




已阅读5页,还剩51页未读, 继续免费阅读
(机械设计及理论专业论文)基于ansys的轮轨摩擦生热分析.pdf.pdf 免费下载
版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着铁路的高速化、重载化,车轮踏面和钢轨表面的擦伤和剥离破坏越来越严重。 车轮运行中的摩擦生热是引发磨损破坏的主要因素,所以分析轮轨接触的温度场和应 力场具有重要意义。主要应用大型有限元软件a n s y s 分别建立车轮在钢轨上滑动和滚 动过程的有限元模型,在轮轨接触区利用接触单元法来建立接触。模型中考虑了车轮 和钢轨接触间的热传导,以及自由表面与环境的热对流,假设摩擦功全部转化为摩擦 热,摩擦热流平均分配给车轮和钢轨。通过直接耦合法求解轮轨间的摩擦生热,详细 的分析了接触区内的瞬时温度场、应力场、剪应力和接触区的接触压力分布特征,以 及最高温升和应力的变化趋势。 在纯滑动工况中,轮轨接触表面很容易产生瞬时的高温:1 ) 材料的非线性影响不 可忽略:2 ) 轮轨的热效应影响层很薄,最高温升和应力产生在表面中线靠后处;3 ) 轮 轨表面最高应力和温度均随着轴重、速度及摩擦因数的增大而增大。 在滚滑工况中,由于温升较小,计算中未考虑材料的非线性影响。结果表明:1 ) 高 速列车车轮在低蠕滑率下运行时,温升不高,但也产生了可观的热应力,由于接触时 间很短,使得最高温升产生于远离接触区的部位;2 ) 车轮滚动过程中承受冷热交替的 载荷,很容易产生破坏;3 ) 最大剪应力产生于接触表面很薄层,在此薄层容易产生剪 切破坏:4 ) 随着轴重、摩擦因数和蠕滑率的增大轮轨的摩擦热效应越明显。 本文计算分析将为探讨轮轨擦伤和剥离提供理论参考,对于揭示热损伤机理有很 大的指导意义。 关键词:轮轨摩擦,温升,热应力,耦合,有限元 西南交通大学硕士研究生学位论文第t t 页 a b s t r a c t w 弛t h ed e v e l o p m e n to fh i g h - s p e e da n dh e a v yh a u lo fr a i l w a y ,f l a ta n ds p a l l i n ga r e m o r ea n dm o r es e r i o u si nw h e e lt r e a da n dr a i ls u r f a c e t h ew h e e l - r a i lf r i c t i o n a lh e a t i n g w h i c hc a u s e sw e a rd a m a g ei sa m a j o rf a c t o ri nr u n n i n g s ot h ew h e e l - r a i lc o n t a c ta n a l y s i so f t h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l di sv e r ym e a n i n g f u l 1 1 1 ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f w h e e l s s l i d i n go nt h er a i l sa n dr o l l i n gp r o c e s sa r ee s t a b l i s h e db yl a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a n s y s e s t a b l i s hc o n t a c tu s i n gt h ec o n t a c te l e m e n tm e t h o di nt h ew h e e l r a i lc o n t a c ta r e a i nt h em o d e l ,h e a t i n gc o n d u c t i o ni sc o n s i d e r e di nc o n t a c ti n t e r v a lb e t w e e nw h e e la n dr a i l a n dt h et h e r m a lc o n v e c t i o nb e t w e e nf r e es u r f a c ea n dt h ee n v i r o n m e n t a s s u m i n gt h a ta 1 1t h e f r i c t i o nw o r kc o m p l e t e l yt r a n s f o r m si n t of r i c t i o nh e a t ,a n df r i c t i o nh e a td i s t r i b u t e sa v e r a g e l y t ot h ew h e e l sa n dr a i l s u s ed i r e c tc o u p l i n gm e t h o dt os o l v ef r i c t i o n a lh e a t i n gb e t w e e nw h e e l a n dr a i l ,t h et h e s i ss t