（机械电子工程专业论文）轮对加装扣环方案的结构及温度场分析.pdf

中文摘要 为了防止内燃机车轮箍弛缓造成的机车脱轨事故，郑州铁路局机务处提出 ? 橇车轮对轮篷杰娶装据巧熬方案。缌辊车轮砖轮簸攘装捣环爱导致轮鼹续椽上 的变化，对轮对在避用过穰中的应力及其分布状态会有一定的影响，刹车制动 中囊予摩擦引起的离漫也霹越使轮镱发生迟缓。竣援进行车利最，掰热垫片懿 间隙大小对轮对会宵影响，目前还没有相关的理论研究。轮箍迟缓的研究对保 障铁路运输焱全、保护匿家秘个人赋产安全，避免困迟缓造成的经滂擐失鞠社 会不良影响有十分黧大的意义。因此，有必要对机车轮对加装扣环的方案进行 理论的分析研究，必机车轮对的检修限度撼供理论依握，保证铁鼹机车安全运 行。 本文以d f 。型枞车戈例，针对郑加l 铁路燧枫务处提出豹绘组装式机车轮对轮 箍加装扣环的方案，首先对该方案进行了详细的分析，建立了相芙模型，选定 在最恶劣的王况下遴弦结构静力分耄盱，文中利用大越三维有限元分耩软件a n s y s 进行计算与模拟，模叛分析的结论蹙加装翔环对轮对的整体应力影响很小，并 对轮辋的s 型辐板形状做了一定的忧化；其次，针对由于轮辋的磨损引起加装 垫片的模型，分析了垫片阕隙大小对轮对的影晌。最后分析了在紧急制动工况 下，轮对的边界条件及摩擦热的大小，并根据实际情况建立了物理模型，对加 装翔环后静轮对迸彳予了温度场分析，确定轮对各部分的澈度分布及热应力分布。 本文的主要研究成果是：完成了对加装扣环方案的结构静力分析及紧急刹车过 程中豹溢度场分析，在最瑟劣熊工况下并没有遮缓现象发嫩，扶壤论上话鞠了 此方案是切实可行的。 疆惹，对本文豹工作遴彳亍了总结，据密了今君研究工俸的重点。 关键词：有限元，艨力场，温度场，菲线性按触分析，轮箍迟缓 a b s t r a c t t op r e v e n tt h ed i g r e s s i o na c c i d e n t sc a u s e db yl o c o m o t i v e sb a n d a g er e l a x a t i o n ， z h e n g z h o ut r a i ns t a t i o np u tf o r w a r dt h es c h e m eo fw h e e l - s e te q u i p p e dw i t hb u c k l e b u ta f t e rf i x a t i o n ，s t r u c t u r ec h a n g e sw h i c hc e r t a i n l yc h a n g e st h es t r e s sa n di t s d i s t r i b u t i o nf o rac e r t a i ne x t e n tw h e nm o v i n g a n dt h eh i 【曲t e m p e r a t u r ec a u s e db y f r i c t i o nd u r i n gb r a k i n gm a y b el e a dt ot h eb a n d a g er e l a x a t i o n a f t e rc u to ft h ew h e e l r i m ，t h eg a po ft h eb e a r i n gs t r i pa f f e c t st h es t r e s sv a l u e t i l ln o w , t h e r ei sn o r e s e a r c hc a r r i e do u ta b o u tt h i s t h er e s e a r c ha b o u tb a n d a g er e l a x a t i o nw i l ls u r e l y d o e ss i g n i f i c a n c et ot h es a f e t yo f r a i l w a yt r a f f i ca n dp r o t e c t i o no f t h en a t i o n p r o p e r t y , a v o i d i n gt h ee c o n o m yd a m a g ea n db a ds o c i a li m p a c t s s o ，i ti sn e c e s s a r yt od o s o m e r e s e a r c hw i t ht h es c h e m e ，t op r o v i d et h el o c o m o t i v er e p a i rl i m i tw i t ht h e o r yb a s i sa n d e n s u r es a f ep e r f o r m a n c e i na c c o r d a n c e 谢mt h es c h e m e ，t a k i n gt h ed f 4l o c o m o t i v ef o r e x a m p l e ， c a l c u l a t i o n sa n ds i m u l a t i o n s 黜p r o p o s e db ya n s y ss o f t w a r e f i r s t