（車輛工程專業(yè)論文）輪軌熱接觸耦合問題的有限元分析.pdf

摘要 摘要 車輪踏面的擦傷和剝離是機車車輛運行過程中常常會遇到的問題 車輪和鋼軌之間 滑動所產(chǎn)生的摩擦熱是引發(fā)輪軌擦傷的主要因素 踏面制動車輪溫升會達到很高的溫 度 車輪與鋼軌瞬態(tài)接觸過程中由于存在較高的溫差 就會對輪軌應力大小以及分布區(qū) 域產(chǎn)生影響 探索輪軌接觸溫升和熱應力規(guī)律對研究車輪和鋼軌的熱損傷和剝離具有很 大的意義 本文建立了輪軌三維熱接觸耦合有限元模型 分別是錐型 磨耗型踏面機車車輪和 l m 型車輛車輪分別在6 0k g m 鋼軌上滑行 磨耗型踏面機車車輪滾動過程中的有限元 模型 主要利用大型有限元軟件m a r c 進行熱接觸耦合計算 考慮材料非線性 軸重 速度和摩擦系數(shù)的變化情況對車輪和鋼軌的溫度和應力分布的影響 比較了純機械載荷 作用下和熱載荷作用下應力分布的差異 通過對輪軌擦傷問題的分析 得出錐型踏面機車車輪滑行時溫度和應力都高于磨耗 型踏面機車車輪 這說明錐型踏面機車車輪對車輪和鋼軌的熱損傷比磨耗型踏面機車車 輪要大 機車車輪滑行時對車輪和鋼軌的熱損傷比車輛車輪要大 材料非線性對于在計 算輪軌熱接觸耦合過程中的影響不可忽略 輪軌的應力和溫度都隨著軸重和速度的增大 而升高 車輪最大應力區(qū)域與實際擦傷區(qū)域形狀相似 范圍略小 針對車輪滾動過程中輪軌剝離問題的瞬態(tài)分析 得出隨著制動力矩的增大 車輪和 鋼軌的最大應力都升高 隨著軸重的增大 踏面溫度的升高和表面硬化層的出現(xiàn)都會使 輪軌的最大應力逐漸增大 車輪的最大應力分布區(qū)域集中在車輪表面0 3 m m 左右 這 與實際裂紋區(qū)域相吻合 接觸力對輪軌應力大小的影響遠大于熱載荷對輪軌應力大小產(chǎn) 生的影響 較大的接觸應力導致車輪表面硬化層碎裂 產(chǎn)生裂紋 進而導致踏面剝離的 發(fā)生 本文計算方法和結(jié)果將為探討車輪踏面擦傷和剝離提供理論參考 關(guān)鍵詞 輪軌熱接觸 擦傷 剝離 耦合 有限元 大連交通大學工學碩士學位論文 a b s tr a c t i ti sac o m m o n p r o b l e mt h a tt h et r e a ds c r a t c hd a m a g ea n ds h e l l i n gw h e nl o c o m o t i v ea n d v e h i c l ea r er u n n i n g t h ef r i c t i o nh e a tb e t w e e nw h e e la n dr a i lf o rs l i d i n gi st h em a i nf a c t o ro f s c r a t c hd a m a g e t r e a db r a k ew i l ll e a dt oah i g ht e m p e r a t u r ef o rw h e e l t h e r ei sab i g d i f f e r e n c ei nt e m p e r a t u r ed u r i n gt r a n s i e n tc o n t a c to fw h e e la n dr a i l w h i c hw i l lh a v ei m p a c t o nt h ec o n t a c ts t r e s so fw h e e la n dr a i la n dt h e i rd i s t r i b u t i o na r e a s i ti sg r e a t l ys i g n i f i c a n tf o r i n v e s t i g a t i n gt h et h e r m a ld a m a g ea n ds h e l l i n go fw h e e l sa n dr a i l st oe x p l o r et h el a w so f c o n t a c tt e m p e r a t u r ea n dt h e r m a ls t r e s sb e t w e e nw h e e la n dr a i l t h em o d e l so ft h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n ta n dt h e r m a lc o u p l e dc o n t a c ta r eb u i l t w h i c hi n c l u d i n gc o n et y p et r e a d w e a rt y p et r e a do fl o c o m o t i v ew h e e la n dl m t y p et r e a do f v e h i c l ew h e e ls l i d i n go ht h e6 0k g mr a i l t h em o d e l sa l s oi n c l u d ew e a rt y p et r e a do f l o c o m o t i v ew h e e lr o l l i n gi nb r a k i n gp r o c e s s t h e r m a l c o n t a c tc o u p l e dc o n t a c tw a ss i m u l a t e d c o n s i d e r i n gt h ef a c t o mo ft h em a t e r i a ln o n l i n e a r i t y a x l el o a d s p e e da n df r i c t i o nc o e f f i c i e n t o nt h et e m p e r a t u r ea n ds t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ew h e e la n dr