨接触静力计算结果发现： (1)接触压力和接触斑随轮轨接触点距轨端距离的减小而增大，同时也随轴重的增大而增大。 (2)Mises等效应力σe和最大主剪应力τmax随轮轨接触点距轨端距离的减小而增大，随轴重的增大呈线性增大。 (3)钢轨轨头处等效应力的影响区域和塑性区随轮轨接触点距轨端距离的减小丽增大，也随轴重的增大而增大。 (4)钢轨螺栓孔处的应力随螺栓扭矩的增大而增大。 由轮轨接触冲击计算结果发现： (1)当车轮冲击钢轨错牙接头时，轮轨间的最大垂向接触力大约是静态轮载荷的4.7倍。此最大接触力为高频瞬态冲击力，主要作用在钢轨上，尤其在钢轨接头处的轨面上。 (2)当车轮冲击钢轨错牙接头时，最大等效应力和最大塑性应变都发生在钢轨轨端表面处。 (3)当车轮冲击钢轨错牙接头时，最大垂向接触力、等效应力、最大主剪应力、等效塑性应变和垂向位移都随车速、轴重和错牙高度差的增大而增大。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2轮轨接触问题国内外研究现状

1.3本文的主要研究内容

第2章 有限元仿真的基础理论

2.1接触分析

2.1.1识别接触面和目标面的方法

2.1.2指定接触面和目标面的方法

2.1.3接触算法的选择

2.1.4常用的实常数

2.2非线性方程组求解

2.2.1牛顿-拉普森求解

2.2.2收敛准则

2.3非线性动力学仿真原理

第3章 自由轨端处二维轮轨接触静力计算

3.1模型描述

3.2 Hertz接触理论

3.3计算结果与分析

3.3.1接触压力分布情况

3.3.2钢轨表面沿x轴的应力分布情况

3.3.3钢轨接触点下沿y轴的应力分布情况

3.3.4钢轨等效应力和塑性区分布状态

3.3.5接触点C和钢轨自由轨缝端E点处的位移情况

3.4本章小结

第4章 钢轨轨头三维静力计算

4.1模型介绍

4.2计算结果与分析

4.2.1接触距离lC的影响

4.2.2轴重的影响

4.2.3螺栓扭矩对钢轨螺栓孔附近应力的影响

4.3本章小节

第5章 钢轨接头处轮轨接触冲击计算

5.1模型描述

5.2计算结果与讨论

5.2.1轨头处垂向接触力、应力和应变的变化情况

5.2.2列车速度对轨头垂向接触力、应力和应变的影响

5.2.3轴重对轨头垂向接触力、应力和应变的影响

5.2.4错牙接头高度差对轨头垂向接触力、应力和应变的影响

5.3本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研工作