d e t a i l e d a n a l y s i so ft h es c h e m ei sc a r r i e dt h r o u g h ；m o d e li sb u i l t ，t h a nt h ew o r s ts i t u a t i o ni s c h o s e nt od ot h es l m c t u r ea n a l y s i s t h el a r g e s c a l et h r e e d i m e n s i o n a lf e as o f t w a r e a n s y si sc h o s e nt oe a l c u l a t ea n ds i m u l a t e a n dc o n c l u s i o n sa r et h a tt h ee f f e c tt ot h e w h o l ew h e e li sm i n o r a tt h es a m et i m e ，o p t i m i z et h esp l a t eo ft h ew h e e lr i m s e c o n d b u i l dt h em o u l dw i md i f f e r e n tp a d s ；a n a l y z ed i f f e r e n ts t r e s sd i s t r i b u t i o n 埘t l l d i f f e r e n tg a p s t h i r d ，d u r i n gt h ee m e r g e n c yb r a k i n g ，t h eb o u n d a r yc o n d i t i o na n dt h e f r i c t i o nh e a ta r ea n a l y z e d ，t h e nm o u l d sa r eb u i l ta c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n , t h et r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l da n dd i s t r i b u t i o no f t h e r m a ls t r e s sa r es i m u l a t e d t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r e ：s t i u c n l r ea n dt r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l da n a l y s i s t o w a r dt h es c h e m ea r ea c c o m p l i s h e d d u r i n gt h ew o r s ts i t u a t i o n ，b a n d a g er e l a x a t i o n h a sn o th a p p e n e d ，w h i c hv e r i f i e dt h ep r a c t i c a l i t yo f t h es c h e m ef r o mt h e o r y f i n a l l y , t h er e s e a r c hc o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o n sa r eg i v e na n dk e y n o t e so ft h e f u t u r er e s e a r c h e sa r ep o i n t e do u t k e y w o r d s ： f i n i t e a n a l y s i se l e m e n t ，s t r e s sf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，n o n - l i n e a r c o n t a c ta n a l y s i s ，b a n d a g er e l a x a t i o n i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题的提出 第一章绪论 目前，由于铁路运输方式具有运载量大、运行速度高、能量消耗少、运输 成本低等优点，发展铁路运输对于促进地区经济的发展，改善地区及各国间商 业和贸易发展，以至于带动整个国民经济的发展都起着相当重要的作用。世界 各国在研究如何提高列车运行速度、增加货车运载重量、确保列车运行的平稳 性、安全性等方面都投入了大量的人力和物力。 高速铁路无疑为铁路运输带来了新的生机，但随着铁路客运运行速度的日 益提高以及货运运载重量的不断增加，轮轨系统的工况1 3 趋复杂，轮轨磨损、 疲劳等造成的严重缺陷引起了各国铁路运输部门的高度重视。 考虑到成本及使用寿命等因素，我国机车车轮采用带轮箍的组装式结构仍 占了很大的比例。机车轮对是机车车辆走行部中最重要的部件，机车轮对由车 轴、轮辋和轮箍组成。轮箍与钢轨顶面接触的部分称为踏面，与钢轨内侧接触 的部分称为轮缘。