基于ANSYS車輪—鋼軌接頭夾板接觸三維有限元分析

王 偉 祝 巍 柴成源

(1.江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330095； 2.南昌市國土資源局，江西 南昌 330038； 3.中鐵建設(shè)集團有限公司，北京 100040)

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基于ANSYS車輪—鋼軌接頭夾板接觸三維有限元分析

王 偉1祝 巍2柴成源3

(1.江西現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江西 南昌 330095； 2.南昌市國土資源局，江西 南昌 330038； 3.中鐵建設(shè)集團有限公司，北京 100040)

利用ANSYS軟件，建立了三維模型，研究了車輪經(jīng)過軌縫時準靜載作用下接頭夾板的應(yīng)力分布情況，并探討了軌縫寬度對夾板應(yīng)力分布的影響，為輪軌接頭破壞機理及日后改進方案提供了依據(jù)。

鋼軌接頭,ANSYS,接觸力學(xué),應(yīng)力

0 引言

鋼軌接頭、小半徑曲線和道岔是鐵路線路的三大薄弱環(huán)節(jié)，其中鋼軌接頭處是由夾板和螺栓連接的，這種結(jié)構(gòu)連接在一定程度上破壞了鋼軌的連續(xù)性，雖然目前已經(jīng)有很多線路采用焊接技術(shù)對接頭進行無縫處理，保證其連續(xù)性，但我國目前大多數(shù)的還都是接頭類型。文獻表明，當車輪滾到接頭時，在這種沖擊作用下會產(chǎn)生附加動荷載，這些附加動荷載可達到正常輪載的2倍～3倍，嚴重時可達4倍～5倍，因此接頭處的破環(huán)比其他部分更加可能發(fā)生和嚴重[1]，所以對鋼軌接頭進行研究是必要的。

盡管對輪軌的研究已經(jīng)有很多，接頭部分的也不少，但受當時條件的限制，計算模型簡化較多，離真實情況還有一定差距。隨著計算機及數(shù)值計算方法的發(fā)展，特別是商業(yè)軟件ANSYS功能的相對壯大，在其他領(lǐng)域已經(jīng)得到應(yīng)用，模擬結(jié)果與實驗值比較，誤差在許可范圍內(nèi)，效果很不錯，所以本文利用ANSYS來模擬車輪—鋼軌接頭的接觸行為，建立接近真實的三維有限元模型進行準靜載作用下的應(yīng)力分布研究，以及探討其影響因素，為車輪、鋼軌和接頭連接件的制造、性能的改進、耐久性的提高提供有效的依據(jù)。

1 三維有限元模型

軌道上鋼軌與鋼軌之間用夾板與螺栓連接，形成鋼軌接頭，是軌道結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)之一。其中夾板的作用是夾緊鋼軌，在豎直荷載作用下，具有較大的抵抗彎矩和橫向位移的能力。夾板上下兩面的斜坡，能鍥入軌腰空間，但不貼住軌腰，當夾板稍有磨耗，以致連接松弛時，仍可以重新旋緊螺栓，保持接頭連接的牢固。夾板一般常用形式是雙頭對稱式，本文也將選用此為研究對象。每個夾板上有6個螺栓孔，圓形與長圓形孔相間布置，圓形螺栓孔的直徑略大于螺栓直徑[2]。

由于實際鋼軌比較長(25 m),考慮了計算機計算速度、夾板長度及研究方向，根據(jù)圣維南原理，取距離軌縫兩側(cè)450 mm長的鋼軌作為研究對象。鋼軌接頭計算模型取60 kg/m的鋼軌，在ANSYS中，由低級到高級，從點、線、面到體，建立鋼軌接頭的三維模型，并采用拉伸技術(shù)形成實體模型。用實體Solid92-10節(jié)點實體單元劃分網(wǎng)格[3]。設(shè)置兩個接觸對，車輪與鋼軌、鋼軌與夾板，夾板與螺栓進行耦合處理，摩擦系數(shù)均為0.3。為了簡化計算，本模型在鋼軌底面進行約束，車輪兩側(cè)沿x，z方向的約束。在鋼軌中心線對應(yīng)的輪心軸下節(jié)點處施加y負方向的80 000 N準靜載。

文中取60 kg/m的鋼軌，軌縫初值8 mm,輪對采用KKD客車車輪，LM型踏面，輪徑D=915 mm，材料密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為2.10×1011，強化模量為2.10×1010,屈服應(yīng)力為880 MPa，單元數(shù)為133 858,節(jié)點數(shù)為158 653，模型與網(wǎng)格劃分如圖1，圖2所示。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 準靜載作用下接頭夾板的應(yīng)力分布