a i lb yl a r g e s c a l ef i n i t ee l e m e n t s o f l w 鯽en a m e dm a r c t h ev a r i a t i o n s 硝s t e e 豁d i s t r i b u t i o n sw e r ec o m p a r e b e t w e e n m e c h a n i c a ll o a d sc o n d i t i o na n dt h e r m a ll o a d sc o n d i t i o n t h er e s u l ts h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ea n ds t r e s sg e n e r a t e df r o mc o n et y p el o c o m o t i v e w h e e lt r e a dw h e ns l i d i n ga r eh i g h e rt h a nt h a tg e n e r a t e df r o mw e a rt y p e s ot h et h e r m a l d a m a g eo fw h e e l r a i lw i t hc o n et y p et r e a di sm o r es e r i o u st h a nt h a tw i t hw e a rt y p e t h e t h e r m a ld a m a g eo ft h ew h e e la n dt h er a i lu n d e rt h el o c o m o t i v e ss l i d i n gi sm o r es e r i o u st h a nt h a tu n d e rt h e v e h i c l e ss l i d i n g m a t e r i a ln o n l i n e a r i t yf o r t h et h e r m a lc o u p l e dc o n t a c tc a n n o tb eh e e c t e d t h e s t r e s sa n dt h et e m p e r a t u r eo fw h e e la n dr a i la r eb o t hi n c r e a s e da sa x l e l o a da n ds p e e d i n c r e a s i n g t h es h a p ei ss i m i l a rc o m p a r i n gt h em a x i m u m s t r e s sa r e aw i t ha c t u a ls c r a t c ha r e a b u tt h er a n g ei ss m a l l e rw i t ht h ef o r m e r a sf o rt h ei n s t a n t a n e o u sa n a l y s i so fs h e l l i n gp r o b l e m i ti sf o u n dt h a tt h em a x i m u ms t r e s s o ft h ew h e e la n dr a i li n c r e a s e sw i t ht h eb r a k i n gt o r q u e a x l el o a da n dt r e a dt e m p e r a t u r e i n c r e a s i n gu n d e rt h em e c h a n i c a ll o a dc o n d i t i o n t h em a x i m u ms t r e s so ft h ew h e e la n dr a i l a l s oi n c r e a s e sw i t hs u r f a c eh a r d e n e dl a y e rp r o d u c i n g t h em a i m u m s t r e s sl o c a t e du n d e rt h e s u r f a c e0 3m m t h i si sc o n s i s t e n tw i t ht h ea c t u a lc r a c ka r e a t h ee f f e c to fc o n t a c tf o r c et o w h e e l r a i lc o n t a c ts t r e s si sm u c hm o r eo b v i o u st h a nt h a to ft h e r m a le f f e c t t h eh i g h e rs t r e s s l e a d st of r a g i l ec r a c k i n gf o rt h es u r f a c eh a r d n e s sl a y e r t h e r e f o r et h ec r a c k l eg e n e r a t e d w h i c h l e a d st ot h es h e l l i n g t h er e s e a r c hm e t h o da n dr e s u l t so ft h i sp a p e rp r o v i d eat h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rr e d u c i n g t h ew h e e lt r e a dt h e r m a ld a m a g e da n ds h e l l i n g k e yw o r d s w h e e l r a i lt h e r m a lc o n t a c t s c r a t c h s h e l l i n g c o u p l i n g f i n