基于三维弹性体滚动接触理论的轮轨非平面接触算法

基于Kalker的三维弹性体滚动接触理论,结合轮轨非平面接触几何关系,提出了最小余能方程中影响系数的修正公式。考虑轮轨非平面接触时法向与切向存在的相互作用,对最小余能方程进行离散化。以总余能最小为目标,将离散方程的求解转化为非线性规划问题,并提出了求解算法。利用有限元方法验证了所提算法的准确性。最后,研究了钢轨在不同磨耗状态下的轮轨接触特性。结果表明,在不同磨耗、相同横移量条件下,随着磨耗的增加,轮轨的轨距角接触由两点接触过渡至共形接触,最大接触应力减小,接触斑变得狭长,接触面积增大。     

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.     

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.     

柔性轮对的轮轨接触参数分析

只考虑轮对弯曲振动下的结构柔性,建立了把车轴考虑成铁木辛科梁的柔性轮对简化模型,用格林函数求解其在稳态谐波力作用下的运动方程,从而求出车轮倾斜角位移.根据轮轨接触几何约束关系,用解析方法推导了柔性轮对与钢轨接触几何的约束方程组,对该约束方程组进行求解,得到轮轨接触几何参数,并与相应的刚性轮对轮轨接触参数进行了对比,讨论了轮对弯曲变形对轮轨接触点位置及其接触参数的影响.结果表明,当轮对横移量超过5mm时,轮对的结构柔性会导致轮轨接触参数发生明显变化;该简化模型可以有效地解决需要考虑轮对柔性的轮轨接触计算问题.     

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.     

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。     

轨枕空吊对钢轨焊接不平顺区轮轨接触的影响

采用显式有限元法建立考虑有砟道床非线性支撑的三维轮轨瞬态滚动接触模型,于时域内再现轨枕空吊和钢轨焊接接头不平顺共同激扰下的轮轨滚动接触行为,研究了轨枕的空吊间隙和数量对焊接不平顺区轮轨瞬态相互作用的影响。结果表明:轨枕完全空吊会进一步加剧焊接不平顺区的轮轨冲击效应,进而加大了钢轨表层材料的屈服变形,且屈服程度随空吊轨枕数量的增长而增长;焊接接头处2根毗邻轨枕完全空吊条件下,法向轮轨力、瞬态接触应力、接触斑面积和von Mises等效应变等轮轨接触参数较无轨枕空吊时分别增长14.5%、4.2%、8.5%和6.7%,轨面垂向位移的增幅达到72.0%,而接触斑内黏着与滑移区比例的变化则相对较小;当焊接接头处1根轨枕的空吊间隙超过1.0 mm或2根毗邻轨枕的空吊间隙超过1.3 mm时,前述轮轨接触参数会随着轨枕空吊间隙增长而增长迅速,直至出现轨枕完全空吊现象。     

基于格林函数的轮轨缺陷对轮轨垂向动态相互作用的研究

在轮轨垂向耦合振动模型中,把钢轨考虑成离散支撑的连续的铁木辛科梁,用一系悬挂和二系悬挂把在钢轨上滚动的车轮、1/4构架质量块和1/8车体质量块连接起来作为简化的车辆模型。为了高效精确地研究不同车轮和钢轨缺陷对轮轨垂向动态相互作用的影响,对钢轨在移动载荷作用下的运动方程进行拉普拉斯变换,用格林函数法求解其在频域上的响应解,再通过反傅里叶变换求得钢轨在时域内的振动响应。考虑不同工况下车轮的扁疤、多边形化缺陷和钢轨的波磨缺陷,用非线性赫兹接触理论和数值迭代方法计算轮轨垂向冲击力。结果表明:应用格林函数法可以高效准确地求解轮轨垂向动态响应,为在高频范围内研究轮轨作用提供了理论基础。     

踏面磨耗对轮轨接触特性影响研究

应用有限元计算方法,以实际测试接触斑验证计算模型和方法的正确性;在此基础上,分析了踏面磨耗对轮轨接触特性的影响。首先,通过实际测试得到轮对的踏面轮廓坐标数据,根据实测数据建立有限元模型。应用感压胶片现场实测得到轮对自重时轮轨接触斑的大小,与有限元仿真轮对重力作用下的接触斑进行对比,证明有限元模型和接触参数设置的正确性。应用此有限元模型,研究了随着车辆运行里程的增加,车轮不断磨耗而发生变化的车轮型面对轮轨接触斑、接触应力的影响变化规律。结果表明:初期随着磨耗的增加,轮轨型面更加匹配,接触应力逐渐减小,磨耗速度逐渐降低;当车轮磨耗到一定程度后,接触应力和磨耗速度又快速上升。     

车轮多边形情况下轮轨接触算法

接触斑的法向应力分布是轮轨动力学分析和轮轨磨耗计算的基础。铁路车辆采用的磨耗型踏面出现多边形时,接触点处的轮轨横向曲率和纵向曲率都随接触位置的变化而变化,此时最常用的赫兹接触方法的精度难以保证。非赫兹方法的计算精度高,但其效率不能满足工程计算要求。应用非赫兹方法分析了车轮多边形引起的轮轨纵向曲率变化对接触斑的影响,发现当车轮多边形波长大于65 mm时,多边形对接触斑应力分布的影响可忽略不计。然后提出了改进的半赫兹方法,并对不同接触位置的接触斑形状和应力分布进行对比分析,结果表明：多边形波长大于65 mm时,改进的半赫兹方法在与非赫兹方法的结果保持一致的同时,大大缩短了计算时间。     

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.     

