轮轨滚动接触行为的数值研究

摘要

铁路系统通过轮轨滚动接触实现列车的支撑和导向，并依靠轮轨接触界面上的滚动摩擦力完成列车的牵引和制动。因而轮轨关系一直是铁路研究的核心问题之一，关系着列车运行的安全与品质、轮轨摩擦噪声的产生以及轮轨界面的损伤演变，而轮轨滚动接触力学行为模拟则是轮轨关系研究的基础科学问题之一。　　为实现轮轨间的低滚动阻力，需要选用高刚度的轮轨材质，这便导致了轮轨接触斑面积狭小(mm2)与高应力分布(GPa)。目前，通过试验手段直接捕捉轮轨滚动接触行为仍然面临着极大的挑战。因此，采用解析方法或数值手段建立准确可靠的滚动接触力学模型是研究轮轨滚动接触行为的核心。　　本文详细地论述了轮轨滚动接触模型的创建和动态发展历程，将其分为三个方面：经典滚动接触理论的建立与发展、车辆-轨道动力学或轮轨损伤模拟为导向的快速算法研究、以及基于有限元方法的复杂滚动接触问题研究。然而，随着高速重载铁路及城市轨道交通的不断发展，上述三个方面的研究仍存在一定的不足之处，本文正基于此开展。　　Kalker提出的变分方法及其数值程序CONTACT，是目前业界求解滚动接触问题最具权威的稳态滚动接触理论。然而Kalker的理论仍是基于诸多前提假设建立，与实际轮轨接触条件存在一定差异，表现在共形或曲面接触问题的求解。本文第2章推广并拓展了Kalker的变分方法，使其适用于具有曲面特征的三维轮轨非对称滚动接触行为的模拟，并编制了相应的数值程序CURVE。利用该模型详细地分析了三维非对称接触几何和曲面接触特征对轮轨滚动接触解的影响，为车辆-轨道动力学仿真和轮轨滚动接触的高效求解提供了依据。　　虽然Kalker的变分方法可以获得准确的轮轨滚动接触解，但需要反复迭代以确定最终解，这种迭代本质使得该类方法的计算效率很难大幅提升，急需发展一种更为高效的新型简化算法。第3章详细地对比了几个典型简化接触算法应用于非赫兹型轮轨滚动接触问题时的精度，并找到了将FASTSIM和FaStrip推广到非赫兹型滚动接触模型的最优非椭圆适应方法。为了解决现有简化接触算法处理法向接触问题精度不足以及影响切向接触边界的问题，第4章提出了一种求解法向接触的非赫兹型快速计算方法及其数值程序INFCON，并采用FaStrip和Ayasse-Chollet的局部椭圆法处理切向接触问题，其有效性通过与CONTACT和简化接触算法的对比得到了验证。进一步提出了“因地制宜”思想的混合接触建模策略并建议了实施该策略的两个几何判定指标，可望统一现有的简化接触算法，提供更为高效的接触建模方法。　　为突破经典接触算法基本假设的限制，第5章基于显式有限单元法建立了一种三维轮轨瞬态滚振动接触模型。该章节详细地介绍了该有限元模型的建模方法、任意几何不平顺的施加、求解方法的实现、滚动接触解的后处理程序编制等。利用该模型模拟了光滑轮轨表面处的准稳态滚动接触解，通过与CONTACT的对比验证了其准确性。随后，将其应用于钢轨波磨处的瞬态滚动接触行为的模拟，并探讨了变摩擦系数对波磨发展的影响。　　为推广瞬态滚振动模型的工程应用，将其用于钢轨焊接接头处滚动接触-冲击行为的模拟，建立了焊接接头几何不平顺梯度、轮轨动态冲击力和轴箱加速度的定量关系。据此，提出了两种评估钢轨焊接接头质量的方法，其一是基于轴箱加速度的动态监测方法，另一种是基于几何不平顺测量的静态检测方法。此两种方法可为高速列车的安全服役及铁路工务部门的养护维修提供有效的监测/检测方法。　　本文建立的三类滚动接触模型基本全面覆盖了轮轨滚动接触力学的应用范围，可为曲面接触、车辆-轨道耦合动力学、界面损伤预测、轮轨接触动力学与冲击等问题提供准确且适宜的滚动接触数值求解方法。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 轮轨滚动接触的基本特征