i t ee l e m e n t 大連交通大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作 及取得的研究成果 盡我所知 除了文中特別加以標注和致謝及參考 文獻的地方外 論文中不包含他人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成 果 也不包含為獲得太董鑾通太堂或其他教育機構(gòu)的學位或證書而 使用過的材料 與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在 論文中作了明確的說明并表示謝意 本人完全意識到本聲明的法律效力 申請學位論文與資料若有不 實之處 由本人承擔一切相關(guān)責任 學位論文作者鮐斫肭a 日期 多硒7 年 2 月j 1 日 大連交通大學學位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學位論文作者完全了解太羹塞通太堂有關(guān)保護知識產(chǎn)權(quán)及保 留 使用學位論文的規(guī)定 即 研究生在校攻讀學位期間論文工作的 知識產(chǎn)權(quán)單位屬大連鑾通太堂 本人保證畢業(yè)離校后 發(fā)表或使用 論文工作成果時署名單位仍然為太整塞通太堂 學校有權(quán)保留并向 國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復印件及其電子文檔 允許論文被查 閱和借閱 本人授權(quán)太董鑾通太堂可以將學位論文的全部或部分內(nèi)容編入 中國科學技術(shù)信息研究所 中國學位論文全文數(shù)據(jù)庫 等相關(guān)數(shù)據(jù)庫 進行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復制手段保存 匯編學位論 文 保密的學位論文在解密后應遵守此規(guī)定 學位論文作者簽名 身矽嘲 導師簽 日 沙7 引瑚 f 日 嘲 學位論文作者畢業(yè)后去向 工作單位 通訊地址 電子信箱 電話 郵編 t擴m r 0 彳 2 糾1 第一章緒 論 1 1 前言 第一章緒論 鐵路交通是我國經(jīng)濟快速發(fā)展的重要支柱 我國鐵路通車里程從建國初僅有的1 1 萬公里 到2 0 0 8 年底已經(jīng)發(fā)展到8 萬公里 運行速度從只有幾十公里發(fā)展到目前運營 速度已經(jīng)達到時速3 5 0 公里 我國鐵路事業(yè)的發(fā)展取得了顯著的成效 在客運快速的要 求下 我國鐵路已經(jīng)進行了六次大提速 每次的提速都對社會產(chǎn)生了重大的影響 通過 第六次大面積的提速 我國鐵路全面掌握了時速2 0 0 公里及以上線路的設計 旌工 養(yǎng) 護修理等成套技術(shù) 這標志著我國鐵路跨入了高速時代 在重載運輸技術(shù)方面 我國在 大秦鐵路大量開行了1 萬噸和2 萬噸重載組合列車 這創(chuàng)造了世界鐵路重載運輸?shù)钠孥E 伴隨著鐵路運輸業(yè)的發(fā)展 對鐵路運行車輛的要求也逐步地提高 鐵路裝備制造業(yè)的發(fā) 展面臨著很多亟待解決得問題 其中如何解決噪聲 疲勞和輪軌磨耗等等的諸多問題一 直都是諸多專家學者一直在從事的工作 輪軌關(guān)系是車輛 軌道系統(tǒng)中最基本 最復雜的一個問題 輪軌接觸應力的計算則 是研究輪軌關(guān)系的基礎 它是進一步研究車輪在軌道上的運行性能及輪軌表面損傷等問 題的理論依據(jù) 研究輪軌關(guān)系的主要問題是輪軌磨耗問題 踏面要承受重載 牽引 制 動 軌道接頭及道岔沖擊等復雜的力學環(huán)境 服役條件十分苛刻 輪軌間的相對滑動在 輪軌接觸表面產(chǎn)生大量的摩擦熱 這些熱量主要集中分布在輪軌接觸區(qū)附近 從而加劇 了車輪因疲勞 剝離等引發(fā)的車輪踏面損傷 由于大量的車輪剝離 造成了機車落輪 旋輪十分頻繁 這一方面給檢修生產(chǎn)帶來了巨大的壓力 大大縮短了車輪使用壽命 成 倍地提高了檢修生產(chǎn)成本 另一方面造成供車緊張 甚至導致剝離后的車輪因振動影響 走行部的部件 直接危及運輸生產(chǎn)安全1 1 j 輪軌關(guān)系問題的研究涉及到很多學科 包括接觸力學 彈塑性力學 摩擦學 傳熱 學 系統(tǒng)動力學等等 在現(xiàn)代鐵路技術(shù)高速 重載的運行條件下 機車的牽引 制動性 能都得到了大幅度的提高 在牽引力或者制動力超過輪軌間可用粘著時 輪軌間的相對 滑動在輪軌接觸表面產(chǎn)生大量的摩擦熱 從而導致輪軌間的熱疲勞損傷 熱應力導致輪 軌表面產(chǎn)生裂紋 造成輪軌表面損傷 在大秦線列車制動的過程中 車輪上經(jīng)常會有 火 龍 的現(xiàn)象出現(xiàn) 在高寒地區(qū)踏面制動車輪溫升會達到很高的溫度 鋼軌的溫度長期處 于零下狀態(tài) 那么車輪與鋼軌瞬態(tài)接觸過程中由于較高的溫差就會對輪軌表面損傷產(chǎn)生 很大的影響 因此探索輪軌接觸溫升和熱應力規(guī)律對研究車輪和鋼軌的熱損傷具有很大 的意義 大連交通大學 學碩十學位論文 1 2 輪軌磨耗的形式 1 鋼軌磨耗 鋼軌波浪形磨耗 簡稱波磨 是重載線路上常見的問題之一 它影響機車的粘著效 果和旅客乘坐的舒適度 在曲線地段和制動地段容易出現(xiàn) 直線地段極少出現(xiàn)波磨 鋼軌側(cè)磨 發(fā)生在曲線外側(cè)鋼軌的內(nèi)側(cè) 當機車車輛通過曲線時 由于離心力的作 用 造成輪緣貼靠鋼軌 有可能會造成輪軌兩點接觸 當車輪純滾動時 遠離回轉(zhuǎn)軸線 的輪緣與軌側(cè)接觸點存在相對滑動從而加劇輪軌磨耗 鋼軌擦傷 在機車啟動或者運行過程中 如果車輪發(fā)生空轉(zhuǎn) 那么由于車輪與鋼軌 之間的摩擦作用 會對鋼軌造成很大的損傷 使鋼軌表面破壞甚至產(chǎn)生凹坑 2 車輪磨耗 接觸疲勞剝離 在輪軌接觸面間的接觸應力作用下 踏面表層金屬發(fā)生塑性變形及 疲勞裂紋萌生并擴展的結(jié)果 