应用ANSYS分析轨道板温度力

■ 杨娜 吴明

杨娜：南京铁道职业学院苏州校区，助教，江苏 苏州，215137

吴明：南京铁道职业学院苏州校区，讲师，江苏 苏州，215137

1 概述

无砟轨道结构主要分为板式和枕式结构。板式结构中的混凝土轨道板直接受大气影响而产生温度变化。混凝土是敏感性材料，热传导性能差，其温度变化导致轨道板出现伸长、收缩和翘曲变形。这些变形受到轨道板上部结构的钢轨和扣件、板下基层和接触面的摩擦阻力、基层反力、板自重和相邻板等约束作用时，板内产生温度应力。温度应力是轨道板产生裂缝、影响轨道结构功能的重用因素之一。温度骤降产生收缩应力可使早期强度较低的轨道板开裂，持续升温则可使轨道板或毗邻结构受到高压应力。正温度梯度下产生的温度翘曲应力可接近或者超过列车荷载应力。轴向拉应力和翘曲应力的共同作用往往是轨道板出现开裂的主要原因。

目前，国内对此方面的研究甚少，设计人员主要是参考国外的设计经验和国内相关专业的做法进行设计，但其合理性和实际情况相差多少是个未知数。应用ANSYS有限元软件分析温度荷载对轨道结构的受力影响，以P4930型轨道板为例，分析温度荷载作用下的应力分布及变形情况，为板式结构无砟轨道设计提供参考。

2 轨道板有限元分析模型建立

2.1 几何模型

选取P4930型轨道板进行温度分析，其为平板型轨道板，尺寸为4 930×2 400×l90 mm。轨道板上层结构分为2层：轨道板，厚度190 mm ；CA砂浆层，厚度50 mm。材料参数见表1。

在热与结构的耦合分析中，主要考虑温度相对稳定时的翘曲应力，可利用对流系数直接求出温度分布。ANSYS软件中对热应力分析推荐采用顺序耦合分析，先进行热分析计算，将计算所得的节点温度施加到结构单元上的节点，再求解温度应力。

2.2 计算步骤

（1）热分析。选定单元类型，建立三维模型，轨道板和CA砂浆层选用solid70；设置参数，输入回弹模量、泊松比、密度及导热系数。三维模型中层间完全连续，采用体（volume)与体的黏结（glue）；将材料属性施加到体上后划分网格，采用扫略网格。按对流系数施加温度荷载，即温度沿板垂向均匀变化；求解得到各节点的温度分布。

（2）计算温度应力。将热单元转换为相应的结构单元，加入热膨胀系数，读入热分析结果。施加约束，模型中设置的CA砂浆层底面节点的各个自由度为零，在X、Y、Z方向分别进行耦合，进行求解。

（3）后处理。利用通用后处理器，求得最大拉（压）应力、最大位移和其位置，通过彩色云图了解任意横截面上某一方向应力的分布情况。上下板温差为10 ℃时的翘曲位移见图1。

表1 材料参数

2.3 分析温度应力

通过ANSYS计算，得到最大温度翘曲拉应力约在轨道板纵横向边缘。上下板温差为10 ℃时的板纵向应力见图2。

3 模型验证

温度力作用下轨道板应力极值及位移量见表2。

根据参考文献[1]给出的温度力计算方法，计算轨道板上下表面温度差为10 ℃时，P4930型轨道板的温度力，得到板中最大拉应力为：

图1 翘曲位移

图2 板纵向应力

表2 轨道板应力极值及位移量

轨道板的板端最大缩短量为：

板中最大压应力为：

轨道板的板端最大伸长量为：

轨道板上下表面温度差为10 ℃时，ANSYS模型应力计算结果比上述方法略大，而变形略小，这是因为建模时只选择对轨道板和CA砂浆层进行分析，没有考虑基层垫板作用对轨道板和CA砂浆层应力产生的影响。另外，模型尺寸、材料参数的选取也对结果有一定影响。

4 结论

（1）采用有限元软件ANSYS，通过其耦合功能，求出最大温度应力及其位置。

（2）利用模型求出的温度应力与理论计算值有一定出入，是由于网格划分、约束条件、参数选取、模型尺寸等因素造成，可通过施加约束方程、调整边界条件、建立接触单元等得到更接近的真实值。

[1]王荣森. 板式无砟轨道温度力研究[D]. 成都：西南交通大学，2007

[2]高俊英. 土质路基上CRTS-Ⅰ型板温度力分析[D]. 成都：西南交通大学，2008

[3]龚曙光. ANSYS工程应用实例解析[M]. 北京：机械工业出版社，2003

[4]何小高，卢先荣，徐海. 应用ANSYS分析刚性路面的温度应力和荷载应力[J]. 公路与汽运，2004(6)