高速道岔曲尖轨疲劳裂纹成因分析

根据高速铁路18号单开道岔的基本轨-曲尖轨设计廓形和实测廓形数据,采用车辆-道岔动力学模型,分析了列车逆向-侧向过岔时轮载位置的转移、基本轨和尖轨上的接触斑法向应力和疲劳裂纹指数,提出了高速道岔曲尖轨疲劳裂纹形成的原因。研究发现:高速道岔基本轨和尖轨实测廓形显示尖轨降低值存在不足,使得同一转向架1、2位轮对的外轮轮载转移分别过早和过快,且随着车轮和钢轨廓形磨耗,这种情况进一步恶化。由此造成曲尖轨受到较大的法向接触应力,特别是1位轮对的外轮对曲尖轨轨肩和轨距角疲劳裂纹的形成贡献度最大。曲尖轨最早出现裂纹的区域在其顶宽20～50mm范围内。     

货车车轮与重载道岔曲尖轨的接触分析

针对大秦线重载道岔曲尖轨严重磨耗的情况,通过实测货车车轮型面与不同磨耗阶段尖轨型面,建立道岔区轮轨接触三维弹塑性有限元模型,分析货车车轮与尖轨不同位置的接触情况。结果表明,从距离尖轨尖端1m到3m内,接触斑在尖轨上的位置、尖轨上多点接触的区段以及尖轨上的等效应力大小主要受变截面尖轨的轨顶高度和宽度的影响;磨耗车轮与2m处标准型面尖轨接触时,在尖轨轨顶形成较大的应力集中,尖轨发生塑性变形,导致2 m处尖轨顶部剥离掉块;LM型车轮与标准型面尖轨接触时的匹配情况较好;磨耗车轮与标准型面尖轨接触时的匹配情况较差,而与磨耗后型面尖轨接触时的匹配情况相对较好。     

轮轨接触弹塑性应力应变分析

利用ANSYS有限元分析软件对轮轨接触进行了弹塑性静力分析,模拟了轮轨真实的几何形状和边界条件,分别研究了轴重、枕木支撑位置对接触应力的影响,并对各种参数的变化规律进行了分析,得出了轮轨间接触应力及塑性应变的分布规律。     

履带起重机支重轮-履带板接触问题分析

目的 研究履带起重机在特定工况下支重轮的受载情况,并分析受载最大的支重轮和履带板间的接触力应力变化情况。方法 首先通过接地比压理论获得支重轮的载荷,然后运用Hertz理论计算轮板接触应力,最后利用ANSYS软件对轮板接触应力进行弹性和弹塑性有限元分析。结果 Hertz理论求得轮板间接触应力为1 345.03 MPa;有限元弹性分析得出支重轮Mises应力为800.02 MPa,履带板Mises应力为593.36 MPa,两者间的接触应力为1 477.8 MPa,与Hertz计算结果相差9.9%;有限元弹塑性分析得出支重轮Mises应力为400.67 MPa,履带板Mises应力为359.93 MPa,两者间的接触应力为1 062.2 MPa,比弹性阶段结果降低28.1%。结论 通过理论计算方法和有限元分析两种方式获得最大接触应力,两者的结果有些差别,可以看出有限元分析获得的结果更符合实际;支重轮与履带板间的接触状态会随着载荷增大发生变化,当载荷达到一定值,产生塑性变形,此时,两者间的接触应力会大幅度减小。     

车轮扁疤伤损对高速列车轮对动力学性能影响

车轮扁疤是铁道车辆车轮踏面的缺陷形式之一,对轮轨动力和运用安全有明显的影响.本文建立了弹性车辆系统动力学模型,且将车轮扁疤伤损考虑为车轮轮径变化.利用数值仿真,研究了车轮扁疤伤损对高速列车轮轨冲击力、轮对振动及轮轨接触性能等的影响,并结合列车运行安全性指标得到了不同速度等级下车轮扁疤长度安全限值.结果表明,弹性车辆系统模型可以准确体现轮对旋转运动特征.车轮扁疤伤损对轮轨系统垂向和横向均产生冲击作用,对轮轨系统垂向冲击作用尤为明显,将显著增大轮对旋转振动频率及其倍频对应的振动能量,且会激起轮对中高频弹性共振.车轮出现40mm扁疤时,随着车轮旋转运动,轮轨接触点向轮背侧出现周期性横移,轮轨接触斑面积最大可达142mm2,轮轨纵向和横向蠕滑率分别增大4%和16%.轮轨力、轮对振动加速度及轮轨磨耗指数均会随车轮扁疤长度的增加而增大.当列车运行速度在300km/h及以下时,车轮扁疤长度需限制在30mm;当列车运行速度达到350km/h时,车轮扁疤长度需限定在25mm.     

