车轮与曲线钢轨接触的有限元分析

分析车轮与曲线钢轨接触的应力和变形,借助于Hypermesh有限元软件,建立了磨耗后的轮轨全接触和轮轨轮缘贴靠的轮轨三雏弹塑性接触有限元模型.并应用Marc软件进行了充分的非线性弹塑性接触计算,整理并分析接触位置,以及接触Mises应力数据.此外根据计算结果,全面分析了接触斑和Mises应力的变化规律,得出了轮轨在不同...     

高速铁路无缝钢轨断缝瞬态冲击行为分析

无缝线路钢轨焊缝及其热影响区在温度力作用下可能发生钢轨折断形成断缝. 为了研究钢轨折断对列车运营安全的影响，对轮轨接触受力特性及其材料高频动态响应进行了分析. 首先，建立了ANSYS/LSDYNA三维轮轨瞬态滚动接触有限元模型；然后，根据不同速度轮轨力时域响应规律，选择了合适的模型计算工况，并且通过计算轮轨接触受力特性和材料高频动态响应，分析了车轮跨越断缝的安全问题；最后，通过小波变换获取了车轮跨越断缝时轮轨力的频域分布. 结果表明:断缝处轮轨高频冲击力峰值随断缝长度变化先减小后增大，转折点处断缝长度与行车速度负相关；车轮通过断缝时，钢轨最大剪切应力超过材料破坏极限，易导致钢轨材料脆断；轮轨力时频图中存在两个特殊频率成分，分别对应高频冲击荷载（1 500 Hz左右）及二次冲击荷载（450 Hz左右），断缝长度对轮轨力频域分布影响较小.      

新型全自动轨道巡检车动力学性能

为准确评估某新型全自动智能轨道巡检车的动力学性能,开展了轨道巡检车动力学数值仿真;轮轨接触采用非椭圆多点接触Kik-Piotrowski算法模拟,车辆系统建模过程中考虑悬挂力元非线性与轮轨接触几何非线性特性等因素,同时考虑车载设备参振影响;针对车轮踏面表面包裹高硬度聚氨酯的特殊结构,利用有限元软件ABAQUS建立了轮轨局部接触模型,采用Mooney-Rivlin橡胶模型模拟了聚氨酯特殊性质,计算了轮轨等效接触刚度;根据有限元计算结果修正了Kik-Piotrowski算法中的相关参数;基于Craig-Bampton模态综合法和多体动力学软件UM建立了车辆-轨道刚柔耦合模型;为验证仿真模型的准确性,开展了实车动力学试验;重点分析了直线和300 m小半径曲线,运行速度10~30 km·h-1工况下巡检车的振动响应。研究结果表明:车辆正常运行时,中间视觉模块垂向最大加速度大于左侧视觉模块垂向最大加速度,横向最大加速度小于左侧视觉模块横向最大加速度,车架最大加速度大于视觉模块最大加速度;车架中部易产生垂向弯曲变形,和视觉模块安装位置有胶垫减振有关;轨道巡检车在直线和300 m小半径区间运行性能整体良好,其中车辆在300 m小半径曲线段内30 km·h-1运行时,轮重减载率最大可达0.92,车架部位振动响应较大,为保证车载设备的安全性和避免车辆脱轨的风险,建议曲线段内检测速度控制在20 km·h-1左右。      

机车车辆/轨道系统垂向耦合动力学分析

考虑到多刚体系统动力学研究方法在建模及计算方面的局限性,将有限元法引入到机车车辆/轨道大系统的垂向耦合振动研究中来.为了真实模拟在轨道上不同位置的轮轨接触关系,用有限元参数二次规划法求出了轮轨等效接触刚度曲线,建立了统一的机车车辆/轨道耦合系统.通过建立系统的有限元分析模型,利用精细时程积分算法求解系统振动方程,分析研究了机车车辆在无限长轨道上运行时,在轨道不平顺激扰下,轮/轨间相互作用力、机车车辆/轨道系统中各部件的振动加速度及位移变化规律.研究结果表明,该方法不但可行,而且具有其它传统方法无可比拟的优越性.     

高速磁浮车辆引起地面振动的数值分析

为预测高速磁浮列车引起的地面振动响应及其衰减规律,建立了高速磁浮车桥相互作用模型和磁浮线路桩基基础有限元模型,将磁浮车桥系统动力学仿真获得的车辆动态荷载输入基础有限元模型,计算了高速磁浮车辆引起的地面振动响应.计算结果表明:磁浮车辆引起地面振动响应的衰减规律与轮轨交通车辆的衰减规律基本一致,但在距离线路中心25 m左右没有反弹区;行车速度对磁浮线路地面振动的影响较大,当时速由125 km/h提高到430 km/h时,相同观察点处地面振动级增大约10 dB.     

