基于ALE有限元的轮轨稳态滚动接触分析

基于Arbitrary Lagrangian Eulerrian(ALE)有限元方法建立稳态轮轨滚动接触的三维有限元模型.该模型用接触面上相对滑移速度定义轮轨滚动接触的黏着和蠕滑条件,并在虚功率方程中通过Lagrange乘子法引入接触界面上无切向滑移约束,更好地计算分析接触斑的黏着特性.该模型不但可以考虑材料、几何和接触非线性问题,还可以考虑车轮滚动速度、轮轨的实际几何形态以及惯性力的影响,并能分析接触斑的接触应力和相对滑移速度的分布情况.用该模型对单轮对在轨道上稳态滚动时的接触状态分析表明:基于该模型计算得到的轮轨滚动接触的接触斑形态和Hertz理论的椭圆假设有较大差别;通过相对滑移速度来描述接触斑滑动和黏着状态,更有利于描述轮轨的相互作用;明显观察到接触斑里的摩擦力分布和相对滑移速度的自旋效应;接触斑里摩擦力的旋转分布对轮轨系统的振动、轮轨的黏着和磨损的产生有较大影响.     

变摩擦系数条件下的轮轨滚动接触特性分析

采用mixed Lagrangian/Eulerian方法建立轮轨滚动接触有限元模型,在轮轨间使用与滑动速度相关的变摩擦系数定义切向接触属性,改变轮对角速度定义轮轨接触不同工况。在轮轨蠕滑工况下,通过对比取常系数摩擦系数和变摩擦系数的计算结果发现:变摩擦系数对轮轨滚动接触最大接触应力和接触斑面积影响较小;但是对轮轨接触斑内最大Mises应力、最大纵向切应力、最大横向切应力和蠕滑力影响较大,特别是对最大纵向切应力和蠕滑力影响幅度近20%;对轮轨滚动接触蠕滑力矢量分布的影响也应值得注意。不同工况时轮轨蠕滑率不同,变摩擦系数条件下的轮轨蠕滑力和剪切应力随蠕滑率增大而增大,当轮轨间出现完全滑动时,轮轨蠕滑力达到极限。     

非赫兹接触下轮轨接触蠕滑力的计算

以弹性半空间非赫兹接触理论计算轮轨法向接触问题,得到比较真实的法向压力分布。在此基础上,根据修正的FastSim算法计算了轮轨在单点接触、轮缘接触和单接触斑内两点接触情况下的蠕滑力。与CON-TACT的对比表明,修正的FastSim算法在计算轮缘接触时具有比较精确的结果,在计算单接触斑内两点接触时的精度相对于Shen-Hedrick-Elkins理论和FastSim算法均有较大的提高。基于修正的FastSim算法编制了便于风-列车-桥梁耦合分析应用的蠕滑力插值数表MFTTLM。     

考虑车轮不圆的轮轨法向接触问题研究

建立了描述车轮不圆的轮轨三维模型,并假设切向接触对法向接触不产生影响,采用非赫兹接触理论探讨了车轮不圆对轮轨法向接触的影响。分析了正常情况下车轮横移量对轮轨法向接触的影响,并研究了车轮二阶不圆且滚动1/3周的轮轨法向接触变化特性。计算结果表明,接触斑外形可能有多种形状;车轮不圆会引起较大的接触应力。     

摩擦因数对地铁小半径曲线轮轨接触特性的影响

建立车辆-轨道系统耦合动力学模型,结合Kalker三维非赫兹弹性体滚动接触理论及其数值程序CONTACT,分析轮轨间摩擦因数对地铁小半径曲线轮轨接触应力及轮轨滚动接触伤损的影响。结果表明:车辆通过圆曲线段时不同摩擦因数下整个接触斑均为滑动区;摩擦因数改变对轮轨接触斑内正应力影响很小,但对切向力和Mises应力影响显著;随着摩擦因数增大,纵向及横向蠕滑力显著增加,磨耗指数及表面疲劳指数明显增大。可通过定期对钢轨打磨并对车轮进行镟修,有效降低轮轨接触应力,以减缓轮轨磨耗和轮轨滚动接触疲劳的发生。     