梁柱节点分析中改进的弹塑性接触有限元模型

在通常接触有限元模型的基础上,提出了一种适合梁柱节点中接触问题分析的精简弹塑性间隙元,并和实际接触算例作比较,验证了本文间隙元模型的合理性及精度的可靠性,为更精确地分析由高强螺栓连接的钢框架梁柱节点的破坏机理提供了切实可行的工具.     

基于ANSYS/LS-DYNA的车轮椭圆化对轮轨滚动接触的影响

运用Proe、Hypermesh建立了二维轮轨接触有限元模型,通过动力分析有限元程序AN-SYS/LS-DYNA,采用隐式显式分析方法计算了车轮椭圆化情况下的轮轨滚动接触.仿真结果分析表明:当椭圆化车轮长轴与轨道接触时,轮轨垂向接触力最小,当椭圆化车轮短轴与轨道接触时,轮轨垂向接触力最大,这样将导致车轮的椭圆化加剧,进而轮轨垂向接触力也增大,周而复始,会造成对车轮和轨道的破坏.轮轨垂向接触力随着车轮椭圆化的加剧和车速的提高而增大,且椭圆化波深比速度的影响更为显著.行驶路程相同的情况下,椭圆化车轮的车轴垂向加速度比新轮的要大,而且随着车速的提高,车轴垂向加速度也随之增大.车速300 km/h时椭圆化车轮最大允许波深为1.25 mm,350 km/h时椭圆化车轮最大允许波深为1 mm,超过上述限度时,需对轮对进行镟修.     

基于有限元法的粗糙表面单峰接触模型

建立了弹塑性单峰接触有限元轴对称模型,分析了接触面积、硬度和接触力与干涉量的关系,并在有限元分析的基础上进行了经验公式的拟合。结果表明:弹塑性接触阶段材料的硬度随着接触几何变化而改变,而不是材料的常数,这与其他的研究是截然不同的。拟合得到的模型在弹性和弹塑性接触区域是连续的,可以应用于不同尺度的情况,将该研究结果代入到Greenwood-Williamson(GW)模型,可以在综合考虑表面弹塑性变形的前提下求解粗糙表面的接触问题。     

U75V焊接接头三维轮轨滚动接触有限元分析

由于焊接区材质的非均匀性,钢轨焊接接头一直是钢轨伤损的频发区域,通过分离式霍普金森压杆实验获得了U75V钢轨在不同应变率下的应力—应变曲线,确定了Johnson-Cook冲击动态本构模型材料参数,建立了含焊接接头的轮轨滚动接触有限元模型;对钢轨焊缝区、热影响区和母材区的接触压力、等效应力和等效塑性应变进行了有限元分析.结果显示:在轮轨滚动接触过程中,焊接接头热影响区最大接触压力相对于相邻区域较小,与其他区域交界处产生明显的应力集中,其等效塑性应变最大处位于钢轨次表层,焊接接头的等效塑性应变大于母材,轴重的变化对焊接接头最大接触压力和等效塑性应变的影响较小;随着行车速度增大,热影响区域最大接触压力和焊接接头等效塑性应变均逐渐增大.     

重载铁路钢轨磨耗状态下的轮轨法向接触特性

基于三维弹性体滚动接触理论,对法向接触问题最小余能方程的影响系数和法向间隙进行修正,使其更适用于非平面接触问题的求解.以某重载铁路通过总重达100 Mt的CHN75型面磨耗钢轨为对象,车轮选取LMA系列原始型面,利用修正后的接触模型,研究在30 t轴重作用下的轮轨法向接触特性.结果表明:轮对横移量对轮轨接触特性影响较大,横移量在+12～+14 mm轮轨接触状态变化显著;其中,横移量在+12.9～+13.2 mm时出现两点接触,横移量增大至+14 mm时出现车轮轮缘和钢轨轨距角的接触.     

基于轮轨接触特征的转辙器区钢轨廓形设计

针对道岔转辙器区钢轨容易出现伤损及寿命短等问题,根据轮轨接触理论,提出了以滚动圆半径差函数和轮轨间接触点均匀分布为主要的设计目标,以轮轨接触点的位置为边界条件,利用欧拉积分方法求解微分方程,从而获得钢轨打磨的目标廓形的方法,并编制了相应的计算程序,进行了实例验证.结果表明,优化后的钢轨与车轮有更合理的匹配性,改善了车辆通过道岔时的动力学性能,减小了轮轨间的接触应力,使得接触分布和磨耗更加均匀,从而能延长钢轨使用寿命.     