經(jīng)計算可以得到輪子與鋼軌接觸處，鋼軌與夾板上面，鋼軌與夾板下面，夾板與螺栓連接處均會先出現(xiàn)應(yīng)力，如圖3，圖4所示。其中夾板下面與鋼軌接觸處，應(yīng)力值較大，其接觸區(qū)域應(yīng)力值約為689 MPa～804 MPa，部分位置達到屈服極限值出現(xiàn)局部塑性變形。由圖5可以看出夾板中部，特別是夾板螺栓孔附近的應(yīng)力水平也比較高，而且在相同外力作用下，各螺栓孔周圍的應(yīng)力分布也有差別，其應(yīng)力最值約為459 MPa～574 MPa，并與夾板上表面應(yīng)力的最大值相接近。圖6是在螺栓位置處鉛垂截面的應(yīng)力圖，夾板下面與鋼軌接觸區(qū)，平均應(yīng)力值比圖4的小。綜上所述，夾板上下面接觸處，夾板中部，螺栓孔附近應(yīng)力值較大，是最易失效的地方。

2.2 軌逢寬度對夾板應(yīng)力分布影響

為了研究軌逢寬度對夾板應(yīng)力分布影響，分別選取軌縫6 mm，8 mm，10 mm作為變量進行分析，得到其應(yīng)力云圖，如圖7～圖12所示。通過對比圖7～圖9可以看出，隨著軌縫寬度的增加，應(yīng)力影響區(qū)域會擴大，鋼軌與夾板下面應(yīng)力會增大。由圖10～圖12可以看出，不同的軌逢寬度對夾板中部及螺栓孔附近的應(yīng)力影響不顯著。

3 結(jié)語

本文利用ANSYS來模擬車輪—鋼軌接頭的接觸行為。用一個比較接近真實的有限元模型進行準靜載作用下的應(yīng)力分布研究，以及探討影響因素，研究表明：夾板下面與鋼軌接觸處，應(yīng)力值比較大；夾板中部，特別是夾板螺栓孔附近的應(yīng)力水平也比較高，而且在相同外力作用下，各螺栓孔周圍的應(yīng)力分布也有差別；夾板上下面接觸處，夾板中部，螺栓孔附近是夾板的薄弱位置；隨著軌縫寬度的增加，鋼軌與夾板下面應(yīng)力也會增大；軌縫寬度的變化對夾板中部及螺栓孔附近的應(yīng)力影響不大。

[1] 溫澤峰，金學(xué)松.鋼軌軌縫接觸—沖擊的有限元分析[J].摩擦學(xué)學(xué)報,2003,23(3):1-7.

[2] 陳秀方，王午生.軌道工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005：5-51.

[3] 石建奎.鋼軌焊接接頭應(yīng)力的有限元分析[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2010.

[4] Mehmet Ali Arslan,Ogvuz Kayabasi.3-D Rail-Wheel contact analysis using FEA[J].Advances in Engineering Software,2012(45):325-331.

[5] 凌桂龍，李戰(zhàn)芬.ANSYS 14.0從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

[6] 練松良，李向國.軌道工程[M].北京：人民交通出版社，2009:15-58.

[7] 曾 攀，雷麗萍.結(jié)構(gòu)的建模與分析[M].北京：機械工程出版社，2010.

[8] 楊榮山.鋼軌接頭應(yīng)力的有限元分析[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2003,38(3):1-5.

[9] 蔡 武.鋼軌接頭處輪軌接觸有限元分析[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

[10] 蔡 武,溫澤峰,金學(xué)松.鋼軌接頭軌縫對輪軌接觸應(yīng)力的影響[J].工程力學(xué)，2006,23(9)：1-7.

Three-dimensional finite element analysis of wheel-rail joint contact based on ANSYS

Wang Wei1Zhu Wei2Chai Chengyuan3

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,JiangxiModernPolytechnicCollege,Nanchang330095,China; 2.NanchangMunicipalBureauofLandandResources,Nanchang330038,China; 3.ChinaRailwayConstructionGroupCo.,Ltd,Beijing100040,China)

ANSYS is used to establish three-dimensional model. The model is adopted to study the stress distribution between joint and joint bars as well as the influence of rail gap to stress distribution of joint bars. Thereby it can be provide references to probe the failure mechanism of rail joint as well as the improvement of rail in the future.

rail joint, ANSYS, contact mechanics, stress

1009-6825(2017)06-0165-03

2016-12-20

王 偉(1990- )，男，助教

U270.11

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