u d i e st r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l d ,s t r e s sf i e l da n ds h e a rs t r e s so ft h e w h e e l r a i lc o n t a c ta r e a , t h ec o n t a c ts t r e s sd i s t r i b u f i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n dm a x i m u m t e m p e r a t u r er i s ea n ds t r e s sc h a n g e i np u r es l i d i n gc o n d i t i o n s ,t h ec o n t a c t e ds u r f a c ei sv e r ye a s yt op r o d u c ei n s t a n t a n e o u s h i g ht e m p e r a t u r e 1 ) 1 1 1 em a t e r i a ln o n l i n e a re f f e c t sc a l ln o tb ei g n o r e d ;2 ) n l et h e r m a le f f e c t o fw h e e l - r a i li sv e r yt h i nl a y e ro nt h es u r f a c e ,t h em a x i m u mt e m p e r a t u r ea n ds t r e s sr e s u l t f r o mc o n t a c t 、) r i mt h es u r f a c ea f t e rd e p e n d i n go nt h ec e n t e rl i n e ;3 ) w h e e l - r a i ls u r f a c e t e m p e r a t u r ea n dt h eh i g h e s ts t r e s si n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n gt h el o a d ,t h er e l a t i v es l i d i n g v e l o c i t ya n dt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n t i nt h er o l l i n g s l i d i n gc o n t a c tc o n d i t i o n s ,t h ec a l c u l a t i o nd o e sn o tc o n s i d e rt h em a t e r i a l n o n l i n e a r i t yd u et ot e m p e r a t u r er i s i n gs m a l l e r 1 1 1 er e s u l t ss h o wt h a t :1 ) c o n t a c tt e m p e r a t u r e i sn o th i g l lw h e nh i g h - s p e e dt r a i nw h e e l sr u n n i n gi nl o wc r e e pr a t e b u ti th a sac o n s i d e r a b l e t h e r m a ls t r e s s ,m a d et h em a x i m u mt e m p e r a t u r er i s ep r o d u c ea w a yf r o mt h ec o n t a c ta r e ad u e t ot h ev e r ys h o r tc o n t a c tt i m e ;2 ) a st l l er o l eo fa l t e r n a t i n gh o ta n dc o l dl o a dw h e e l sa r e p r o n et od a m a g ei nt h er o l l i n gp r o c e s s ;3 ) m a x i m u ms h e a rs t r e s sp r o d u c e di nav e r yt h i n l a y e ro ft h ec o n t a c ts u r f a c e ,t h et h i nl a y e ri se a s yt os h e a rf a i l u r e 4 ) w i mt h ei n c r e a s eo ft h e a x l el o a d ,t h e 衔c t i o nf a c t o ra n dt h ec r e e pr a t et h ef r i c t i o nt h e r m a le f f e c t so fw h e e la n dr a i li s m o r eo b v i o t a s t h