呈不規(guī)則的網(wǎng)狀或魚鱗狀 其中裂紋形成是發(fā)生剝離的必 要前提 2 1 有可能進入裂縫的潤滑劑也會對剝離產(chǎn)生影響 這些潤滑劑有可能對裂紋產(chǎn) 生腐蝕 加速剝離的產(chǎn)生1 3 1 局部接觸疲勞剝離 由非金屬夾雜物處萌生裂紋致使局部剝離掉塊 剝離面常有貝 殼樣紋路 金屬疲勞弧線 它的特征是位于踏面輪軌接觸的圓周部位呈不規(guī)則的網(wǎng)狀 或貝紋狀 沿裂紋處層狀剝離掉塊1 4 j 擦傷 在踏面的局部位置有龜紋狀裂紋 裂紋周圍一般可觀察到淺色橢圓形或圓形 邊界 沿裂紋處有層狀碎裂剝離掉塊 制動時 踏面和閘瓦接觸部位因滑動摩擦或由于 實施緊急制動時制動力過大 麗產(chǎn)生抱聞現(xiàn)象 使機車慣性力大于輪軌間的粘著力 從 而車輪在鋼軌上發(fā)生滑動 都會在車輪踏面產(chǎn)生大量的摩擦熱 兩種情況下的摩擦熱可 使車輪踏面的溫度迅速達到奧氏體相變溫度以上 隨后車輪在空氣中迅速冷卻 在踏面 表層形成脆硬的馬氏體 車輪繼續(xù)運行 在輪軌接觸應力 摩擦力 垂向力 熱應力和 組織應力的反復作用下馬氏體極易發(fā)生碎裂 使車輪踏面出現(xiàn)大面積的剝離 5 j 圖1 1 為現(xiàn)場拍攝的車輪踏面擦傷圖片 2 第一章緒論 幽1 1 車輪踏面擦傷圖片 f i g1 1s c r a t c ho i w h e e l t r e a d 剝離 剝離一般發(fā)生在踏面閘瓦制動的車輪上 分布于踏面與閘瓦接觸的整個圓周 部位 是踏面發(fā)生較多的一種剝離類型 宏觀可觀察到刻度狀或龜紋狀的裂紋 裂紋沿 垂直方向向下或到一定深度處轉(zhuǎn)向 在沿裂紋處有網(wǎng)眼狀或魚鱗狀的剝離 鬣 幽1 2 車輪踏血剝躊幽片 f i g 12 s h e l l i n g d h w h e e l t r e a d 3 從材料失效角度分析 主要可以分為兩類 一類是由交變接觸應力引起的接觸疲勞損傷 另一類是由摩擦 熱循環(huán)引起的熱疲勞損傷 在制動過程中 輪一軌之間會出現(xiàn)短時摩擦 產(chǎn)生大量的摩 擦熱 車輪踏面的熱疲勞會導致其剝離 這是高速車輪晟主要的損傷形式之一 高速運 3 大連交通大學t 學碩十學位論文 行的情況下制動時 輪一軌之間的短時相對滑動會使接觸區(qū)的溫度急劇升高 甚至達到 材料的相變溫度以上 從而產(chǎn)生局部奧氏體化 在摩擦過程結(jié)束后 由于車輪與鋼軌的 散熱冷卻 車輪接觸區(qū)的溫度快速下降 產(chǎn)生局部淬火生成馬氏體組織 在熱應力和載 荷應力的聯(lián)合作用下 脆硬的馬氏體層極易產(chǎn)生裂紋 成為引起車輪熱損傷剝離的主要 根源1 6 1 通過研究發(fā)現(xiàn)降低試件的含碳量可以有效地減輕試件表面的剝離程度 但由于含碳 量的降低導致了試件硬度值的下降 使其抗磨能力相應的下降 從而增大了試件的磨損 量 因此降低含碳量來減輕車輪的剝離必將同時增加輪軌間的磨損量 可見通過改變含 碳量來減輕車輪的剝離 要在一定的范圍內(nèi)才能獲得較好的效果 現(xiàn)在研究的發(fā)展方向 主要是在降低車輪鋼含碳量的同時 在鋼中添加合適的合金元素 使其硬度值下降較小 同時這種合金元素還可以改變車輪鋼的相變特性以減少馬氏體形成的機會 這樣既可有 效減輕車輪剝離的發(fā)生 又能防止由于含碳量的降低而增加輪軌的磨損1 7 j 4 采用軸盤制動的情況 動車組采用軸盤制動 踏面不會受到明顯的熱影響 因而不會產(chǎn)生熱裂紋和由此導 致的制動剝離 動車組不設踏面制動 踏面磨耗速率小于疲勞裂紋的擴展速率 即在踏 面表層形成的疲勞裂紋不能及時消除 疲勞裂紋就沿變形流線方向向深處發(fā)展 在踏面 形成疲勞剝離裂紋和剝離掉塊 并迅速達到或超過車輪運用限度要求而停運 必須旋修 換修 鍆 盤形制動方式的采用雖然使車輪承受的熱負荷較低 但機械負荷急劇增加 動載荷 下車輪與鋼軌接觸應力將顯著增大 最大切應力位置基本在踏面下2 m m 3 m m 深度內(nèi) 與車輪剝離和剝落發(fā)生位置一致 在高速運行條件下 車輪承受的動載荷增加 因此車 輪由于接觸應力引起的接觸疲勞失效概率增加 在這種條件下 較高的接觸應力經(jīng)常超 過車輪的屈服強度 導致車輪踏面承受嚴重的變形 隨著每一次超過屈服強度的載荷循 環(huán) 材料便沿滾動方向發(fā)生塑性累計 在多數(shù)循環(huán)后則出現(xiàn)材料塑性枯竭從而達到材料 的安定極限 微裂紋很容易在塑性區(qū)最大切應力位置與基體交界面分離而萌生 8 j 實際剝離現(xiàn)象往往是多種因素的相互作用的結(jié)果 例如雨水多 濕度大的地區(qū) 加 上噴油器的頻繁使用 一方面會造成車輪空轉(zhuǎn) 使車輪滾動圓處踏面過熱 另一方面油 水對踏面剝離會起到加速的作用 根據(jù)現(xiàn)場實際的剝離情況進行有針對的分析 才能夠 有效地解決實際問題 本文針對擦傷和剝離兩種情況進行分析 為探討車輪踏面擦傷和 剝離提供理論參考 1 3 熱接觸耦合分析的研究現(xiàn)狀 車輪踏面和鋼軌表面的熱損傷是機車運行過程中常常會遇到的情況 如何利用數(shù)值 解法等方法進行合理的模擬計算 探索出引起其磨耗的因素 是國內(nèi)很多外專家學者一 4 第一章緒論 直從事的工作 早期的專家學者在輪軌接觸溫升方面做了很多的工作 主要是用拉普拉 斯變化法研究輪軌之間由于滑動引起的溫升 假設輪軌接觸的壓力為赫茲接觸橢圓分 布 熱源為瞬態(tài)靜熱源 求出了輪軌接觸區(qū)溫升的解析解 由于解析法難以求出接觸區(qū) 以外的溫升 所做的假設比較多 模型比較粗糙 所得的解也基本上屬于定性層次 所 以逐步采用有限元法計算由于輪軌接觸所產(chǎn)生的溫升 增加工程的可信度 在熱接觸耦 合分析方面 目前國內(nèi)外專家學者的研究方法可以分為以下幾種 9 1 1 1 基于有限元法進行分析 張洪武等人基于時域的逐步溫度增量分析與參變量變分原理的二次規(guī)劃算法進行 熱與接觸問題兩類問題的求解 為達到耦合分析的目的 引入迭代技術(shù)進行兩類問題的 交替求解過程 