轮箍的轮缘和踏面是和钢轨直接接触的部分，机车车辆的全 部重量通过它们支承在钢轨上，同时通过轮对和钢轨的接触产生牵引力和制动 力。 与整体式轮对相比，当轮箍的轮缘与踏面磨损到一定程度后，可通过更换 轮箍重新投入使用，大大延长了轮对的使用寿命。组装式车轮的轮箍与轮辋是 通过过盈配合来传递牵引力和制动力的，在运用过程中存在的各种因素导致轮 箍与轮辋之间发生相对运动，这种相对运动称之为轮箍的弛缓。轮箍弛缓会造 成机车脱轨等重大安全事故，轮箍弛缓问题一直是世界铁路部门所关注的课题。 如2 0 0 3 年8 月4 日2 7 0 3 1 次货物列车机车车轮a 节l 、2 、4 位轴发生轮箍弛缓 外窜的严重故障，导致紧急停车，造成陇海下行线中断9 个小时。 为了防止内燃机车轮箍弛缓造成的机车脱轨事故，郑州铁路局机务处提出 了机车轮对轮箍加装扣环的方案【l j 。2 0 0 0 年1 月，该局组织全局各机务段轮对 工程师在宝鸡召开了专题会，确定d f 系列机车( d f 、d f 2 除外) 由武昌机务段轮 对大修厂提供技术方案和图纸，并开始试装。2 0 0 0 年4 月，该局在郑州再次召 集全局会议，召集了各机务段轮对工程师和郑州铁路局机车大修计划的8 个机 武汉理工大学硕士学位论文 车大修厂静耀关工程技术入员，会议粳器农武瑟筏务段试装翦缝祭对燕装籀环 方案进行了全面的论证，并决定在随后的机车大、中修更换轮箍时，轮对必须 全部麓装强琢。 机车轮对轮辋宽度由原设计的1 2 8 m m 减至1 0 7 m m ，轮箍根据挡深1 0 7 m m 奏羹王l o m mxl o m m 捉繇穰，掘环楼痰镶装载嚣尺寸为l o m m 1 6 m n l 静翔琢 f ”。为保证轮箍套装过盈量，把过擞量下限提高0 0 5 o 1 0 mm ，在轮箍热态 下镶装捉臻较姆，并严蘩按繇焊接拜雩烧痿鲶薤。耱箍鞠装李爨嚣装激圈如强1 - i 所示。 图卜1 加装扣环方案的装配简图 祝车轮对轮箍蕊装箱环通过实践证疆，霹有效地防止阑轮箍魏缓丽造成静 机车脱轨等熏大事故，但轮箍加装扣环后存在以下晒个方面的问题：( 1 ) 轮辋 与轮箍静配念蟊交短，轮辋受力中心矫移； 2 ) 粕琢稽帮不可避免会有应力集 中。此外，轮箍的路面和轮缘在使用过程中会发生磨损；恢复踏筒和轮缘的线 墼辩，需要对车轮逡季亍车甏修整，释致轮稳与轮缘焱薄。 机车轮对轮箍加装扣环后导致轮对结构上的变化，对轮对在运用过程中的 应力及其努森状态会有一定麓影响，刹车剿动孛由予摩擦葶| 莛静窝瀑遴哥会 使轮箍发生迟缓【2 】。轮辋进行车削后，加衬热的间隙对轮对会有影响，目前还没 有矮荚熬理论磅究。辕薤遴缓懿磅究对绦簿铁路运输安全、绦护戮家程个人籍 产安仝，避魏因迟缓造成的经济损失和社会不良影响有十分重大的意义。因此， 毒努瑟对壤攀轮对鸯鬟装毅环豹方案迸李亍理论豹分撰研究，菇凝车轮霹豹裣修蔽 度提供理论依据，保证铁路机车安愈运行。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 铁路技术系统可分为三大领域，即机车车辆工程、线路工程和控制工程。轮 轨关系是铁路技术系统中最重要的内容之一，涉及到机车车辆工程和线路工程 两大领域，对于铁路运输的安全性和经济性具有重大的影响。 国外在轮对方面有很多很深的研究( 5 f 6 1 ，德国在七十年代初制定了“轮轨技 术经济研究”的庞大国家级研究计划，组织大量人员进行轮轨接触及其相互作 用机理方面的研究，并花费巨资建造实验台和实验线。经过多年的轮轨关系研 究，设计出了大等效斜率的磨耗形踏面，为与之相适应，在转向架结构上采取 了一系列增加稳定性的技术措施，实现了高速运行下的低轮轨作用力，大大降 低了高速铁路的维修工作量。 俄国铁道科学研究院、俄国车辆制造科学研究院、交通部和铁路局在研究 轮轨关系方面开展了大量的工作，制定了一些卓有成效的防止轮缘和钢轨侧面 超强度磨耗的规章，提出了许多建设性意见。 我国铁路客货运输在交通运输行业中的地位非常重要，为了满足国民经济 曰益发展和扩大市场份额的需要，各铁路局提速及重载列车的开行比重在逐渐 增大，车轮作为机车的重要部件之一，在运用过程中承载情况比较恶劣，因此 车轮发生故障的频率较高。车轮踏面的过快磨耗与过早旋修是机车运用检修中 的重要问题之一，为使踏面保持一定的形状，不超过规定的检修限度，每年需 要为旋修踏面或更换车轮耗费大量的人力物力【”】。 一直以来，轮轨接触都被视为h e r t z 接触形式，其轮轨力的计算模型几乎 都是h e r t z 型的，金学松则认为轮轨的接触形式实际上不符合h e r t z 接触条件， 他采用了k a l l e r 三维弹性体非h e r t z 滚动接触理论，对轮轨的蠕滑力的计算模 型进行了修改。而张军等利用有限元参数二次规划法，对轮轨接触进行了弹塑 性分析，认为在单纯轴重作用下轮轨接触斑为椭圆形，与h e r t z 接触理论是一 致的。孙琼等则将微观摩擦学和轮轨接触理论结合在一起，建立了轮轨粘着研 究的微观模型1 5 0 j 。 除理论研究以外，不少学者设计了相关实验来模拟轮轨的接触。如金雪松 等进行了轮轨粘着一蠕滑特性的实验研究，讨论了不同轴重下的轮轨粘着蠕滑 特性，并指出粘着系数具有离散性。金雪松、沈志云等对原型尺寸的单轮对的 蠕滑力进行了实验研究，其结果则验证了k a l l e r 理论的可靠性。