用摄动法求解轮轨空间两点接触变拓扑的解析式

建立了轮轨空间几何接触的精确模型，用伪弧长延拓法得到精确数值解，采用摄动法，以轮对摇头角为摄动参烽，并根据累轨接触对称性的特点，计算出摇头角对接触点坐标和广义坐标的影响系数，得到轮轨从一点接触到两点接触变拓扑切换条件的解析式。从影响系数的解析解还可以看到，在摇头角一定的情况下，轮缘接触点纵向坐标的大小是由轮缘接触角决定的，为轮轨踏面参数优化提供了依据。     

负重轮多体接触问题有限元分析

首次提出应用Lagrange乘子法与对称罚函数结合算法对负重轮多体接触问题进行有限元分析, 并以某履带运输车负重轮为例建立了负重轮多体接触有限元模型, 获得了稳态滚动条件下负重轮接触应力场及其挤压变形情况.结果显示, 当最大接触应力大于橡胶材料压缩强度时, 极易产生初始裂纹.有限元分析结果也为计算裂纹扩展及预估负重轮的疲劳寿命提供了理论依据.     

基于轮轨非Hertz接触的影响系数的有限元计算方法

采用非Hertz接触理论求解轮轨接触问题时,影响系数对轮轨接触应力与接触斑大小产生重要影响.由于当车轮轮缘与钢轨在轨距角处发生接触时,非Hertz接触理论中基于弹性半空间条件下的影响系数已不适用,所以利用有限元方法求解了全空间内轮轨非Hertz接触的影响系数,并对Kalker的非Hertz接触理论做了修正.在保证计算效率的前提下,以30t轴重重载铁路CHN75钢轨和LM磨耗车轮踏面为例,采用修正的非Hertz理论及轮轨接触分区模型P_M(partition model)分别计算了轮对横移量为0~8mm时的轮轨接触斑面积及接触斑应力.研究结果表明,用有限元法计算出的影响系数大于Bossinisqe-Cerruti公式求出的影响系数,并且在轨距角处的影响系数大于轨顶处.修正的非Hertz理论计算出的法向应力和接触斑面积始终要比P_M模型计算出的法向应力略大一些,且随轮对横移量的增加,两种轮轨法向接触模型计算出的法向应力和接触斑趋势一致.当横移量为0~4mm时,最大接触斑面积可达173.75mm2,轮轨型面较为匹配;当横移量持续增大时,由于车轮与钢轨轨距角接触,接触面积急剧降低,同时法向应力急剧增大.     

轮轨几何接触数值解法的分析与改进

给出了轮轨三维几何约束的数值求解原理,分析了迭代初值对于数值解拟真性的影响,在此基础上提出了一种迭代初值的求解方法,提高了数值解的拟逼性.以我国LM磨耗形踏面和P60钢轨以及S1002和UIC60钢轨的组合为例进行了仿真计算.     

重载钢轨磨耗预测模型及接触斑网格密度研究

基于车辆-轨道耦合动力学及轮轨滚动接触分析,结合材料磨损理论建立了钢轨磨耗预测模型,编制了计算程序,可实现钢轨磨耗具体分布及发展的定量预测分析.鉴于轮轨接触斑离散化网格密度在预测模型中的显著影响作用,从接触力、磨耗分布等方面对这一因素的影响机理进行分析,探讨合理的接触斑网格密度.研究结果表明:网格密度不影响计算结果的正确性,但是稀疏的网格密度得到的蠕滑力及磨耗分布存在较多尖锐形状突变,增大密度可提高精度及磨耗分布平滑性,但会成倍增加计算代价;网格密度20×20时,钢轨磨耗速率变化由剧烈趋于稳定,继续增大密度改善效果已不明显,建议预测模型中接触斑网格密度取20×20,在确保精度的同时尽可能拥有较高计算效率.     

机车车辆轮轨接触问题的数值模拟

按照机车、车辆车轮与标准轨道的实际几何关系建立了三维有限元模型，并采用有限元参数二次规划法求解轮轨弹塑性接触问题．通过弹塑性接触计算，得到了大量的轮轨接触力、接触状态和轮轨应力的数据，根据计算结果分析比较了机车轮轨接触和车辆轮轨接触的区别，对轮缘贴靠钢轨形成两点接触时的接触情况进行了初步分析.     

轮带式连铸机结晶器的流场

利用k-ε紊流模型和水模型对结晶器流场进行了数值和物理模拟。结果表明:钢液对坯壳冲刷速度的最大值发生在结晶器入口附近回流区,其值达拉坯速度的2.52倍,并且流动模式不随拉坯速度变化。