车轮型面对轮轨黏滑特性影响

利用非Hertz滚动接触理论和数值程序CONTACT分析了LM,LMA,S1002和XP55四种车轮型面与我国CHN60钢轨匹配时的轮轨黏滑特性.数值结果表明:四种车轮型面与CHN60钢轨匹配时的轮轨接触斑黏滑特性明显不同,车轮型面对轮轨接触斑面积、黏滑区分布、轮轨摩擦功等有较大影响;LM型面与CHN60匹配时的蠕滑区面积和轮轨摩擦功较大,且接触斑更容易达到饱和状态;LMA型面与CHN60匹配时的黏滑特性较佳,其接触斑面积、黏着区面积较大;S1002型面与CHN60匹配时的黏滑特性较XP55型面要好.     

不同车轮型面对地铁道岔区轮轨静态接触行为的影响

为了研究不同车轮型面对地铁9号道岔转辙器区的轮轨静态接触行为的影响,基于经典迹线法求解轮轨接触几何关系,利用三维非赫兹滚动接触理论分析接触力学特性,分析接触点对分布、道岔转辙器结构不平顺、轮轨接触几何参数和轮轨接触斑的形状、面积及最大法向接触应力等。数值计算中,考虑轮背距为1 353 mm的LM和DIN5573以及轮背距为1 358 mm的S1002这3种车轮型面,从静力学分析的角度提出地铁道岔区的最优车轮型面。研究结果表明:DIN5573车轮过岔接触点对分布较集中,结构不平顺幅值较小,直向过岔时轮对的稳定性较好但接触力学特性较差;S1002车轮侧向过岔通过能力较强,接触力学特性良好,但轮对向尖基轨侧横移时较易发生轮缘接触,轮轨表面易产生疲劳伤损;LM车轮综合匹配性能最好。     

轨底坡对运营地铁轮轨接触特性的影响分析

为研究不同轨底坡条件下实际运营地铁列车的轮轨接触特性,采用轮轨接触空间迹线方法计算分析了轨底坡对轮轨接触几何参数的影响,并建立某地铁B型车辆动力学模型,详细分析了不同线路条件下轨底坡对车辆动力学性能的影响规律.研究表明:LMCHN60轮轨匹配条件下,轨底坡在1/45～1/20范围内轮轨接触点分布连续,特别是直线段在轨底坡为1/20、曲线段在轨底坡为1/40时轮轨匹配性能良好;运营条件下车轮踏面凹磨造成等效锥度过大,轮轨接触点分布不连续,易造成异常晃车;曲线地段车轮踏面凹磨限制了轮对横向运动,导致轮对对中困难,轮轨接触匹配不良,易造成轮轨滚动接触疲劳.     

用于接触面模拟的三维非线性接触单元

提出了一种新的模拟结构缝或接触问题的三维非线性接触单元,在本构关系上,模型同时考虑了已被大量实验证实的接触面法向和切向的非线性特性,法向采用了考虑法向变形的双曲线模型,切向采用了考虑应变化的双曲线模型,模拟了接触面的粘结、滑移和开裂等非线性现象,相对于其它接触单元,本文模型避免了Goodman单元等只考虑缝面变形及法向、切向参数取值的任意性,计算结果常使法向应力出现波动和过量嵌入等缺点,并据此编制了有限元计算程序,利用此程序分析了3个典型算例,验证了模型的合理性和程序的计算精度。     

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.     

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.     

考虑微凸体基体变形和相互作用的结合面法向接触刚度模型

针对以经典Greenwood-Willamson(GW)统计模型为基础建立的结合面法向接触刚度计算模型忽略微凸体基体变形和相互作用而导致的结合面刚度计算值增大的问题,建立了一种综合考虑微凸体基体变形和相互作用的结合面法向接触刚度模型。该模型以GW统计模型计算刚度的方法为基础,根据经典赫兹接触理论和弹性理论,在微凸体的总变形量中引入单个微凸体受法向载荷作用时基体的变形函数和周围区域的变形函数,采用不动点迭代法先后推导出单独考虑微凸体基体变形或相互作用时结合面法向接触载荷和刚度的表达式。对两种变形函数进行叠加给出了含微凸体基体变形和相互作用的结合面法向载荷和刚度的表达式,进而建立了结合面法向接触刚度模型。与GW统计模型进行了对比,仿真结果表明:考虑微凸体基体变形或相互作用的结合面法向接触刚度小于GW统计模型的法向接触刚度,在微凸体高度标准偏差为0.05μm时,最小结合面平均分离距离下考虑基体变形后结合面法向接触刚度下降9.8%,考虑微凸体相互作用后结合面法向接触刚度下降23.2%,此时微凸体相互作用比基体变形对系统的总刚度影响大。随着微凸体高度标准偏差的增大,前述两因素对结合面法向接触刚度...     

地铁引起环境振动的振源加速度

分析计算了列车运行引起环境振动的振源,即轨道作用于道床的振动加速度机制.建立了轮-轨-道床计算分析模型,将钢轨视为Winkler地基上无限长梁,建立并求解该梁的动力方程,得到列车移动静力产生的轨道振动加速度;根据Hertz接触理论,求得轮轨动接触力,利用Green函数模拟轨道因轨道不平顺和轮轨动接触力作用产生的变形,进而求得轨道不平顺和轮轨动接触力引起的轨道振动加速度;叠加上述两种加速度,即得列车引起环境振动的振源振动加速度;最后将理论计算结果和实测结果进行比较,吻合较好.     

高速铁路车桥耦合轮轨接触几何关系与接触力的理论推导

以接触力学为基础,运用了泰勒级数及小变形理论的假设,并且结合车桥耦合接触过程中的轮轨相互挤压的变形实际情况,推导了轮轨接触几何关系。基于弹性力学及Hertz理论,运用了坐标系间的转换关系及椭圆积分理论和弹性比拟法,推导了轮轨间的法向接触力。