张波等进行了 武汉理工大学硕士学位论文 轮轨磨损的实验模拟，指出影响轮轨磨损的主要因素是蠕滑率、轴重及总的循 环次数。 当前国外的机车几乎都采用整体式车轮【3 】，因此一般是以整体轮对为研究对 象进行分析【7 】【8 1 ，对于轮轨关系的探讨较为深入一些。 由于组装式轮对可延长其使用寿命，节约成本，国内的机车多采用组装式 车轮。组装式机车轮对的各部分通过过盈配合来传递动力。而对于组装式机车 轮对车轮的研究，国内主要采用有限元方法进行轮对强度分析，对轮轨关系的 静力、动力以及温度场也有一定的研究，比如许小强的“铁道车辆轮轴装配应力 的接触非线性有限元分析”、刘启跃的“轮轨接触应力数值计算分析”、温泽峰 的“钢轨轨缝接触一冲击的有限元分析”、唐旭晟的“轮对进行了盘式制动器热一 结构非线性分析与计算”等等。然而轮箍加装扣环是由郑州铁路局机务处在最 近几年提出的，对此国内外到目前为止还没有相关学者进行研究与探讨。 1 3 课题的来源 课题来源：武汉铁路分局科技发展计划项目 项目名称：机车轮对轮箍加装扣环方案的性能计算及模拟仿真。 1 4 论文研究的目的及意义 轮对加装扣环后可能会导致结构上的一些变化，本文从可能产生变化并可 能影响机车运行安全性的各方面进行分析。轮对的结构分析及针对磨耗轮辋加 垫片的轮对进行分析，对紧急刹车过程轮对整体温度场进行模拟。 本文研究的意义是从理论上论证轮对加装扣环方案的切实可行性，分析其 是否可能发生迟缓现象，保证机车安全运行。 1 5 本文的研究内容与方法 本文对机车轮对进行了结构静力分析及温度分析，确定加装扣环对机车轮 对的影响，及在紧急刹车过程中，轮对整体温度的变化，确定刹车过程中是否 会发生迟缓现象。 本论文所做的工作如下： ( 1 ) 运用三维造型软件建立轮对在不同条件要求下的各种模型，分析各种工 4 斌汉理工大学硕士学位论文 况对轮对运彳亍懿影桶，选定典鬻工况进嚣势力载耱、温度簸萄及裰关边赛条 孛 分析； ( 2 ) 运麓有限元分援软 警模羧诗雾蠢轮慰在过擞装配下麓装黧瘫力，讨论在 不同裁荷工况下轮对各部分的应力分布及位移变化，确定机车轮对轮箍加装扣 环方褰对轮辩戆强度毫无影瘸，提滋慰轮辎s 型辐援戆爨他； ( 3 ) 针对机车实际运行中轮箍与轮辋之间的磨损导致过盈量的不足的情况， 必续艇装垫片，模羧努援垫片润黢越轮篷瘦力分毒熬影响； ( 4 ) 在紧急制动工况下，对加装扣环后轮对进行瞬态温度场分析，确定轮对 冬部分豹滠度分布及热应力分毒。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章轮对应力场及温度场的有限元计算基础 2 1 有限单元法及有限元分析软件简介 2 1 1 有限单元法 有限单元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定 方式联结在一起的单元的组台体。由于单元能按不同的联结方式进行组合，且 单元本身又可以有不同形状，因此可以将几何形状复杂的求解域模型化。有限 单元法作为数值分析方法的一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函 数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数l lo j 。单元内的近似函数通常由未 知场或其导数在单元的各个节点的数值和其插值函数来表达。这样一来，一个 问题的有限元分析中，未知场或其导数在各个节点上的数值就成为新的未知量 ( 即自由度) ，从而使一个连续的无限自由度变成离散的有限自由度问题。一经 求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值， 从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元数的增加，也即单元尺寸的缩 小，或者单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。 如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。 2 1 2 有限元分析软件的选择 大型通用有限元程序，它们以功能强、用户使用方便、计算结果可靠和效 率高而逐渐形成新的技术商品，成为结构工程强有力的分析工具。目前，有限 元法在现代结构力学、热力学、流体力学和电磁学等许多领域都发挥着重要作 用。当前，在我国工程界比较流行被广泛使用的大型有限元分析软件有 m s c n a s t r a n 、a n s y s 、a b a q u s 、m a r c 、c o s m o s 、a d i n a 和a l g o r 等。 多年来m s c 在全球计算机辅助工程市场一直居于绝对领导地位，它包括的产 品很多，其中m s c n a s t r a n 是世界上功能最全面、应用最广泛的大型通用结构 有限元分析软件，同时也是工业标准的f e a ( 有限元分析) 原代码程序及国际合 作和国际招标中工程分析和校验的首选工具，它可以解决各类结构的强度、刚 度、屈曲、模态、动力学、热力学、非线性、( 噪) 声学、流体一结构耦合、气 动弹性、超单元、惯性释放及结构优化等问题。 