抑制轮轨摩擦自激振动的扣件结构多参数拟合研究

为研究扣件结构参数对轮轨摩擦自激振动的影响，基于轮轨摩擦耦合自激振动的观点建立了小半径曲线轨道整体道床支承的轮轨系统有限元模型；通过现场测试和数值仿真验证了轮轨摩擦自激振动模型，进而基于该模型研究了扣件结构中各参数对轮轨摩擦自激振动的影响；综合考虑多因素之间的相互影响，采用最小二乘法得到了预测轮轨摩擦自激振动发生可能性的扣件结构多参数拟合方程. 研究结果表明:在整体道床支承的小半径曲线轨道上，轮轨间饱和蠕滑力引起的轮轨摩擦自激振动是诱导该区间钢轨波磨的关键因素，轮轨系统的摩擦自激振动主要发生在300 Hz和320 Hz；根据扣件结构的多参数拟合方程，在适当范围内，扣件的垂向阻尼为1000 N?s/m，扣件间距为1.0 m组合时，可以降低小半径曲线轨道上轮轨系统摩擦自激振动发生的可能性，从而降低钢轨波磨发生的可能性.      

基于mixed Lagrangian/Eulerian方法的轮轨滚动接触特性分析

为了缩短有限元方法显式计算轮轨滚动接触的时间,采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立了轮轨滚动接触有限元模型.应用该模型对轮轨接触区的单元进行细化,计算了列车在启动、运行和制动工况下轮轨的接触特性.计算结果表明:不同工况下,轮轨滚动接触区最大Mises应力、最大接触应力和接触斑面积等法向特性变化幅度均在2%以内,但接触区纵向截面中Mises应力分布及纵向剪切应力分布有较大变化;启动和制动工况下,最大Mises应力和最大纵向剪切应力位置均比自由滚动时更接近于轮轨表面;不同工况下,摩擦力大小和方向发生变化,在列车牵引和制动工况中,摩擦力达到极限时轮轨间出现完全滑动,摩擦力方向与滑动方向相反,且不同速度等级下的纵向摩擦力变化幅度也在2%以内.      

轮轨系统车轮的高频振动特性

建立了车辆-轨道-路基耦合系统振动分析模型,考虑轨道不平顺激励及轮轨接触区滤波,模拟了轮轨间随机振动垂向作用力。建立了车轮三维实体有限元模型,考虑了名义接触点、轮缘和车轮外侧3个轮轨接触位置,模拟了车轮系统在随机振动垂向荷栽作用下的高频振动特性。分析结果表明：当列车以200km·h^-1行驶在有砟轨道上时,轮缘的振动加...     

高速列车轮轨动态相互作用特征

为了探明高速铁路轮轨动态相互作用特征,运用铁道机车车辆-轨道耦合动力学理论,考虑了轮轨系统参振的影响,研究了高速运营条件下曲线轨道上的轮轨动态接触几何关系,分析了安全性指标和舒适性指标的随机振动特性。研究结果表明:在高速运营条件下,曲线轨道上的轮轨动态接触几何关系具有明显的特点,在160～300 km·h-1速度范围内,减载率及车体振动加速度的敏感波长分别为1.0～2.5 m与40～50 m,控制该波长范围不平顺对提高动车组的安全性及舒适性十分有利。     

机车车辆／轨道系统垂向耦合动力学分析

考虑到多刚体系统动力学研究方法在建模及计算方面的局限性，将有限元法引入到机车车辆／轨道大系统的垂向耦合振动研究中来．为了真实模拟在轨道上不同位置的轮轨接触关系，用有限元参数二次规划法求出了轮轨等效接触刚度曲线，建立了统一的机车车辆／轨道耦合系统．通过建立系统的有限元分析模型，利用精细时程积分算法求解系统振动方程，分析研究了机车车辆在无限长轨道上运行时，在轨道不平顺激扰下，轮／轨间相互作用力、机车车辆／轨道系统中各部件的振动加速度及位移变化规律．研究结果表明，该方法不但可行，而且具有其它传统方法无可比拟的优越性．     

磁浮列车与轮轨高速列车对线桥动力作用的比较研究

以德国Transrapid高速磁浮列车和日本新干线高速列车为基础,通过建立高速磁浮、轮轨列车与线桥动态相互作用模型,计算了不同行车速度(100～500km／h)和不同桥跨(12～32m)情形下高速列车与桥梁结构的动力响应,并进行了细致的对比分析。结果表明：磁浮列车在高速特别是超高速运行条件下的乘坐舒适性明显优于轮轨高速列车;磁浮与轮轨高速列车作用于轨道的每延米荷载大体相当;高速磁浮列车对小跨度(22m以下)桥梁的动力作用小于轮轨高速列车,而对中等跨度尤其是大跨度桥梁,轮轨高速列车较高速磁浮列车具有明显的优越性。     

