轮轨黏着系数对钢轨直裂纹瞬态扩展行为的影响

采用ANSYS/LS-DYNA建立了含有钢轨直裂纹的三维显式有限元模型,考虑了高速条件下轮轨间的瞬态滚动接触和裂纹面之间的滑动接触,于时域内分析了轮轨滚滑作用下裂纹面之间的瞬态法、切向接触和裂尖动态应力场强度因子。轮轨接触和裂纹面间的接触,均采用“面-面”接触算法定义,切向接触满足库伦摩擦定律。裂尖应力场强度因子采用虚拟闭合法计算,不考虑裂纹面之间的间隙,即两个裂纹面上的离散节点完全重合。牵引工况的计算结果表明,滚滑状态下的轮轨法、切向接触力不随轮轨黏着系数的增加而变化,但裂纹面间的最大法、切向接触力却随黏着系数的增加而不断减小。车轮滚到裂纹时,钢轨的弯曲变形使得两个裂纹面相互挤压闭合,即K_I值为0,而K_Ⅱ最大值约为K_Ⅲ最大值的8.1倍左右。这意味着钢轨表面的直裂纹,如果可以扩展,其在无横移牵引工况下的扩展应该以Ⅱ型撕裂为主导。随着粘着系数由0.1增至0.5时,无横移牵引工况下K_Ⅱ最大值仅增大3.98%,而K_Ⅲ最大值反而降低20.8%。     

轮对运动状态对轮轨滚动接触应力的影响

分析计算了锥型踏面轮对沿轨道滚动接触时轮轨接触几何参数和不同运动状态下的轮轨之间的刚性蠕滑率.根据确定的轮轨接触几何参数和轮轨接触界面之间的蠕滑率,利用非Hertz滚动接触理论分析计算了锥型轮对和钢轨滚动接触斑作用力的分布.再利用弹性力学中Bossinesq-Cerruti力/位移计算公式并借助Gauss数值积分方法,确定了轮轨滚动接触时体内的弹性位移、应变和应力随轮对运动状态变化情况.数据结果为轮轨强度设计提供了重要的参考依据.     

两种型面轮轨滚动接触蠕滑率/力的比较

本文从数值方面详细分析了两种型面轮对和轨道在滚动接触过程的接触几何、蠕滑率和蠕滑力.在利用Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论进行轮轨蠕滑力分析时,首先利用有限元方法确定了因轮轨的弹性变形而引起轮轨接触点处的弹性位移差.并利用弹性位移差修正Kalker理论中由Boussinesq和Cerruti公式确定的力和位移的影响系数,使本文的数值过程能考虑到轮轨结构变形对轮轨接触斑的影响.通过计算分析可知,在轮对运动状态相同的情况下,磨耗型轮对和轨道之间的力学行为与锥型轮对和轨道之间的力学行为相比,存在较大差异.数值结果有助于进一步分析轮轨之间的磨耗、滚动接触疲劳和轮轨使用寿命,为采取相应措施提供理论依据.同时发现目前我国铁路所采用的1/40轨底坡与目前正在全面推广使用的磨耗型轮对不是处于最佳匹配状态,有待进一步改进.     

两种轮轨接触应力算法对比分析

选择我国高速车轮LMa踏面及其运营磨耗后实测得到的踏面外形与我国标准CN60钢轨匹配,分别采用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及其数值程序CONTACT和三维轮轨接触有限元模型,计算了轮轨接触斑面积、接触压力和接触应力等,并对两种算法所计算的结果进行了对比分析。计算结果表明：CONTACT程序计算得到的轮轨接触斑面积小于有限元计算结果,但CONTACT计算得到的轮轨间最大接触压力和最大等效应力大于有限元结果,尤其在车轮轮缘贴靠钢轨时两者差异更为明显。而当车轮与钢轨在接触点处的曲率半径远大于接触斑的几何尺寸时,CONTACT和有限元法得到的结果差异较小。车轮磨耗后轮轨接触容易发生多点接触,CONTACT和有限元法计算轮轨多点接触得到的结果相差非常大,CONTACT程序不宜用来解决此类接触问题。     

轮轨摩擦接触下钢轨多裂纹相互作用研究

利用热机耦合有限元法,建立了轮轨摩擦接触时钢轨表面多裂纹的热弹性平面应变有限元模型。数值模型中,考虑轮轨摩擦温升对轮轨材料参数的影响,通过移动载荷和热源来模拟运动车轮对钢轨的作用。分析了轮轨滑动接触时多裂纹相互作用和表面裂纹数量对钢轨疲劳裂纹扩展特性的影响。计算结果表明：与单个裂纹相比,多裂纹有降低钢轨疲劳裂纹扩展的作用;钢轨裂纹尖端应力强度因子K1和应力强度因子范围?K2均随裂纹数的增多而减小;钢轨表面裂纹数为5条时可以反映更多裂纹时的裂纹扩展特性。     