1.3 国内外研究现状及发展动态分析

1.3.1 经典滚动接触理论的建立与发展

1.3.2 车辆-轨道动力学或轮轨损伤模拟为导向的快速算法研究

1.3.3 基于有限元方法的复杂滚动接触问题研究

1.3.4 小结

1.4 本文研究目的、技术路线及主要内容

1.4.1 研究目的

1.4.2 技术路线与主要内容

第2 章基于Kalker 变分方法的轮轨滚动接触问题分析

2.1 Kalker 的变分方法及其数值算法实现

2.1.1 法向接触求解及其数值算法NORM

2.1.2 切向接触求解及其数值算法TANG

2.1.3 接触力与自旋蠕滑力偶求解

2.2 考虑三维非对称接触几何的轮轨滚动接触行为研究

2.2.1 轮轨接触点搜寻方法

2.2.2 三维接触几何间隙的确定

2.2.3 结果分析

2.2.4 讨论

2.3 考虑曲面接触的轮轨滚动接触行为研究

2.3.1 曲面接触的考虑

2.3.2 结果分析与讨论

2.4 本章小结

第3 章几种典型非赫兹型简化接触模型在轮轨滚动接触分析中的比较

3.1 几种典型简化接触模型的介绍及其对比

3.1.1 法向接触模型

3.1.2 切向接触模型

3.1.3 非椭圆适应方法

3.2 现有简化接触模型的精度对比

3.2.1 法向接触解

3.2.2 切向接触解

3.3 非椭圆适应方法的最优选择

3.3.1 评估方法描述

3.3.2 对比分析

3.3.3 讨论

3.4 本章小结

第4 章一种求解非赫兹型轮轨滚动接触的新型快速计算方法

4.1 模型介绍

4.1.1 方法思想

4.1.2 初始接触斑形状的确定

4.1.3 压应力分布求解

4.1.4 接触条件与“步进式缩减系数”概念

4.1.5 接触力条件下的渗透量修正

4.1.6 数值程序INFCON

4.2 模型验证与结果分析

4.2.1 法向接触

4.2.2 切向接触

4.3 讨论

4.3.1 几种简化接触算法的计算效率对比

4.3.2 一种高效混合接触建模策略

4.4 本章小结

第5 章 三维轮轨瞬态滚振动接触模型

5.1 算法描述

5.1.1 基于Lagrangian坐标描述的动力方程建立

5.1.2 沙漏控制和轮轨接触模拟

5.1.3 基于中心差分法的非线性方程组的显式求解

5.1.4 计算流程及方法总结

5.2 三维轮轨瞬态滚振动接触模型的建立

5.2.1 模型概述

5.2.2 轮轨接触界面任意几何不平顺的施加

5.2.3 滚动过程模拟

5.3 结果分析

5.3.1 准稳态滚动接触行为模拟：建模参数的确定与验证

5.3.2 瞬态滚动接触行为模拟

5.4 本章小结

第6 章钢轨焊接接头处滚动接触-冲击行为的评价方法

6.1 前言

6.2 钢轨焊接接头处动态响应的数值模拟与评估方法

6.2.1 钢轨焊接接头的数学表达及其几何梯度变化

6.2.2 焊接接头处的轴箱加速度、动态力响应

6.2.3轮轨动态力与轴箱加速度、几何梯度的关系

6.2.4 钢轨焊接接头的质量评估方法

6.3 基于实测轴箱加速度的钢轨焊接接头质量评估

6.3.1 实测轴箱加速度的振动特性

6.3.2 其它轮轨界面缺陷对轴箱加速度的影响

6.4 基于实测焊接接头几何的钢轨焊接接头质量评估

6.4.1 案例1

6.4.2 案例2

6.4.3 案例3和4

6.4.4 钢轨焊接接头演变

6.5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果