轮轨结构变形对高速机车单轮对牵引力矩的影响

从数值方面详细分析了轨道结构变形对高速机车单轮对牵引力矩的影响。首先利用有限元方法分析计算轮对和轨道结构变形和相应作用力之关系，确定了轮轨接触斑处单位密度作用力引起轮轨变形的影响系数。用这些影响系数修正Kalker非赫兹滚动接触理论中由Bossinesq和Cerruti公式确定的力和位移的影响系数。并分别用Kalker三维弹性体非赫兹滚动接触理论和其被修正形式分析计算了高速机车单轮对牵引力 矩。从数值结果看，轮对和轨道的结构变形对机车牵引力矩的影响是十分大的。     

钢轨打磨对轮轨滚动接触斑行为影响研究

高速铁路钢轨轨头非对称打磨有效地减缓了钢轨疲劳斜裂纹的形成与发展.利用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及数值程序CONTACT分析了钢轨轨头非对称打磨对轮轨接触斑行为的影响.结果表明,打磨后轮轨磨耗数有所增加,有利于预防钢轨疲劳裂纹的形成.     

不同摩擦系数条件下的轮轨滚动接触特性分析

以直径为860 mm的LMA踏面轮对和60 kg.m-1钢轨为例,采用有限元软件ABAQUS建立三维轮轨滚动接触有限元模型,利用集群逻辑结构的并行计算平台求解该模型,并对不同摩擦系数下轮轨滚动接触特性进行分析。研究表明:摩擦系数对接触斑面积、接触区Mises应力值和法向接触应力影响不大;随着摩擦系数的增大,接触斑黏着区面积增加,接触区内横向和垂向剪应力增大且位置向接触区表面靠近;在相同牵引力矩作用下,随着摩擦系数的增加,轮轨纵向剪应力明显增大;接触斑内摩擦力矢量的纵向分量也随之增大,轮轨摩擦力及其绕原点合力矩的纵向分量也变化明显,最大增幅超过30%,自旋力矩值也随之增大且其中心点在接触斑内沿牵引方向前移。     

轮轨滚动接触疲劳与磨损耦合关系及预防措施研究

随着我国重载与高速铁路的快速发展,轮轨滚动接触疲劳与磨损问题变得越来越严重,已成为影响铁路运输安全的重要因素.因此,采用轮轨试验装置,借助表面分析测试设备,利用三维弹性体非Hertz滚动接触理论及数值程序CONTACT,研究轮轨滚动接触疲劳与磨损机理、轮轨接触斑行为及预防措施,以减轻对轮轨的损伤.主要研究内容和结果如下.     

列车蛇形运动状态下轮轨接触特性分析

为了分析列车在蛇形运动状态下轮轨接触区域的形状、面积、轮轨接触应力和Mises应力的特性,根据有限元理论并结合ANSYS有限元软件,建立包含一个轮对的轮轨系统有限元模型,计算分析轮轨接触特性与轴重和轮对摇头角之间的关系,计算结果表明:轮对摇头角对接触特性的影响不是很明显,而轴重和轮对中心横移量对轮轨接触斑的面积和形状有着显著的影响;接触斑的形状不同于用Hertz理论得到的椭圆形接触斑。     

三种非赫兹滚动接触模型的对比研究

在轮轨损伤计算中,为了提高轮轨滚动接触解的求解效率与精度,常采用简化的非赫兹滚动接触模型.然而,此类模型的精度及适用性仍未得到充分的验证.以我国高速铁路常见的两种标准车轮型面(LMA和S1002CN)与标准CHN60钢轨的匹配状态为例,采用三种典型的非赫兹滚动接触简化模型(KP、STRIPES和ANALYN)进行模拟,...     