給出有限元分析的離散公式 并進一步給出兩類問題耦合分析的迭代算 法 其中接觸分析的懲罰因子是可以消除的 通過數(shù)值結(jié)果的計算 對比驗證了該文的 理論與算法 1 2 l 有限元方法按其求解過程可以分為非定常溫度場和定常溫度場有限元法 定常溫度 場有限元法輪軌接觸熱彈塑性求解過程只考慮溫度對接觸應力與應變的影響 不考慮應 力與應變對溫度的影響 求解過程中可以先計算溫度場 然后計算應力與應變場 非定 常溫度場熱彈塑性問題有限元方法中 不僅要考慮溫度對應力與應變的影響 而且要考 慮應力與應變率對溫度場的影響 即溫度場和應力與應變場是耦合的 其有限元方程也 是耦合的 與有限元法相結(jié)合的計算方法也有很多 例如基于伽遼金變分原理建立二維 非定常溫度場耦合熱彈性有限元輪軌摩擦分析模型進行分析 基于有限元法和移動熱源 法 建立輪軌摩擦非穩(wěn)態(tài)傳熱計算模型 分析車輪全滑動工況下三維模型和二維模型計 算結(jié)果的異同 以及輪載 摩擦系數(shù)和相對滑動速度對鋼軌摩擦溫升的影響 利用有限 元和有限差分混合算法 建立了輪軌滾動接觸熱耦合計算模型 模擬輪軌滾動 滑動接 觸溫升過程 考慮輪軌間非穩(wěn)態(tài)熱傳導 與環(huán)境的熱對流 熱輻射 針對輪軌光滑和不 平順兩種接觸表面情形 分析了滾動 滑動工況下輪軌界面間的摩擦溫升狀態(tài) 利用有 限元法分析因全滑動磨損時輪軌接觸斑擴大過程中的溫度場和應力場 磨損速度對熱彈 性應力場的影響 以及輪軌在熱 機械載荷共同作用下材料最易發(fā)生破壞的位置 各種 計算方法都著重分析了輪軌摩擦熱對鋼軌溫度場 位移場 應力和應變場的影響 目的 是解釋輪軌表面破壞與摩擦溫升的內(nèi)在關(guān)系 輪軌表面不平順能使經(jīng)歷短時間滑動的輪 軌表面傾向于產(chǎn)生斑點狀剝離 長時間滑動與滾動工況下表面不平順對溫度場的影響可 忽略 滑動工況的溫升較滾動工況的大 1 3 6 1 用有限元分析軟件a b a q u s 建立了輪軌接觸熱機耦合分析的熱彈性平面應變有限 元模型 考慮了材料特性和摩擦系數(shù)的溫度依賴性 采用了彈塑性和溫度位移有限元模 型研究了輪軌接觸應力和溫度場的影響 結(jié)果表明最大v o nm i s e s 等效應力發(fā)生在接觸 斑后半軸靠近接觸區(qū)的邊緣處 輪軌摩擦熱影響區(qū)主要分布在接觸表面 并隨深度的增 5 大連交通大學工學碩士學位論文 加其影響越來越小 1 7 1 8 l m e r t z k k n o t h e 研究了輪軌間的熱應力和振動現(xiàn)象 得出較高的溫度和熱應力會 減少輪軌的彈性極限 并使其在較低的機械性能下開始承受機械載荷 歸納文獻得出輪 軌摩擦溫升速度快 高溫區(qū)主要集中分布在接觸區(qū)表層 溫度梯度大 熱應力和熱影響 層被限制在接觸表面滾動接觸工況下輪軌蠕滑溫升很難達到4 0 0 c 但是車輪在鋼軌上 全滑動時 摩擦溫升能夠超過1 0 0 0 c 1 1 9 2 對于列車在制動過程中的熱耦合計算 大都采用大型有限元商業(yè)軟件進行計算 針 對盤型制動進行熱耦合的計算較多 對踏面制動進行熱耦合計算的較少 利用有限元分 析軟件a n s y s 建立了盤式制動器熱彈性耦合分析的有限元模型 揭示制動過程中制動 盤瞬態(tài)溫度場 應力場的分布規(guī)律 對高速輪軌列車制動盤的瞬態(tài)溫度場和熱應力進行 了分析研究 對幾種不同材料制動盤熱應力的影響進行了考察和熱特性的分析對比 發(fā) 現(xiàn)制動接觸壓力并非均勻分布 而是與制動盤和片的變形 摩擦力以及摩擦熱一結(jié)構(gòu)耦 合有關(guān) 通過對蠕鐵 2 5 c r 2 m o l v 和3 5 c r m 0 3 種制動盤材料在相同結(jié)構(gòu) 相同制動過 程條件下的熱應力分析 對不同材料制動盤熱應力的影響進行了考察和熱特性的分析對 比 為制動盤的設計和優(yōu)化提供了依據(jù)1 2 m 4 1 建立了高速機車軸盤制動裝置熱量傳遞模 型 分析了制動生熱對軸盤制動裝置過盈配合的影響瞄j 利用a b a q u s 軟件 對三筋 板 四筋板和散熱柱3 類結(jié)構(gòu)的合金鑄鐵 球墨鑄鐵 蠕墨鑄鐵材料制成的整體制動盤 進行了溫度場和熱應力場分析 研究高速列車緊急制動情況下整體制動盤的熱力學特 性 并且與試驗中測得的溫度場數(shù)據(jù)進行了比較 分析了材料對制動盤熱性能的影響i 硎 采用高度非線性有限元軟件m a r c 建立熱機耦合的3 d 模型 模擬了高速列車制動盤制 動過程中溫度和應力變化情況 分析了制動盤瞬時溫度場的三維分布特征及制動盤工作 面的熱循環(huán)歷程 討論了制動加載方式 制動工況和環(huán)境溫度對制動盤瞬態(tài)溫度場的影 響 分析了制動過程中溫度和應力的變化規(guī)律 數(shù)值模擬結(jié)果與1 1 制動臺架試驗結(jié)果 進行比較 兩者比較吻合 證明了數(shù)值計算的可靠性 2 7 2 9 1 對踏面制動進行熱耦合計算較少 這主要與目前輪盤制動的廣泛應用有關(guān) 有學者 利用有限元分析軟件a n s y s 分析了剎車過程中制動器和車輪之間由于摩擦所產(chǎn)生的熱 應力以及車輪和軸在安裝過程中由于摩擦力所形成的殘余應力 得到車輪和軸結(jié)構(gòu)的溫 度場圖和應力場圖 探討車輪結(jié)構(gòu)設計和合理性 州 對提速貨車的單閘瓦踏面制動過程 進行了緊急制動工況的數(shù)值仿真 定量地給出了車輪踏面溫度和應力隨時間的變化規(guī) 律 為研究車輪踏面熱疲勞提供了理論依據(jù) 并且在鐵道部四方車輛研究所在實物輪軸 試驗臺上對車輪進行了熱負荷試驗 實驗結(jié)果與現(xiàn)場出現(xiàn)的制動剝離車輪失效分析結(jié)論 是相吻合的i n j 還有的學者利用約束函數(shù)法計算高速問題中存在的熱一力耦合現(xiàn)象 約束函數(shù)法僅 考慮接觸點的接觸狀態(tài) 因此約束函數(shù)法具有較好的收斂性 建立熱一力耦合模型 提 6 第一章緒論 