武汉理工大学硕士学位论文 a n s y s 程序是由美国a n s y s 公司开发的一个功能强大的灵活的设计分析、优 化及融结构、热、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元商用 分析软件，可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能 源、汽车交通、国防电工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、 水利、日用家电等一般工业及科学研究【l ”。a n s y s 公司成立于1 9 7 0 年，总部位 于美国宾夕法尼亚洲的匹兹堡，目前是世界上c a e 行业最大的公司。 其他还有一些通用有限元分析软件，由于功能不如m s c 和a n s y s ，这里就不 再详述。m s c n a s t r a n 和a n s y s 的比较就m s c 和a n s y s 的比较而言，a n s y s 在前 处理、电磁场和c f d 计算流体动力学方面有一定优势，其他方面a n s y s 较m s c 逊色。因为和n a s a 的特殊关系，m s cn a s t r a n 在航空航天领域有着崇高的地位， 至今的民用飞机要想获得f a a ( 美国航空局f e d e r a la v i a t i o n a d m i n i s t r a t i o n ) 在北美市场销售的试航证，也必须用m s cn a s t r a n 进行计算。然而m s c 比a n s y s 占用的内存量更大，成本更高，所以在铁道、建筑和压力容器方面更多地应用 a n s y s 。 2 1 3a n s y s 概述 a n s y s 软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。 前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造 有限元模型；分析计算模块包括结构分析( 可进行线性分析、非线性分析和高 度非线性分析) 、动力学分析、热分析、流体动力学分析、电磁场分析、声场分 析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具 有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、 梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示( 可 看到结构内部) 等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示 或输出。软件提供了1 0 0 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材 料。 2 2 非线性问题的理论与实现 2 2 1 非线性分析简介 非线性结构包括几何非线性、状态变化( 包括接触) 和材料非线性三种类 武汉理工大学硕士学位论文 型。用于分析非线性瞬态行为的过程，与非线性静态行为的处理相似，以步进 增量加载，程序在每一步中进行平衡迭代。静态和瞬态处理的主要不同是在瞬 态过程分析中要激活时间积分效应。 a n s y s 程序的方程求解器计算一系列的联立线性方程来预测工程系统的响应 然而非线性结构的行为不能直接用这样一系列的线性方程表示。需要一系列的 带校正的线性近似来求解非线性问题。一种近似的非线性救求解是将载荷分成 一系列的载荷增量。可以在几个载荷步内或者在一个载步的几个子步内施加载 荷增量。在每一个增量的求解完成后，继续进行下一个载荷增量之前，程序调 整刚度矩阵以反映结构刚度的非线性变化。遗憾的是，纯粹的增量近似不可避 免地随着每一个载荷增量积累误差，导种结果最终失去平衡，a n s y s 程序通过使 用牛顿一拉普森平衡迭代克服了这种困难，它迫使在每个载荷增量的末端解 达到平衡收敛( 在某个容限范围内) 。还提供了系列命令来增强问题的收敛性， 如自适应下降，线性搜索，自动载荷步及二分等，可被激活来加强问题的收敛 性，如果不能得到收敛，那么程序或者继续计算下一个载荷前或者终止。 2 2 2 非线性接触分析 本模型中轮箍与轮辋、轮辋与轮轴间都是过盈配合的，因此对于接触面的 模拟计算是一个很重要的方面，接触问题是一种高度非线性行为，需要较大的 计算资源，为了进行实为有效的计算，理解问题的特性和建立合理的模型是很 重要的。 接触问题分为两种基本类型：刚体一柔体的接触及柔体柔体的接触。在刚 体柔体的接触问题中，接触面的一个或多个被当作刚体，( 与它接触的变形体 相比，有大得多的刚度) ，一般情况下，一种软材料和一种硬材料接触时，问题 可以被假定为刚体一柔体的接触，许多金属成形问题归为此类接触：另一类， 柔体一柔体的接触，是一种更普遍的类型，在这种情况下，两个接触体都是变 形体( 有近似的刚度) 。 a n s y s 支持三种接触方式：点一点，点一面，面面。 点一点接触单元主要用于模拟点一点的接触行为，为了使用点一点的接触 单元，需要预先知道接触位置，这类接触问题只能适用于接触面之间有较小相 对滑动的情况( 即使在几何非线性情况下) 。点一面接触单元主要用于给点一面 的接触行为建模，例如两根梁的相互接触。如果通过一组结点来定义接触面， 8 武汉理工大学硕士学位论文 生成多个单元，那么可以通过点一面的接触单元来模拟面一面的接触问题，面 即可以是刚性体也可以是柔性体，这类接触问题的一个典型例子是插头到插座 里。 