三种高速轮对型面的性能比较

为分析我国轮轨技术条件下LMa、S1002和XP55高速轮对型面特性,进行了稳态轮轨非赫兹滚动接触计算和车辆一轨道系统耦合动力学计算.非赫兹滚动接触计算表明:LMa型面轮对接触斑面积大,压力平坦,接触应力、轮轨接触面滑动量和摩擦功较小;S1002型面在轮对小幅横移时接触斑面积最大,但随轮对横移量增大迅速减小,接触斑压力起伏较大,接触应力、滑动量和摩擦功最大;XP55型面接触斑面积小,接触斑压力、接触应力、接触斑滑动量和摩擦功高.车辆一轨道耦合动力学仿真表明:LMa型面的车辆蛇形运动临界速度最高,S1002型面最低;LMa型面曲线通过性能最优;轨道随机不平顺激励下,S1002型面轮对横向晃动最大,SL002、XP55型面可出现轮缘接触现象;3种型面与钢轨形成的接触区域均很狭窄;XP55型面动态脱轨系数瞬态值较高.结果表明,SL002型面不适用于我国1 353 mm轮对内侧距,XP55型面性能欠佳,LMa型面最好.     

轮径差对车轮踏面磨耗和滚动接触疲劳的影响分析

轮径差缺陷的长期作用对车轮磨耗以及滚动接触疲劳影响十分显著.基于多体动力学理论建立车辆动力学模型,计算全局接触参数;基于FASTSIM算法建立局部轮轨接触模型,计算接触斑内的轮轨接触应力分布及滑动距离;将其输入车轮踏面磨耗预测模型,计算接触斑内的磨耗分布;将接触斑内的磨耗分布叠加至车轮踏面,计算4种典型轮径差影响下的车轮踏面磨耗分布、磨耗深度和磨耗速率,并基于磨耗结果进行显著磨耗工况下的滚动接触疲劳分析.研究结果表明:随着轮径差的增大,踏面磨耗深度和磨耗速率显著加快;不同类型的轮径差均会导致车轮踏面发生偏磨,其中等值同向轮径差最明显,单个轮对轮径差次之,等值反向轮径差最小;轮径差会导致轮对发生偏移且显著增大轮对横移量,从而使滚动接触疲劳区域扩大,这不仅会降低车轮使用寿命,还将严重影响车辆高速运行安全,应及时监测并镟修.     

大功率机车轮轨接触应力计算分析

轮轨关系是大功率机车车轮国产化的重要研究内容。轮轨接触应力分析是轮轨接触问题的基础。大功率机车轮对在运行过程中相对钢轨断面产生不同横移,直接影响轮轨接触应力。应用轮轨非线性接触理论及并行计算技术,构建大功率机车轮轨接触应力分析的大规模有限元模型,并在中国科学院研究生院计算地球动力学实验室的网络集群并行计算环境下完成有限元计算,研究了轮对横移量对大功率机车轮轨接触应力影响。计算结果表明,轮对不同横移时,车轮踏面内均出现塑性变形,塑性变形从车轮踏面内约6 mm处延伸至接触表面。轮轨接触斑的横向长度与接触面积随轮对横移量的变化有着相同的变化规律。随着横移量的改变,多数情况下的轮轨接触斑形态与Hertz理论的椭圆假设有较大差别。     

速度400 km/h轮对初始旋转惯性对滚动接触有限元模型的影响

基于显式动力学有限元方法所建立的三维轮轨滚动接触模型是研究高速铁路轮轨相互作用的有效工具。该模型既考虑轮轨的真实几何形状(包括不平顺)和材料非线性，又详细考虑轮轨间的几何接触关系和轮轨系统的纵向动力学性能，得到广泛的应用。在具体实现模型仿真时，采用隐式-显式相结合的办法。传统的做法是，隐式计算时不考虑车轮的旋转，只考虑重力作用下的静态位移场，然后将得到的静态结果作为显式计算的初始条件，同时对车轮施加前进速度和转动角速度以及转矩等条件，求解轮轨的相互作用。大量文献表明，用这种做法来启动显式动力学求解，会产生剧烈的初始瞬态响应，导致求解时间过长，甚至不收敛，尤其在速度高达400 km/h时。基于此，对上述模型进行了改进，在进行隐式计算时，首先考虑车轮的旋转，得到车轮在离心力作用下的位移，在此基础上再考虑车轮受重力作用与钢轨发生接触，得到接触斑、法向接触应力以及车轮的应力应变等，然后将更新后的结果作为显式计算的初始条件进行显式动力学求解。算例表明：改进后的模型可大大减小初始瞬态响应，减少有限元节点和网格数，从而加快计算的收敛过程，提高计算效率；轮轨力频谱存在无衰减频带，在该频带内轮轨力随着模...     