出了系統(tǒng)的動力學平衡方程和熱力學平衡方程 對系統(tǒng)中物體問的接觸條件進行分析 得到物體間接觸條件的數(shù)學表達式 在此基礎上 用約束函數(shù)表示接觸約束條件 應用 變分原理對約束函數(shù)進行變分 與系統(tǒng)平衡方程組成非線性方程組進行求解 3 2 l 2 基于有限元法從材料特性角度進行分析 采用美國麻省理工學院開發(fā)的a d i n a 系統(tǒng)來進行有限元建模和熱一力耦合分析 結(jié)合c c t 曲線的實測數(shù)據(jù) 研究了輪軌摩擦過程中三種不同碳含量車輪鋼踏面溫度場 的變化及其相變分布的規(guī)律 輪軌摩擦導致的車輪踏面局部升溫可超過材料的奧氏體相 變的臨界點 碳含量為o 5 時 完全奧氏體化層的深度可達0 6 m m 過冷奧氏體高速冷 卻 幾乎全部形成脆硬的馬氏體薄層 造成踏面剝離 在a d i n a 系統(tǒng)中 熱傳導方程為 c s t7 c c t i q 1 1 式中 c s 為材料的熱容矩陣 t i t 分別為節(jié)點溫度和時間導數(shù)列陣 c c 為 材料的熱傳導率矩陣 q 為熱源列陣 不考慮材料粘性 力學方程為 f m i k u f 1 2 式中 m l 為材料質(zhì)量矩陣 扣j i t 玎1 分別為節(jié)點位移和時間二階導數(shù)列陣 k 為結(jié)構(gòu)剛度矩陣 f f 為外載荷和溫度載荷列陣 通過方程 1 1 和 1 2 的相互迭代艮1 3n i 求 出熱一力耦合問題的解l 叫 3 從輪軌滾動角度進行分析 輪軌滾動摩擦是一個十分復雜的問題 滾動摩擦目前也沒有成熟的計算方法 那么 輪軌滾動摩擦耦合計算又將是一個更加困難的問題 一些學者在這方面做了一些模擬計 算 利用有限元法建立二維彈塑性非穩(wěn)態(tài)循環(huán)純滾動接觸有限元模型 用a b a q u s 有 限元軟件中自定義本構(gòu)模型 通過在彈塑性無限半空間表面上重復移動隨時間按簡諧規(guī) 律變化的赫茲法向載荷來模擬非穩(wěn)態(tài)循環(huán)純滾動接觸過程 通過數(shù)值模擬 得到接觸表 面附近的殘余累積變形 應變和殘余應力1 3 4 1 郭俊等利用有限元法建立了鋼軌三維彈塑 性滾動接觸計算模型通過在鋼軌表面反復施加移動赫茲法向壓力和切向力模擬車輪的 反復滾動作用1 3 5 j 利用三維非h e r t z 滾動接觸理論和數(shù)值程序c o n t a c t 分析了不同軸重下輪軌滾動 接觸斑上應力 摩擦功等參數(shù)的變化 2 0 世紀9 0 年代初期 k a l k e r 完成了三維彈性體 非h e r t z 滾動接觸理論 該理論從虛功原理出發(fā) 先導出最小余能原理 然后在變分原 理的基礎上采用數(shù)學規(guī)劃法進行求解 它是目前研究三維彈性體非h e r t z 滾動接觸問題 最完善的理論 也被稱為矗完全理論 c o n t a c t 程序是在此基礎上開發(fā)的相應數(shù)值 程序 它對接觸斑作用力的分布 總的作用力 粘滑區(qū)的分布 相接觸質(zhì)點對相對滑動 量 摩擦功的計算等都能給出一定精度的解1 3 6 1 利用有限元法 考慮輪軌間非穩(wěn)態(tài)熱傳導 與環(huán)境的熱對流以及熱輻射的影響 修 改和發(fā)展了有限元程序t j 2 d 采用移動熱源法來模擬輪軌接觸區(qū)的移動 通過逐步加 罩 大連交通大學t 學碩七學位論文 長熱流邊界來模擬接觸斑的擴大 隨著車輪的滾動 車輪表面及其附近區(qū)域溫度呈交變 性變化 從而導致材料受到交變的熱載荷作用而過早產(chǎn)生疲勞 隨著滾動距離的增加 由摩擦導致的溫升在起初階段很快增加 隨后逐漸具有穩(wěn)態(tài)的波動趨勢1 3 7 綜合以上文獻可以看出 上世紀九十年代有學者采用采用數(shù)值方法對輪軌熱接觸關(guān) 系進行探討 解析法逐漸被有限元與實驗研究相結(jié)合的方法取代 目前研究輪軌關(guān)系熱 耦合領(lǐng)域內(nèi)很少有采用直接耦合的方法建立三維有限元模型進行數(shù)值模擬的研究 在耦 合場分析領(lǐng)域中比較先進的研究是進行了間接耦合 既只考慮溫度場對結(jié)構(gòu)場的影響而 不考慮結(jié)構(gòu)變形對溫度場的影響 并且多數(shù)只是做的二維簡化模擬 在材料學科中 有 學者對輪軌熱耦合進行有限元模擬 但是主要側(cè)重的是材料組織的相變 最后得出脆硬 的馬氏體是產(chǎn)生剝離的主要原因 在滾動摩擦耦合方面進行研究的主要是采用改變邊界 條件和初始條件的方法模擬滾動過程進行耦合 1 4 本文的主要研究工作 本文首先采用大型有限元分析軟件a n s y s 進行了磨耗型踏面和錐型踏面機車車輪 在6 0 k g m 上滑行時的熱接觸耦合分析 利用大型有限元分析軟件m a r c 采用直接約束 法進行了l m 型踏面車輛車輪在6 0 k g m 上滑行時的熱接觸耦合分析 利用大型有限元 分析軟件m a r c 采用直接約束法進行了磨耗型踏面機車車輪滾動過程中的瞬態(tài)熱接觸 耦合分析 為探討車輪踏面擦傷和剝離提供理論參考 首先閱讀文獻和進行調(diào)研 總結(jié)國內(nèi)外文獻中車輪和鋼軌的熱接觸耦合分析的研究 現(xiàn)狀及所使用的研究方法 然后確定研究方案 進行具體的有限元計算 本文的主要工作 1 對兩種踏面機車車輪進行熱接觸耦合滑行計算 分別對比比熱容 彈性模量隨 著溫度變化的情況和不考慮材料參數(shù)隨著溫度變化車輪與鋼軌的溫度分布規(guī)律與應力 分布規(guī)律 考慮了材料特性隨著溫度變化情況 比較兩種踏面機車車輪的溫度場和應力 場 2 對l m 型踏面車輛車輪進行熱接觸耦合滑行計算 比較了純機械載荷工況與熱 接觸耦合工況車輪與鋼軌的應力場與溫度場 比較了熱膨脹系數(shù)和熱傳導率對車輪溫度 場和應力場的影響 比較了軸重不同和速度不同工況對車輪溫度場和應力場的影響 3 對磨耗型踏面機車車輪在滾動過程中的熱接觸耦合分析 對比不考慮溫度初始條件和考慮溫度初始條件的情況的靜接觸工況的接觸斑 輪 