轮轨接触的有限元研究

用有限元参数二次规划法来分析轮轨的接触问题，提出了研究轮轨关系问题的新方法；同时给出了用此方法计算轮轨接触区内力的结果，并指出了各接触点对的接触状态和受力情况．     

非椭圆接触面下钢轨三维弹塑性应力分析

轮轨接触应力的计算是轮轨关系的一个重要课题。建立了一个任意形状钢轨和车轮在任意点接触时,接触面形状和接触面力的计算模型,然后把计算出的接触面力作为外载施加到三维弹塑性有限元模型中,进行轨头中部应力的计算,从而构成了一个完整的计算方法。最后的计算结果表明,该方法适用于具有复杂外形特征的轮轨接触应力的计算。     

基于瞬态边界元法的箱梁声辐射

为进一步开展桥梁结构噪声的研究,基于有限元-瞬态边界元法理论,对铁路32 m简支箱梁桥进行了时域振动响应及声辐射特性分析.首先,利用有限元软件ANSYS建立轨道-桥梁有限元模型;然后,运用车-线-桥仿真程序(TTBSIM),仿真计算得到轮轨相互作用力,并作为有限元模型的外部激励进行了列车动荷载作用下桥梁的时域振动响应分析;最后,以桥梁振动响应为边界条件,利用声学边界元软件Sysnoise研究分析了由列车动荷载引起的桥梁瞬态辐射噪声,并将测点声压计算值与实测值进行了对比验证.研究结果表明,200 km/h高速列车作用下桥面板振动级明显大于桥底板和桥梁腹板,桥梁主要噪声辐射部位为桥面板;桥梁结构噪声主要集中于低频段;随距离增加,噪声幅值逐渐减小,且高频噪声衰减速度明显快于低频噪声.      

地铁车辆轮轨型面匹配分析

为了分析地铁车辆常用的LM型踏面、内侧距1 358 mm和1 360 mm的S1002型车轮踏面分别与60 kg/m钢轨匹配特性.进行了轮轨接触几何、非赫兹滚动接触、车辆轨道耦合动力学计算.轮轨接触分析表明,LM轮轨接触点能够均匀分布于钢轨型面,轮对等效锥度随轮对横移呈增大关系,接触斑面积偏小、最大等效接触应力偏大、磨...     

基于仿真的铁路车轮不圆度安全限值研究

为了研究高速列车车轮踏面不圆度的安全限值,基于车辆轨道垂横向耦合动力学理论,采用车辆动力学仿真分析软件ADAMS/Rail,建立了考虑车轮非圆化状态下的整车车辆/轨道空间耦合动力学模型。分析计算高速运行状态下常见车轮踏面不圆顺问题所导致的车辆轨道系统轮轨冲击振动特征,及其随列车运行速度的变化规律,给出了车速200～350 km/h 时轮轨作用力响应峰值与车轮不圆度之间的关系,确定了高速行车条件下车轮不圆度的临界范围。该研究可为基于轮轨作用力监测的车轮不圆顺状态识别提供理论指导。     

底座板脱空对板式无砟轨道行车动力特性的影响

采用有限元动力学软件ANSYS/LS-DYNA,建立了底座板脱空条件下车辆-轨道-路基垂向耦合振动模型,以分析底座板脱空对车辆和轨道系统动力性能的影响.计算结果表明:当底座板下纵向脱空长度小于3.125 m(脱空面积10 m2)时,对车辆及轨道系统动力响应的影响较小;当底座板下纵向脱空长度超过3.125 m时,钢轨垂向位移、转向架及车体垂向加速度显著增大,可能危及行车舒适性和安全性,因此建议底座板下纵向脱空长度限值不超过3.125 m.      

钢轨扣件失效对列车动态脱轨的影响

建立了非对称车辆/轨道耦合动力学模型,分析轨道扣件失效对车辆动态脱轨的影响,考虑离散轨枕支承对车辆/轨道耦合作用的影响,通过假设轨道系统刚度沿纵向分布发生突变来模拟扣件组失效状态,推导了考虑钢轨横向和垂向以及扭转运动的轮轨滚动接触蠕滑率计算公式,利用Hertz法向接触理论和沈氏蠕滑理论计算轮轨法向力及轮轨滚动接触蠕滑力,采用新型显式积分法求解车辆/轨道耦合动力学系统运动方程,通过数值分析计算,得到轮轨横垂向力之比、轮重减载率、脱轨危险状态的持续时间和轮对踏面上轮轨接触点位置的变化。连续5个钢轨扣件不同程度失效对列车动态脱轨的影响的数值模拟结果表明,如果失效因子从0.8增大到1.0,即钢轨扣件经历从接近完全松脱到完全松脱,钢轨扣件失效对列车动态脱轨影响呈指数规律。