简谐激励下轮轨非稳态滚动接触的蠕滑力特性

轮轨非稳态滚动接触是指接触斑内的质点在滚动接触过程中,接触斑的外形和其他参数产生快速变化的过程,这时运动波长L与接触斑纵轴半径a处于同一数量级。本文使用Kalker三维滚动接触理论计算轮轨蠕滑率、法向力、钢轨轨面接触几何简谐激励时的非稳态蠕滑力,并与由稳态滚动接触理论计算的结果进行比较。其结果表明:在小蠕滑状态下,非稳态滚动接触的蠕滑力随L/a(简称波长比)的增长而产生明显的幅值衰减和相位滞后。在蠕滑率和钢轨轨面接触几何简谐激励时,非稳态蠕滑力的变化规律可用波长比L/a的传递函数描述,而法向力情况却不能。对于短波波磨等非稳态滚动接触行为,应使用非稳态滚动接触理论进行分析。     

大轴重货运交流传动电力机车轮轨接触研究

根据机车轮对和轨道的实际尺寸,考虑材料非线性和接触非线性,建立轮轨接触弹塑性有限元模型。基于此有限元模型,分析计算了车轮材质不同对轮轨接触的影响,以及牵引力对轮轨接触的影响,得出了接触斑、接触应力等的变化规律。     

基于ALE方法的高速轮轨黏着特性仿真及试验验证

根据全尺寸高速轮轨关系试验台,建立基于ALE方法的轮轨滚动接触三维有限元模型,仿真分析干燥条件下高速轮轨黏着特性曲线,并采用试验台的高速黏着试验结果对其进行验证。在此基础上,分析高速条件下从制动到牵引工况变化过程中的轮轨接触斑状态、摩擦力分布、Mises应力分布等的演变规律。结果表明:有限元模型可用于模拟干燥轮轨接触表面条件下的高速轮轨黏着特性;黏着轮从自由滚动状态(全黏着)到最大牵引力(全滑动)过程中,轮轨接触斑从靠近轮缘的一侧进入滑动状态并逐渐扩大到整个区域,而制动工况时则从远离轮缘的一侧进入滑动状态;摩擦力从黏着轮自由滚动时的自旋分布状态逐渐变化为趋于一致方向,纵向蠕滑力达到饱和;Mises最大应力点由黏着轮自由滚动时的接触表面以下2 mm处逐渐转移到接触表面,应力更加集中。     

轮对/轨道滚动接触蠕滑率/力分析

用数值方法定量地分析了铁路货车单轮对运动的过程，获得了轮轨滚动接触蠕滑率／力变化情况，在轮轨滚动接触蠕滑率／力关系分析方面，利用了Ｋａｌｌｋｅｒ的三维弹性体非赫兹滚动接触计算模型。     

函数型摩擦系数条件下轮轨滚动和滑动接触的热机耦合分析

以直径为860mm的LMA型踏面轮对和60kg.m-1钢轨为例,在考虑轮轨间热传导以及轮轨与环境间的热传导和热辐射基础上,采用非线性有限元分析软件ABAQUS提供的mixed Lagrangian-Eulerian方法建立轮轨接触的热机耦合有限元模型,并采用隐式和显式相结合的方法分析轮轨滚、滑动接触工况下的热机耦合问题。结果表明:轮轨滚动接触时,轮轨间的摩擦温升较小、不影响轮轨表面的材料性能,工程上可以忽略其温度对轮轨接触特性的影响;轮轨滑动接触时,轮轨间的摩擦温升足以改变轮轨表面的材料性能,进而影响摩擦系数,且不同摩擦系数对轮轨接触热机耦合特性影响也较大,因此采用与相对滑动速度、温度和载荷等因素相关的函数型摩擦系数可以准确分析轮轨滑动接触的热机耦合特性。