軌應力大小和應力分布區(qū)域 不考慮溫度初始條件 對比不同制動力矩下輪軌應力大小和應力分布區(qū)域 考慮溫度初始條件 對比不同制動力矩下輪軌應力大小和溫度大小 應力分布區(qū) 域和溫度分布趨勢 8 第一章緒 論 比較制動力矩一定時 考慮溫度初始條件和不考慮溫度初始條件熱接觸耦合工況 的應力場和應力分布規(guī)律 比較不同初始溫度條件下車輪的應力大小和應力分布區(qū)域 溫度分布規(guī)律 比較不同軸重情況下車輪的應力大小和應力分布區(qū)域 溫度分布規(guī)律 比較不同摩擦系數(shù)條件下車輪的應力大小和應力分布區(qū)域 溫度分布規(guī)律 對比不考慮表層硬化和考慮表層硬化熱接觸耦合工況的車輪應力大小和應力分 布區(qū)域 本章小結(jié) 本章概述了在高速重載的要求下 我國鐵路目前的發(fā)展形勢以及面臨的問題 從材 料學角度等方面總結(jié)了輪軌磨耗的形式 闡述了在熱接觸耦合問題的研究方面國內(nèi)外學 者從事的一些研究工作 介紹了本論文的主要研究工作 9 大連交通大學工學碩士學位論文 2 1 軟件簡介 第二章應用的軟件與理論算法 2 1 1h y p e r m e s h 軟件 h y p e r m e s h 是一個高性能有限單元前后處理器 能夠建立各種復雜模型的有限元和 有限差分模型 與多種c a d 和c a e 軟件有良好的接口并具有高效的網(wǎng)格劃分功能 h y p e r m e s h 是一個針對有限元主流求解器的高性能有限元前后處理軟件 工程設計人員 可以在一個極佳的交互式可視環(huán)境下對多種設計條件進行分析 該軟件的圖形用戶界面 易于學習 可以直接使用c a d 幾何數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的有限元模型 從而減少附加的冗余數(shù) 據(jù) 為用戶提供了一套完善又易于使用的工程程序 用戶可以使用各種網(wǎng)格生成工具 并使用戶能夠?qū)γ總€面進行網(wǎng)格參數(shù)調(diào)節(jié) 而且可以調(diào)節(jié)單元密度 單元偏置梯度 網(wǎng) 格劃分算法等 3 8 j 2 j 2 州s y s 軟件 a n s y s 公司是由美國匹茲堡大學的j o h ns w a n s o n 博士在1 9 7 0 年創(chuàng)建的 其總部 位于美國賓夕法尼亞州的匹茲堡 a n s y s 程序是融結(jié)構(gòu) 熱 流體 聲學于一體的大 型通用有限元商用分析軟件 可廣泛應用于核工業(yè) 鐵道 石油化工 航空航天 機械 制造 能源 電子 造船 汽車交通 國防軍工土木工程 生物醫(yī)學 輕工 地礦 水 利 日用家電等一般工業(yè)機可學研究 該軟件可以在大多數(shù)計算機和操作系統(tǒng)中運行 從p c 到工作站直至巨型計算機 a n s y s 文件在其所有產(chǎn)品系列和工作平臺上均兼容 該軟件程序主要包括三部分 前處理模塊 求解模塊和后處理模塊 前處理模塊提供了 一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具 用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型 求解模塊包括 結(jié)構(gòu)分析 結(jié)構(gòu)線性分析 結(jié)構(gòu)非線性分析和結(jié)構(gòu)高度非線性分析 熱分析 流體動 力學分析 電磁場分析 聲場分析 壓電分析以及多物理場耦合分析 可模擬多種物理 介質(zhì)的相互作用 具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力 后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等 值線顯示 梯度顯示 矢量顯示 粒子流顯示 立體切片顯示 透明及半透明顯示等圖 形方式顯示出來 也可將計算結(jié)果以圖表 曲線形式顯示或輸出 蚓 2 1 3m a r c 軟件 m s c m a r c 是功能齊全的高級非線性有限元軟件求解器 體現(xiàn)了多年以來有限元分 析的理論方法和軟件實踐的完美結(jié)合 它具有極強的結(jié)構(gòu)分析能力 可以處理各種線性 和非線性結(jié)構(gòu)分析 它提供了豐富的結(jié)構(gòu)單元 連續(xù)單元和特殊單元的單元庫 m s c m a r c 的結(jié)構(gòu)分析材料庫提供了模擬金屬 非金屬 聚合物 巖土 復合材料等多 1 0 第二章應用的軟件與理論算法 種線性和非線性復雜材料的材料模型 分析采用具有高數(shù)值穩(wěn)定性 高精度和快速收斂 的高度非線性問題求解技術(shù) 為了進一步提高計算精度和分析效率 該軟件提供了多種 功能強大的加載步長自適應控制技術(shù) 自動確定分析加載補償 還具有卓越的網(wǎng)格自適 應技術(shù) 以多種誤差準則自動調(diào)節(jié)網(wǎng)格疏密 既保證計算精度 同時也使非線性的計算 效率大大提高 對非結(jié)構(gòu)的場問題如包含對流 輻射 相交潛熱等復雜邊界條件的非線 性傳熱問題的溫度場 以及流場 電場 磁場 也提供了相應的分析求解能力 并具有 模擬流一熱一固 土壤滲流 聲一結(jié)構(gòu) 耦合電一磁 電 熱以及熱一結(jié)構(gòu)等多種耦合 場的分析能力 m a r c 是基于位移法的有限元程序 在非線性方面具有強大的功能 程序按模塊化 編程工作空間可根據(jù)計算機內(nèi)存大小自動進行調(diào)整 用戶如果對精度要求較高 可選用 雙精度進行運算 當單元數(shù) 節(jié)點數(shù)太多 內(nèi)存不能滿足需要時 程序能夠自動利用硬 盤空間進行分析 在分析過程中 利用網(wǎng)格自適應和重劃分技術(shù) 能夠變更單元的劃分 和節(jié)點數(shù)目 對于非線性問題采用增量揭發(fā) 在各增量步內(nèi)對非線性代數(shù)方程組進行迭 