轮轨热接触耦合问题的有限元分析

论文摘要

车轮踏面的擦伤和剥离是机车车辆运行过程中常常会遇到的问题。车轮和钢轨之间滑动所产生的摩擦热是引发轮轨擦伤的主要因素。踏面制动车轮温升会达到很高的温度,车轮与钢轨瞬态接触过程中由于存在较高的温差,就会对轮轨应力大小以及分布区域产生影响。探索轮轨接触温升和热应力规律对研究车轮和钢轨的热损伤和剥离具有很大的意义。本文建立了轮轨三维热接触耦合有限元模型,分别是锥型、磨耗型踏面机车车轮和LM型车辆车轮分别在60 kg/m钢轨上滑行,磨耗型踏面机车车轮滚动过程中的有限元模型。主要利用大型有限元软件MARC进行热接触耦合计算。考虑材料非线性、轴重、速度和摩擦系数的变化情况对车轮和钢轨的温度和应力分布的影响,比较了纯机械载荷作用下和热载荷作用下应力分布的差异。通过对轮轨擦伤问题的分析,得出锥型踏面机车车轮滑行时温度和应力都高于磨耗型踏面机车车轮,这说明锥型踏面机车车轮对车轮和钢轨的热损伤比磨耗型踏面机车车轮要大;机车车轮滑行时对车轮和钢轨的热损伤比车辆车轮要大。材料非线性对于在计算轮轨热接触耦合过程中的影响不可忽略;轮轨的应力和温度都随着轴重和速度的增大而升高。车轮最大应力区域与实际擦伤区域形状相似,范围略小。针对车轮滚动过程中轮轨剥离问题的瞬态分析,得出随着制动力矩的增大,车轮和钢轨的最大应力都升高;随着轴重的增大、踏面温度的升高和表面硬化层的出现都会使轮轨的最大应力逐渐增大;车轮的最大应力分布区域集中在车轮表面0~3mm左右,这与实际裂纹区域相吻合;接触力对轮轨应力大小的影响远大于热载荷对轮轨应力大小产生的影响。较大的接触应力导致车轮表面硬化层碎裂,产生裂纹,进而导致踏面剥离的发生。本文计算方法和结果将为探讨车轮踏面擦伤和剥离提供理论参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 轮轨磨耗的形式
• 1.3 热接触耦合分析的研究现状
• 1.4 本文的主要研究工作
• 本章小结
• 第二章 应用的软件与理论算法
• 2.1 软件简介
• 2.1.1 HyperMesh 软件
• 2.1.2 ANSYS 软件
• 2.1.3 Marc 软件
• 2.2 理论算法
• 2.2.1 有限单元法
• 2.2.2 接触问题的数学描述
• 2.2.3 热传导问题的数学描述
• 2.2.4 热传导问题的有限元法
• 2.2.5 热应力分析的有限元描述
• 本章小结
• 第三章 车轮滑行时的轮轨热接触耦合分析
• 3.1 机车车轮滑行时的轮轨热接触耦合分析
• 3.1.1 有限元模型的建立
• 3.1.2 比热容变化的影响
• 3.1.3 弹性模量变化的影响
• 3.1.4 磨耗型踏面与锥型踏面的对比
• 3.2 车辆车轮滑行时的轮轨热接触耦合分析
• 3.2.1 纯机械载荷工况与热接触耦合工况比较分析
• 3.2.2 热膨胀系数变化的影响
• 3.2.3 热传导率变化的影响
• 3.2.4 不同轴重的比较
• 3.2.5 不同速度的比较
• 本章小结
• 第四章 车轮滚动过程中的轮轨热接触耦合分析
• 4.1 静接触工况与热载荷作用下耦合工况比较
• 4.2 纯机械载荷作用下不同制动力矩的比较
• 4.3 热接触耦合工况不同制动力矩的比较
• 4.4 同一制动力矩下纯机械载荷工况与热接触耦合工况的比较
• 4.5 不同制动初始温度的热接触耦合工况
• 4.6 不同轴重情况下热接触耦合工况比较
• 4.7 不同摩擦系数情况下热接触耦合工况比较
• 4.8 考虑表层硬化的热接触耦合工况比较
• 4.9 综合分析
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