钢轨接头轨缝对轮轨接触应力的影响

利用有限元软件ANSYS建立了钢轨接头端处轮轨弹塑性接触有限元模型,分析计算钢轨材料弹塑性接触应力和变形随轮轨接触点到轨缝距离变化的情况,数值结果并与Hertz接触理论的结果进行了比较。数值结果表明:Mises等效应力、最大主剪应力、塑性区和变形越靠近轨缝越大;最大等效应力和最大主剪应力的位置随接触点到轨缝距离的减小而接近轨面;在靠近钢轨接头处,钢轨几何形状突变,已不满足Hertz接触理论的假设条件,所以Hertz接触理论不适合轮轨接触应力和变形分析。     

全轮对曲线通过时的瞬态滚动接触行为模拟研究

采用显式有限元法建立了我国某地铁系统R300 m曲线段的全轮对三维轮轨瞬态滚动接触模型,在时域内数值模拟了轮对曲线通过时的瞬态滚滑行为,详细分析了自由轮对滚过无不平顺的光滑钢轨和单侧钢轨存在波磨时两侧轮轨间的接触力、接触应力、相对滑移和黏滑区分布及摩擦功等结果。相比以往直线轨道的半轮对和全轮对滚动接触模型,该模型将曲线超高、弯曲钢轨、轮对横移及侧滚等考虑在内。光滑轮轨的结果表明：以50 km/h通过曲线时（均衡速度50.42 km/h）,外轨磨耗大于内轨,最大磨耗值约为内轨的3.1倍,且集中于轨距角附近;随着横移量的增大,外轨的接触力、接触应力及摩擦功会显著增大;这些与现场观测一致,初步验证了模型的可靠性。存在于单侧钢轨的短波波磨会引起两侧轨头摩擦功的波动,不仅会造成波磨侧轨面的不均匀磨耗,也会引发另一侧钢轨的轻微不均匀磨耗。该文计算工况下,波磨存在于内轨时引起的无波磨侧摩擦功最大波动幅值约为存在于外轨时相应结果的1.9倍,即内轨短波波磨能更有效触发无波磨侧萌生波磨;短波波磨无论发生在内轨还是外轨,两侧摩擦功波动幅值均在40 km/h~50 km/h间某速度下（略低于均衡速度）达到最小值,即波磨发展速率最低。     

车轮与高速道岔长短心轨的接触分析

针对动车组、机车车轮与高速道岔的磨耗问题,测量运行线路上磨耗后的车轮与道岔的实际几何尺寸,应用有限元方法求解车轮与道岔长短心轨的接触问题。计算了车轮与高速道岔的长短心轨部分在不同位置的接触状态,分析得出了不同工况下车轮与心轨接触斑、等效应力以及接触法向力的分布和变化规律,为道岔结构的合理设计和型面尺寸的优化提供了一定的理论依据。结果表明：JM3型机车车轮与18号高速道岔的心轨型面匹配不合理;动车组和机车车轮与心轨间的最大应力值都超过了轮轨材料的屈服极限,发生塑性变形;车轮在钢轨上的横移量影响轮岔之间的磨耗,向心轨外侧的横移量越大,磨耗越严重。     

多步非稳态载荷下钢轨滚动接触应力和弹塑性变形分析

采用弹塑性有限元法,分析了多步非稳态载荷下钢轨滚动接触应力和变形。多步载荷指的是钢轨同时受到机车和车辆车轮的反复作用或多趟列车通过钢轨。通过在钢轨表面重复移动Hertz法向压力分布和切向力分布来模拟车轮的反复滚动作用。材料循环塑性本构模型采用考虑材料棘轮效应的Jiang-Sehitoglu模型。分析结果表明:在非稳态载荷作用下,钢轨接触表面产生不均匀塑性变形而形成波状表面;多步载荷对钢轨残余应力影响不大;随着机车车轮通过次数的增加,钢轨残余剪应变、表面材料位移、波深和残余累积等效塑性应变将增大,在机车车轮通过之后,随着车辆车轮通过次数的增加,前三个量将减小,而残余累积等效塑性应变继续增大,但其增大的速率变小。随着机车和车辆车轮反复滚过钢轨,钢轨残余剪应变、表面材料位移和波深变化速率即棘轮率呈衰减性。     

三维轧制问题接触应力的数值分析

本文采用修正刚塑性有限元法计算了三维轧制问题的接触应力,并分析和讨论了不同长高比时接触应力沿轧件纵向和横向的分布情况。计算结果与实验结果相吻合。     

三维弹塑性接触边界元法对摩擦的处理

本文建立了三维弹塑性接触问题的边界元法。采用两种摩擦模型计算了轧制过程中弹塑性体和弹性体的接触变形过程，并对两种摩擦模型的计算结果进行了比较。计算结果表明两种摩擦模型均能很好地反映实际情况     

弹塑性接触边界元法模拟轧制过程

本文用作者开发的弹塑性接触边界元法首次模拟轧制过程。轧辊为弹性体,轧件为弹塑性体,视轧制为有摩擦的弹塑性接触问题,用最少的假定模拟了轧制过程,为分析轧制过程提供了一个有效而精确的数值解法。