鋼軌接頭處輪軌接觸有限元分析.pdf

1、鋼軌接頭是鐵路線路三大薄弱環(huán)節(jié)之一。隨著列車速度和軸重的提高和行車密度的加大，鋼軌接頭的損傷也隨之加劇。接觸應(yīng)力分析是接觸疲勞破壞機理研究的基礎(chǔ)。本文主要研究鋼軌接頭處的接觸應(yīng)力，其結(jié)果可作為今后研究鋼軌接頭處接觸疲勞破壞的依據(jù)。 本文主要分別從靜態(tài)和動態(tài)來研究鋼軌接頭處的接觸應(yīng)力： (1)基于傳統(tǒng)的鋼軌接頭(用兩個夾板和六個螺栓連接鋼軌)，利用大型有限元軟件ANSYS建立鋼軌接頭處二維、三維靜態(tài)彈塑性有限元模型。在三維

2、模型中，考慮了多體接觸問題，即考慮了車輪與鋼軌、鋼軌與夾板、夾板與螺栓和螺栓與鋼軌之間的接觸。計算鋼軌軌頭處的接觸應(yīng)力，研究接觸點到軌端的距離、軸重以及接頭螺栓預(yù)緊力對軌頭處接觸壓力、應(yīng)力、應(yīng)變和變形的影響。 (2)基于傳統(tǒng)的鋼軌接頭，建立鋼軌錯牙接頭處三維動態(tài)彈塑性有限元模型，模型中考慮多體間動態(tài)接觸，結(jié)合ANSYS隱式和ANSYS/LS-DYNA顯式程序，仿真計算車輪沖擊鋼軌軌頭的過程。研究車速、軸重和錯牙接頭高度差對鋼軌軌

3、頭處接觸應(yīng)力的影響。 由輪軌接觸靜力計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)： (1)接觸壓力和接觸斑隨輪軌接觸點距軌端距離的減小而增大，同時也隨軸重的增大而增大。 (2)Mises等效應(yīng)力σe和最大主剪應(yīng)力τmax隨輪軌接觸點距軌端距離的減小而增大，隨軸重的增大呈線性增大。 (3)鋼軌軌頭處等效應(yīng)力的影響區(qū)域和塑性區(qū)隨輪軌接觸點距軌端距離的減小麗增大，也隨軸重的增大而增大。 (4)鋼軌螺栓孔處的應(yīng)力隨螺栓扭矩的增大而增大。

4、 由輪軌接觸沖擊計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)： (1)當(dāng)車輪沖擊鋼軌錯牙接頭時，輪軌間的最大垂向接觸力大約是靜態(tài)輪載荷的4.7倍。此最大接觸力為高頻瞬態(tài)沖擊力，主要作用在鋼軌上，尤其在鋼軌接頭處的軌面上。 (2)當(dāng)車輪沖擊鋼軌錯牙接頭時，最大等效應(yīng)力和最大塑性應(yīng)變都發(fā)生在鋼軌軌端表面處。 (3)當(dāng)車輪沖擊鋼軌錯牙接頭時，最大垂向接觸力、等效應(yīng)力、最大主剪應(yīng)力、等效塑性應(yīng)變和垂向位移都隨車速、軸重和錯牙高度差的增大而增大。