代以滿足收斂判定條件 根據(jù)具體分析的問題可采用不同的分析方法 如對于塑性分析 和大位移分析可采用切線剛度法 對于蠕變分析或熱應力分析可采用初應變法 柏 2 2 理論算法 2 2 1 有限單元法 有限元法是隨著電子計算機的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法 它是2 0 世紀5 0 年代首先在連續(xù)體力學領(lǐng)域一飛機結(jié)構(gòu)靜 動態(tài)特性分析中應用的一種有效地 數(shù)值分析方法 隨后很快廣泛的應用于求解熱傳導 電磁場 流體力學等連續(xù)性問題 對于不同物理性質(zhì)和數(shù)學模型的問題 有限元求解法的基本步驟是相同的 只是具體公 式推導和運算求解不同 有限單元法用于結(jié)構(gòu)分析時是把整個結(jié)構(gòu)假想地分割成有限個簡單形狀的單元 簡 稱為結(jié)構(gòu)離散 單元之間僅在指定的點 稱為結(jié)點 相連結(jié) 從而形成一個由有限個 單元組成的組合體以代替原來的連續(xù)體實際結(jié)構(gòu) 并且以結(jié)點位移來描述這些被離散出 來的單元的力學特性 然后根據(jù)結(jié)點的變形協(xié)調(diào)和平衡條件將這些單元重新組合在一 起 因此建立一組以結(jié)點位移為未知量并反映整個結(jié)構(gòu)的力學特性的線性方程組 求解 這組方程得到結(jié)點的位移 進而求得各單元的內(nèi)力和應力 有限元法的分析過程為 1 結(jié)構(gòu)離散化 所謂結(jié)構(gòu)離散 就是將結(jié)構(gòu)劃分成有限個單元和有限個節(jié)點 單元與邊界之問通過 結(jié)點連接 結(jié)構(gòu)的離散化是有限單元法分析的第一步 關(guān)系到計算精度與計算效率 是 有限單元法的基礎步驟 離散化首先要選定單元類型 這包括單元形狀 單元結(jié)點數(shù)與 結(jié)點自由度數(shù)等內(nèi)容 離散時網(wǎng)格劃分越細 結(jié)點越多 計算結(jié)果越精確 對邊界曲折 1 1 大連交通大學t 學碩七學位論文 處 應力變化大的區(qū)域應加密網(wǎng)格 集中載荷作用點 分布載荷突變點以及約束支承點 均應布量結(jié)點 同時要兼顧機時 費用與效果 網(wǎng)格加密到一定程度后計算精度的提高 就不明顯 對應力應變化平緩的區(qū)域不必要細分網(wǎng)格 單元形態(tài)應盡可能接近相應的正 多邊形或正多面體 2 單元分析 結(jié)構(gòu)離散后 應采用一定的參數(shù)來描述單元的力學特性 在有限單元法的位移法中 采用的參數(shù)就是節(jié)點位移 也就是說 結(jié)構(gòu)的變形狀態(tài)和應力狀態(tài)可以用節(jié)點位移來描 述 為了能用單元的節(jié)點位移來表示單元內(nèi)每一點的位移 應變和應力狀態(tài) 必須首先 確定單元節(jié)點位移與單元內(nèi)任一點位移之間的關(guān)系 這就是所謂的單元位移函數(shù)或位移 模式 根據(jù)所選定的單元位移模式就可以導出用節(jié)點位移表示單元內(nèi)任一點位移的關(guān)系 式 因此它也決定了相應的位移插值函數(shù) 其矩陣形式為 仃y 一 p y 式中 f e 為單元內(nèi)任一點的位移陣列 5 c 為單元的節(jié)點位移陣列 t n 稱為形函 數(shù)矩陣 它的元素是位移的函數(shù) 在選擇了單元類型和相應的位移模式后 就可以進行單元特性的分析 它包括下面 三部分內(nèi)容 利用幾何方程 由表達式 2 1 導出用節(jié)點位移表示應變的關(guān)系式 小陋 p p 式中 t 是單元內(nèi)任一點的應變列陣 b 稱為應變矩陣 利用物理方程 由應變的表達式 2 2 導出用節(jié)點位移表示單元應力的關(guān)系式 p p c b 侈p i s 協(xié)p 2 3 式中 仃 是單元內(nèi)任一點的應力矩陣 f d 適用于材料相關(guān)的彈性矩陣 s 稱為 應力矩陣 利用虛功原理 變分法或其它方法建立各單元的剛度矩陣 即單元節(jié)點力與節(jié)點位 移之間的關(guān)系 其剛度方程為 忸 e k 如p 2 4 式中 r 是單元的節(jié)點力矩陣 k 是單元剛度矩陣 它是單元節(jié)點位移和單元 節(jié)點力之間的轉(zhuǎn)換矩陣 可以導出 蚌 t d t o a 陋 d x d y d z 在以上三項中 導出單元剛度矩陣是單元特性分析的核心內(nèi)容 1 2 第二章應用的軟件與理論算法 3 計算等效節(jié)點力 離散化后 假定力是通過節(jié)點從一個單元傳遞到另一個單元 但是 對于實際的連 續(xù)體 力是從單元的公共邊傳遞到另一個單元中去的 因而 這種作用在單元邊界上的 表面力 體積力和集中力都需要等效的移到節(jié)點上去 也就是用等效的節(jié)點力來代替所 有作用在單元上的力 4 整體分析 對離散后的單元進行單元分析 僅能得出單元的節(jié)點力與節(jié)點位移之間的關(guān)系 即 單元剛度矩陣 但單元的節(jié)點力和節(jié)點位移本身并未求得 因而須將已離散的單元再 組合 起來 恢復結(jié)構(gòu)的本來面目 整體分析是以結(jié)構(gòu)的所有結(jié)點為研究對象 根據(jù)所有相鄰單元在公共節(jié)點上的位移 相同和每個節(jié)點上的節(jié)點力和節(jié)點載荷保持平衡這兩個原則 它包括兩方面的內(nèi)容 一 是由各單元的剛度矩陣集合成整體結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣 k 二是將作用于各單元的等效 節(jié)點力集合成總的載荷矩陣 r 這兩項就組成了整體結(jié)構(gòu)的總剛度矩陣方程 又稱為 結(jié)構(gòu)平衡方程組 蜘k 其中 r i q i p i e 其中 q i 為節(jié)點i