a n s y s 支持刚体柔体的面一面的接触单元，刚性面被当作“目标”面，分 别用t a r g e l 6 9 和t a r g e l t o 来模拟2 _ _ d 和3 一d 的“目标”面，柔性体的表面 被当作“接触”面，用c o n t a l 7 1 ，c o n t a l 7 2 ，c o n t a l 7 3 ，c o n t a l 7 4 来模拟。一个 目标单元和一个接触单元叫作一个“接触对”程序通过一个共享的实常号来识 别“接触对”，为了建立一个“接触对”给目标单元和接触单元指定相同的实常 的号。 接触问题存在两个较大的难点：其一，在求解问题之前，不知道接触区域， 表面之间接触或分开是未知的，突然变化的，这随载荷、材料、边界条件和其 它因素而定：其二，大多的接触问题需要计算摩擦，有几种摩擦和模型供挑选， 它们都是非线性的，摩擦使问题的收敛性变得困难。 2 3 温度场的有限元分析 从数学上讲，温度场问题是连续介质问题，可用偏微分方程来描述。因此， 它实质上是求解出满足定解条件的偏微分方程的解，即所谓偏微分的定解问题。 对于几何形状或者边界条件比较复杂的物体，由于它的导热微分方程不能积分， 无法求得解析解，所以计算温度场的方法往往是数值计算方法。 目前常用的求解温度场的数值算法有有限差分法和有限元法。两种方法各 有特点。在本文的研究中，为了得到较为准确的接触物体温度场分布，采用了 通用有限元分析软件a n s y s 来进行有关的计算与分析工作。 2 4 本文所涉及的单元简介 s o l i d 4 5 s o l i d 4 5 是三维实体单元，用于构造三维固体结构。单元通过8 个节点和各 向同性的材料参数来定义，每个节点有3 个沿着x y z 方向平移的自由度。具有塑 性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形和大应变能力等。 节点自由度u x ，u y ，u z 材料参数e x ，e y ，e z ，p r x y ，p r y z ，p r x z ，a l p x 等 表面载荷压力 武汉理工大学硕士学位论文 体载荷温度热流量 特殊功能塑性，蠕变，膨胀，应力强化，大变形，大应变，单元死活 输出数据节点位移和所有节点结果 m e s h 2 0 0 该单元只是用来划分面网格的，不参与计算，对结果没有任何的影响。一 般应用于以下类型的操作中：( 1 ) 多步网格划分，由一个较低单元生成较高单 元；( 2 ) 在二维或者三维实体中对直线进行预分；( 3 ) 在三维实体中先用三角 形、四边形或多边形对面进行预分；( 4 ) 在分析体物理场还没有制定前暂时存 储划分单元。 该单元可以与任何单元组合，当其不再需要时可以被清除或删除，也可以 留在原地，对结果没有影响，可以通过命令e m o d i f 将其转换为其他单元。 t a r g e l 7 0 与c o n t a l 7 3 a n s y s 的接触单元中刚性面被当作“目标”面，分别用t a r g e l 6 9 和t a x g e l 7 0 来模拟2 一d 和3 一d 的“目标”面，柔性体的表面被当作“接触”面，用 c o n t a l 7 1 ，c o n t a l 7 2 ，c o n t a l 7 3 ，c o n t a l 7 4 来模拟。一个目标单元和一个接触单元 叫作一个“接触对”程序通过一个共享的实常数来识别“接触对”。本文全是用 三维模型进行分析计算，因此采用t a r g e l 7 0 与c o n t a l 7 3 ，建立面一面接触单元。 面一面接触单元有好几项优点：支持低阶和高阶单元；支持有大滑动和摩 擦的大变形，协调刚度阵计算：提供工程目的采用的更好的接触结果，例如法 向压力和摩擦应力：没有刚体表面形状的限制，刚体表面的光滑性不是必须允 许有自然的或网格离散引起的表面不连续。 在建立接触过程中要注意以下几点：设置实常数、单元关键字、选择接触算 法、决定接触刚度、选择摩擦类型、选择检查接触与否的位置、调整初始接触 条件。 s o l l i ) 7 0 s o l i d 7 0 是三维热实体单元，具有八个节点，该单元由8 节点和各向同性材 料属性定义。每个节点一个温度自由度。该单元可用于三维的稳态或瞬态的热 分析问题并可补偿由于恒定速度场质量输运带来的热流损失。如果包含热实 体单元的模型还需进行结构分析，可被一个等效的结构单元( 如s o l i d 4 5 ) 所代 替。 各向同性材料方向对应于单元坐标系方向，单元坐标的定位在坐标系统中 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 描述。在稳态分析中热度和密度将被忽略。如果在线性材料属性中该单元属性 未给出则默认为缺省值。 自由度t e m p 材料属性 k x x ，k y y ，k z z ，d e n s ，c ，d e n t h ，v i s c ，m u 等 面荷载对流、热流量、辐射 体荷载热产生 输出数据单元的温度包含在整体的节点结果中 s o l i d 5 s o l i d 5 是三维耦合场体单元，具有三维磁场、热场、电场、压电场和结构 场分析能力，并能在各场之间实现有限的耦合。