基于离散元法的钢轨粗糙型面构造及其分形特性

铁路中常用的钢轨由于制作工艺、轮轨相互作用、腐蚀等多方面的因素，导致其表面是粗糙而非光滑的。为了更加精确地表征钢轨的粗糙程度，提出一种基于离散元法构建钢轨粗糙外表型面的方法。首先，通过钢材抗拉强度试验仿真验证选取的离散元力学参数和模型的可靠性，根据规范绘制钢轨的几何轮廓，并在此基础上用不同粒径的球体颗粒填充钢轨的几何图形，实现对钢轨粗糙型面的离散元模拟。其次，对具有粗糙型面的钢轨离散元模型进行图像处理，识别钢轨的粗糙轮廓线。然后，对钢轨轮廓线进行数据提取和坐标标定，获得钢轨粗糙轮廓线的坐标数据，以便进行后续的分析和处理；最后，构造轮轨接触区钢轨顶面的凸峰高度曲线，选定评定长度(40 mm)和取样长度(8 mm)，分析其范围内外表型面的粗糙度和分形维度。研究结果表明，运用离散元法建立的具有粗糙型面的钢轨模型具有分形特性；从评定长度和取样长度2方面计算得到的钢轨粗糙度和分形维数分别相差1.46%和0.15%。运用离散元法可以模拟钢轨的粗糙型面，并且该方法是可行的。基于离散元法模拟钢轨的粗糙轮廓的方法，为进一步研究提供了新的思路，具有一定的参考价值和工程意义。