列车荷载作用下地铁扣件轨下橡胶垫板疲劳寿命预测与结构优化研究

摘要

现阶段，我国轨道交通行业迅猛发展，其在蓬勃发展的同时也对轨道结构的各个部件提出了更高的要求。扣件系统轨下橡胶垫板为轨道结构提供必要的弹性，列车运行的安全性又与橡胶垫板的疲劳性能息息相关。因此，开展对橡胶垫板疲劳寿命预测方法的研究，探究其在列车荷载作用下的疲劳寿命，对轨下橡胶垫板的优化设计具有重要的意义。　　本文以地铁扣件系统轨下橡胶垫板为研究对象，利用有限元法、多刚体动力学理论以及疲劳分析理论，预测了其在列车荷载作用下的疲劳寿命，并对橡胶垫板的结构型式进行了优化改进，具体内容如下所述。　　1、对橡胶试件进行了单轴拉伸试验，并通过COMSOL软件的优化分析模块将试验数据与6种橡胶材料超弹性本构模型进行了拟合，得到各模型的拟合参数和拟合误差，最终确定选用Neo-Hookean模型来模拟橡胶材料的变形特征，并确定了拟合参数。　　2、建立了地铁扣件系统轨下橡胶垫板简化有限元分析模型和地铁列车-轨道耦合动力学分析模型，计算了不同工况下钢轨的动力响应。　　3、借助多物理场耦合分析软件COMSOL建立了轨下橡胶垫板疲劳寿命预测模型，分析研究了不同列车荷载作用下橡胶垫板的疲劳寿命。结果表明：不同行车速度及钢轨波磨下橡胶垫板的疲劳寿命云图大致相同，其寿命随行车速度和钢轨波磨波深的增大而减小；钢轨波磨波深越大，波磨波长对橡胶垫板疲劳寿命的影响越明显。　　4、以橡胶垫板刚度和疲劳寿命为指标，对比分析了不同结构型式橡胶垫板的优劣。结果表明：在一定范围内，橡胶垫板的沟槽数量越多、宽度和深度越大，垫板的刚度越小，弹性越好；在保证承载能力要求的基础上，橡胶垫板沟槽数量越多、深度越大，其疲劳寿命越大。　　5、与沟槽型橡胶垫板相比，平板型橡胶垫板的疲劳寿命较大，但弹性较差。因此，欲获得弹性较好的橡胶垫板，在设计时应避免采用平板型结构。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 铁路扣件系统弹性垫板概述

1.2.1 扣件系统弹性垫板的作用

1.2.2 扣件系统弹性垫板的分类

1.2.3 扣件系统弹性垫板的主要病害

1.3 橡胶材料疲劳破坏机理和影响因素

1.3.1 橡胶材料疲劳破坏机理

1.3.2 橡胶材料疲劳破坏影响因素

1.4 橡胶疲劳研究现状

1.4.1 裂纹萌生法

1.4.2 裂纹扩展法

1.4.3 S-N曲线法

1.5 主要研究内容及技术路线

1.5.1 主要研究内容

1.5.2 技术路线

第2章 橡胶垫板材料本构模型及有限元模型的建立

2.1 引言

2.2 橡胶超弹性本构模型

2.2.1 统计理论模型

2.2.2 唯象理论模型

2.3 橡胶材料力学试验

2.3.1 橡胶材料基本力学试验类型

2.3.2 橡胶材料单轴拉伸试验

2.4 橡胶材料本构模型参数拟合

2.4.1 超弹性本构模型曲线拟合

2.4.2 各模型拟合参数及拟合误差

2.5 轨下橡胶垫板有限元模型的建立

2.5.1 扣件系统模型的简化

2.5.2 有限元模型各参数的设置

2.6 本章小结

第3章 列车荷载作用下钢轨动力响应

3.1 引言

3.2 地铁车辆-轨道耦合动力学模型

3.2.1 地铁车辆模型

3.2.2 地铁轨道模型

3.2.3 轮轨接触模型

3.2.4 轨道不平顺

3.2.5 钢轨波磨激励

3.3 不同工况下钢轨动力响应

3.3.1 行车速度的影响

3.3.2 钢轨波磨的影响

3.4 本章小结

第4章 地铁扣件轨下橡胶垫板疲劳寿命预测

4.1 引言

4.2 轨下橡胶垫板疲劳寿命预测模型

4.2.1 疲劳分析方法

4.2.2 COMSOL疲劳分析流程

4.3 列车荷载对轨下橡胶垫板疲劳寿命的影响

4.3.1 行车速度的影响

4.3.2 钢轨波磨的影响

4.4 本章小结

第5章 扣件系统轨下橡胶垫板结构优化

5.1 引言

5.2 沟槽型橡胶垫板

5.2.1 沟槽数量的影响

5.2.2 沟槽宽度的影响

5.2.3 沟槽深度的影响

5.3 平板型橡胶垫板

5.4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及主要科研工作