本单元有8 个节点，每个节点 最多有6 个自由度。本单元可以组合使用不同的节点载荷( 取决于k e y o p t ( 1 ) 的值) 。节点载荷用d 和f 命令定义。对d 命令，l a b 变量为自由度( u x ，u y ， u z ，t e m p ，v o l t ，m a g ) ，v a l u e 为相应的数值( 位移，温度，电压，梯状磁势能) 。 对f 命令，l a b 变量为力( f _ h e a t ，a m p s ，f l u x ) ，v a l u e 为相应的数值( 力， 热流量，电流或电荷，磁通量) 。 自由度u x ，u y ，u z ，t e m p ，v o l t ，m a g 材料特性e x ，e y ，e z ，p r x y ，a l p x ，d a m p ，k x x ，c ，d e n t h ，删等 面载荷压力、对流、热流密度 体载荷温度、生热率 输出数据单元的温度、节点的应力值及应变 武汉理工大学硕士学位论文 第三章机车轮对载荷计算 3 1 轴重转移的计算 机车在牵引工况( 或制动工况) 时所产生的轴重的变化称为轴熏转移。机 车走行部的结构型式和传动装置不同，轴重转移的方式也不一样，这里以d f 。 型机车为例进行计算。 d f 。型内燃机车采用弹性四旁承、一系弹簧独立悬挂的转向架，其牵引电机 顺置排列且前后转向架牵引电动机布置相对车体中间对称。d f 。型内燃机车的轴 重转移，即转向架在牵引力的作用下相对于车体底架产生前后倾斜引起的转向 架内的轴重转移和转向架间的轴重转移。 3 1 1 转向架内的轴重转移 牵引力作用时，对于牵引电动机顺置布置的转向架，可不考虑由牵引电动 机引起的内力对轴重转移的影响，所以仅受力矩3 f 。的影响( 图3 1 ) 。此力矩 使构架前后倾斜口。为简化计算，假设车体仍保持水平位置，转向架弹簧中央 对称，则构架前后回转中心0 在中间轴上方。此时，第一轴减载aq ，第三轴增 载q ，第二轴载荷不变；前旁承增载ag ，后旁承减载ag 1 3 1 。 聋懒嬲茌氅 螺l j 蜉 1l 盎霞爹 蓬j 竺一，有4 j ， 一1 铭 r 飞：蓦羲。曼 ：冀f i ；、一 | 型”kk” 嚣l f露。 最， 图3 1 转向架内的轴重转移 设转向架倾斜角为；每轴的轴箱弹簧刚度为k 。；左右一对旁承的刚度为k 。 则转向架构架的力矩平衡方程式为： 3 瓦h = 2 a q i l + 2 a g l 2 ( 3 1 ) 武汉理工大学硕士学位论文 又q_kll，j0(3-2) 一 a g = k ，口 式中：凡第轴产生得牵引力； ，口一轴箱弹簧的附加饶度； 厶目旁承弹簧的附加饶度； 则拈焘 c 。吲 d f 。型内燃机车的有关数据如下： 转向架轴距l ，= 1 8 0 0 m m ；转向架前后旁承间距2 1 f 1 8 0 0 ： 牵引销中心距离轨面高度h = 7 2 5 m m ；每轴轴箱弹簧刚度k t = 1 5 4 k n m m ( 静饶度 1 2 3 r a m ) ：左右旁承刚度k z = 1 4 5 k n m m ( 静饶度1 6 r a m ) 。代入式( 3 - - 3 ) 得 口= 丽虿3 h 丽f i ,= 夏面i 3 丽x7 2 矿5x 雨f , “丽= 6 5 x1 0-sk 死( 旭d ) 2 ( j 巧+2 ，；)2 ( 1 5 4 1 8 0 0 2 + 1 4 5 9 0 0 2 ) “。 因此，第一轴减载一a a = - k l 口= - 1 5 4 x 1 8 0 0 x 6 5 x 1 0 f k = 一o 1 8 f k , 第三轴增载+ a g = k 2 2 2 0 = o 1 8 凡 3 1 2 转向架间的轴重转移 弹性旁承的力偶矩a g 2 ：由转向架传给车体；车钩上的反力6 f k ；的作用点 位置高于牵引销处的牵引力，也形成力偶( 图3 - - 2 ) 。两者均使车体按逆时针方 向回转，使前转向架减载p ，后转向架增载胛。 则车体对转向架回转中心的力矩平衡方程式为： 6 吒( h 一矗) + 2 a g - 2 l = a p - 2 1 ( 3 - - 4 ) 于是ap：_3fk,(h-h)+2agiz：堡堕掣型丝 ( 3 _ 5 ) 已知：h = 8 7 0 m m ；h = 7 2 5 m m ；，2 9 0 0 m ml = 6 0 0 0 m m k j = 1 4 5 k n m m ；0 = 6 5 x 1 0 。5 屹( r a d ) 代入式( 3 - - 5 ) 得： 武汉理工大学硕士学位论文 p：3(870-725)+2x145x90026510-5呢：o327fk, 6 0 0 0 “ 6 屠 菏_ 生毒 - 鳓么蔑 严降矗雳1埘产矗只1、 1 萨铲一撬。 x ：j ；l l 一鑫糍， 咻芹芹 2 i l 图3 2 东风4 r 型内燃机转向架间的轴重转移 前转向架每轴减载一了a p = 一半呢= - 0 1 0 9 吒 后转向架每轴增载 竺3 = o 1 0 9 既 综合转向架内和转向架问轴重转移两种情况，d f 。型机车轴重转移如下： 表3 1d f 。型内燃机车的轴重转移 前转向架后转向架 第1 轴第2 轴第3 轴第4 轴第5 轴第6 轴 转向架内轴重 一0 1 8 晟f 0 + 0 1 8+ o 1 8 一0 1 8 r f 0 转移r ir i 转向架间轴重 一0 1 0 9一0 1 0 90 1 0 9+ o 1 0 9+ o 1 0 9+ o 1 0 9 转移 f “f k i k i卜k i尼。