基于ANSYS车轮—钢轨接头夹板接触三维有限元分析

2017-04-07 08:20:49柴成源
山西建筑 2017年6期
关键词:夹板轮轨钢轨

王 伟 祝 巍 柴成源

(1.江西现代职业技术学院建筑工程学院,江西 南昌 330095; 2.南昌市国土资源局,江西 南昌 330038; 3.中铁建设集团有限公司,北京 100040)



基于ANSYS车轮—钢轨接头夹板接触三维有限元分析

王 伟1祝 巍2柴成源3

(1.江西现代职业技术学院建筑工程学院,江西 南昌 330095; 2.南昌市国土资源局,江西 南昌 330038; 3.中铁建设集团有限公司,北京 100040)

利用ANSYS软件,建立了三维模型,研究了车轮经过轨缝时准静载作用下接头夹板的应力分布情况,并探讨了轨缝宽度对夹板应力分布的影响,为轮轨接头破坏机理及日后改进方案提供了依据。

钢轨接头,ANSYS,接触力学,应力

0 引言

钢轨接头、小半径曲线和道岔是铁路线路的三大薄弱环节,其中钢轨接头处是由夹板和螺栓连接的,这种结构连接在一定程度上破坏了钢轨的连续性,虽然目前已经有很多线路采用焊接技术对接头进行无缝处理,保证其连续性,但我国目前大多数的还都是接头类型。文献表明,当车轮滚到接头时,在这种冲击作用下会产生附加动荷载,这些附加动荷载可达到正常轮载的2倍~3倍,严重时可达4倍~5倍,因此接头处的破环比其他部分更加可能发生和严重[1],所以对钢轨接头进行研究是必要的。

尽管对轮轨的研究已经有很多,接头部分的也不少,但受当时条件的限制,计算模型简化较多,离真实情况还有一定差距。随着计算机及数值计算方法的发展,特别是商业软件ANSYS功能的相对壮大,在其他领域已经得到应用,模拟结果与实验值比较,误差在许可范围内,效果很不错,所以本文利用ANSYS来模拟车轮—钢轨接头的接触行为,建立接近真实的三维有限元模型进行准静载作用下的应力分布研究,以及探讨其影响因素,为车轮、钢轨和接头连接件的制造、性能的改进、耐久性的提高提供有效的依据。

1 三维有限元模型

轨道上钢轨与钢轨之间用夹板与螺栓连接,形成钢轨接头,是轨道结构薄弱环节之一。其中夹板的作用是夹紧钢轨,在竖直荷载作用下,具有较大的抵抗弯矩和横向位移的能力。夹板上下两面的斜坡,能锲入轨腰空间,但不贴住轨腰,当夹板稍有磨耗,以致连接松弛时,仍可以重新旋紧螺栓,保持接头连接的牢固。夹板一般常用形式是双头对称式,本文也将选用此为研究对象。每个夹板上有6个螺栓孔,圆形与长圆形孔相间布置,圆形螺栓孔的直径略大于螺栓直径[2]。

由于实际钢轨比较长(25 m),考虑了计算机计算速度、夹板长度及研究方向,根据圣维南原理,取距离轨缝两侧450 mm长的钢轨作为研究对象。钢轨接头计算模型取60 kg/m的钢轨,在ANSYS中,由低级到高级,从点、线、面到体,建立钢轨接头的三维模型,并采用拉伸技术形成实体模型。用实体Solid92-10节点实体单元划分网格[3]。设置两个接触对,车轮与钢轨、钢轨与夹板,夹板与螺栓进行耦合处理,摩擦系数均为0.3。为了简化计算,本模型在钢轨底面进行约束,车轮两侧沿x,z方向的约束。在钢轨中心线对应的轮心轴下节点处施加y负方向的80 000 N准静载。

文中取60 kg/m的钢轨,轨缝初值8 mm,轮对采用KKD客车车轮,LM型踏面,轮径D=915 mm,材料密度为7 800 kg/m3,泊松比为0.3,弹性模量为2.10×1011,强化模量为2.10×1010,屈服应力为880 MPa,单元数为133 858,节点数为158 653,模型与网格划分如图1,图2所示。

2 计算结果及分析

2.1 准静载作用下接头夹板的应力分布

经计算可以得到轮子与钢轨接触处,钢轨与夹板上面,钢轨与夹板下面,夹板与螺栓连接处均会先出现应力,如图3,图4所示。其中夹板下面与钢轨接触处,应力值较大,其接触区域应力值约为689 MPa~804 MPa,部分位置达到屈服极限值出现局部塑性变形。由图5可以看出夹板中部,特别是夹板螺栓孔附近的应力水平也比较高,而且在相同外力作用下,各螺栓孔周围的应力分布也有差别,其应力最值约为459 MPa~574 MPa,并与夹板上表面应力的最大值相接近。图6是在螺栓位置处铅垂截面的应力图,夹板下面与钢轨接触区,平均应力值比图4的小。综上所述,夹板上下面接触处,夹板中部,螺栓孔附近应力值较大,是最易失效的地方。

2.2 轨逢宽度对夹板应力分布影响

为了研究轨逢宽度对夹板应力分布影响,分别选取轨缝6 mm,8 mm,10 mm作为变量进行分析,得到其应力云图,如图7~图12所示。通过对比图7~图9可以看出,随着轨缝宽度的增加,应力影响区域会扩大,钢轨与夹板下面应力会增大。由图10~图12可以看出,不同的轨逢宽度对夹板中部及螺栓孔附近的应力影响不显著。

3 结语

本文利用ANSYS来模拟车轮—钢轨接头的接触行为。用一个比较接近真实的有限元模型进行准静载作用下的应力分布研究,以及探讨影响因素,研究表明:夹板下面与钢轨接触处,应力值比较大;夹板中部,特别是夹板螺栓孔附近的应力水平也比较高,而且在相同外力作用下,各螺栓孔周围的应力分布也有差别;夹板上下面接触处,夹板中部,螺栓孔附近是夹板的薄弱位置;随着轨缝宽度的增加,钢轨与夹板下面应力也会增大;轨缝宽度的变化对夹板中部及螺栓孔附近的应力影响不大。

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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 伟(1990- ),男,助教

U270.11

A

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