f k i - 0 2 8 9 o 1 0 9 + o 0 7 1一0 0 7 1+ 0 1 0 9+ o 2 8 9 总的轴藿转移 r i乳if k ir ，f k ir i 转向架内最大 一1 3 4o+ 1 3 4一1 3 4o+ 1 3 4 轴重转移( k n ) 转向架间最大 一8 0 98 0 98 0 9+ 8 0 9十8 0 9+ 8 0 9 轴重转移( k n ) 总的轴重最大 一2 1 4 98 0 9+ 5 3 15 3 1+ 8 0 9十2 1 4 9 转移量( k n ) 精确计算的轴 一1 7 0 79 2 3- 1 4+ 1 4 + 9 2 3 + 1 7 0 7 重转移( k n ) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 注：由于最大起动牵引力f q m a x = 3 5 3 k n = 6 f 。f k i m a x = 5 8 8 k n ，表中得出的 最大轴重转移均按此计算； 显然，最大轴重转移发生在第二转向架的第三轴上( 即第六轴) 3 1 3 持续牵引工况下轴重转移的计算 由牵引力引起的轴重转移，会随牵引力的增大而愈加严重。当机车起动爬 坡时，发挥的牵引力最大，此时轴重转移也最严重。 设d f 。内燃机车( 货) 的轮周牵引力为f ，查表得片- 3 5 3 o k n ： 则每轴轮周牵引力吒：冬：_ 3 5 3 0 ：5 8 8 埘 oo 第六轴的轴重转移( 增重) o 2 9 8 e ，= 0 2 8 9 5 8 8 k n = 1 6 9 9 k n d f 。内燃机车( 货) 的轴重为2 3 t = 2 3 0 0 0 * 9 8 1 n = 2 2 5 6 3 k n 则增重后第六轴的轴重为1 6 9 9 + 2 2 5 6 3 = 2 4 2 6 2 k n 若转移后的轴重平均分配到每个车轮，则为2 4 2 6 2 2 = 1 2 1 3 1 k n 3 2 轮重转移的计算 本计算来自于车轴的简化计算法1 4 1 。在计算中，采用两个计算力作为车轴 的载荷：垂直力1 2 5 p o 和侧向水平力h = o 5 p 。，1 2 5 是考虑垂直动载荷作用的系 数；0 5 是考虑作用在车辆上的风力和离心力的系数；p 0 是由于车辆总重作用在 车轴上的静载荷，按下式计算： 圪：生苎g ( 3 - - 6 ) m o 式中，m 。车辆总质量；m 。车辆中的轮 对数；m 。轮对质量 计算中认为计算力作用在车辆的重心0 上 ( 图3 5 ) ，轮对中心线至点0 的距离，如果车 辆设计任务书中没有规定，一般取h = 1 4 5 m 。 “ l 1r l 盘5 r h 岛 k b 。释t 。 黔_4 h 孓 震 ， 鸳 g l _ 1 图3 3 轮对计算简图 墓堡堡三奎堂堡主兰篁堡苎 则根据p 。作用点力矩平衡可得： 2 b 2 墨= 1 2 5 p o + h h 由于h = 0 5 p 。则车轴左侧轴颈中点上的力： 鼻= 半+ 日去_ ( 1 z s + 酉h ，i p o 同理作用在车轴右侧轴颈中点上的力： = 半一日去- ( 1 一列h 了e o ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 作用在左侧和右侧车轮上的垂直支承反力，如不考虑轮对重量，则分别为 左侧1 _ 1 2 2 5 p o 州h 2 + 。r 川5 + 等) 导 蒯2 = 半一警= ( 1 2 5 - 一h q - r i p 0 左侧车轮上还有水平反力的作用。设轮对的重量为 布在左右车轮上，则朋、膨应改写为： h 獭r l n , = 1 2 2 5 p o + 日等川s + 等，导+ 警 ( 3 1 0 ) 彤并假设其重量均匀分 右侧= 半一日百h + r + 等州s 一等，孚+ 等 公式( 3 - - 1 1 ) 、( 3 - - 1 2 ) 为车辆在运行中的轮重。 其中： ( 3 一1 2 ) ( 3 一1 3 ) 2 6 ，车轴轴颈中点之间的距离：2 s 两车轮滚动圆之间的距离： r 车轮半径；h 车辆重心与轮对中心线之间的距离。 分析公式( 3 1 2 ) 、( 3 1 3 ) 可知，1 2 5 p 。2 实质上是轴重的一半，而h ( h + h ) 2 s 才是轮重的转移量。因此，可用上面计算的第六轴轴重代替1 2 5 p o 2 。 查d f 。内燃机车( 货) 的有关参数，m 。= 1 3 8 t ，m o = 6 ，m k r l = 4 6 1 t ，r = 1 0 5 0 2 m m ， 忙1 4 5 m = 1 4 5 0 m m ，2 s = 1 4 9 9 m m ，2 b ，= 2 0 3 2 5 m m 博：h = 0 5 p 0 = 0 5 x 笠竽 左侧轮重 g = 。s 三半x 9 8 1 x 1 0 0 0 = 9 0 2 k n 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 _ v = 坚堕+ 日生+ 堡= 1 2 l 3 l + 9 0 2 1 4 5 0 + 1 0 5 0 2 + 4 6 1 9 8 l = 1 8 7 州 22 s21 4 9