i sc a l c u l a t i o nw i l lp 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 rf l a ta n ds p a l l i n go ft h ew h e e la n d r a i l ,a n dw i l lb eo fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rr e v e a l i n gh e a td a m a g em e c h a n i s m k e yw o r d s :w h e e l r a i lf r i c t i o n ;t e m p e r a t u r er i s e ;t h e r m a ls t r e s s ;c o u p l i n g ;f i n i t ee l e m e n t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 铁路交通作为我国经济又好又快发展的重要支柱,不仅要适应我国当前经济社会 发展的要求,而且还应该适度超前发展。如今,我国经济社会正进入新的发展阶段, 对铁路交通运输提出了更高的要求。目前,我国铁路迎来了建设发展的黄金机遇期, 正处于加快发展的新阶段。我国幅员辽阔,内陆深广,南北跨度约为5 2 0 0 公里,东西 跨度约为5 4 0 0 公里,各个省会城市之间的平均距离约达1 9 0 0 公里,人口分布、产业 布局以及资源禀赋的极不对称性形成了高强度的中长距离客运和货运交流。2 0 0 6 年, 全国铁路旅客发送量1 2 6 亿人,货物发送量2 8 8 亿吨,客货平均运距达5 2 7 7 5 6 公里, 远高于全国客货运输9 6 4 2 9 公里的平均运距。为了适应全面建设小康社会的总体目标 要求,铁路网需要扩大规模,提高质量,完善结构,快速扩充客货运输能力,迅速提 高铁路装备水平。2 0 0 8 年1 0 月3 1 日,经国家批准,中长期铁路网调整规划【lj 正式颁 布实施。到2 0 2 0 年,铁路营业里程由1 0 万公里调整为1 2 万公里,其中客运专线由1 2 万公里调整为1 6 万公里。新规划将进一步扩大路网规模,完善布局结构,提高运输质 量,体现了原规划快速扩充运输能力、迅速提高装备水平的要求。伴随铁路运输业的 快速发展,对高速铁路运行车辆的要求也逐渐的提高,在铁路装备制造业的迅猛发展 过程中面临着许多亟待解决的问题,例如如何解决其中的噪声、疲劳和轮轨磨耗等的 诸多问题一直以来都是许多专家学者长期在从事的工作。 由于国家经济不断高速发展,导致铁路运力严重缺乏。因此,针对我国的主要干 线进行了大提速。随着铁路的高速化、重载化,轮轨运行环境日益恶化,其表面接触 疲劳破坏也越来越严型引。热损伤是高速重载车辆轮轨的主要失效形式之一1 3 4 】。当高 速重载列车在短时间内紧急制动或加速牵引即制动力和牵引力超过了可用粘着时,车 轮和钢轨接触面间容易发生纯滑动现象,该滑动就会导致轮轨出现较高的接触温升。 在完全制动情况下,车轮和钢轨处于纯滑动状态,摩擦力达到最大值1 5 】,此时轮轨接触 面产生的瞬时高温会加剧轮轨的磨损,温升达到一定时会使车轮和钢轨材料产生相变, 从而导致轮轨表面的裂纹,造成轮轨表面的擦伤和剥离破坏( 如图1 1 ) 。在正常的高速 重载行驶情况下,轮轨间的蠕滑也能使轮轨接触区产生较高的温升,软化了轮轨材料, 从而降低车轮和钢轨之间的粘着,影响铁路运营性能【6 】。据统计在北美每年用于修理与 轮轨摩擦热响应有密切关系的闪温和剥离破坏所花费的费用大约为1 8 亿美元,其中不 包括造成的车辆运用时间的损失以及对客户服务的影响l l 别。 综上所述,轮轨的摩擦生热以及由此产生的热应力会加剧车轮踏面和钢轨表面的 擦伤、剥离、龟裂等形式的破坏,而且车辆运行中引发的声音多为摩擦噪声【9 1 。极大的 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 影响了列车运行的舒适性、平稳性以及安全性,也大大降低了铁路运输行业的竞争力, 从而也制约了铁路运输行业的获益能力。 、i ,j a ) 钢轨斜裂纹b ) 钢轨剥离c ) 车轮踏面擦伤 图1 1 车轮和钢轨的破坏 轮轨接触的实际温度测量非常困难,主要原因在于接触表面的最高温度是在接触 区瞬时形成的闪现温升,而且接触物体在运动。目前大量运用的测温方法只能测量接 触表面层的平均温度10 1 。虽然也有很多学者对接触瞬时温升提出了简单的计算公式【1 1 】, 但是仍然难以准确反映其变化状态,也不能反映与温升相关的应力和接触状态等等, 所以分析研究各种工况下轮轨接触温升、热应力规律对轮轨的热损伤、热疲劳等研究 有很大的意义。 1 2 国内外研究现状 国内外很多学者对轮轨摩擦温升及热应力等做了许多研究。在滑动体热传导的基 本问题方面,b l o k 1 2 】和j a e g e r 1 3 】做出了首创性的工作。在轮轨摩擦接触温升方面早期 的学者做了很多的工作,主要基于拉普拉斯变换法以及格林函数法等解析方法研究轮 轨接触温升,用移动热源法来模拟滑动,假设轮轨间的接触压力分布为赫兹接触椭圆 分布,其热源为瞬态静热源。通常情况轮轨接触在很多情况下不是椭圆接触,热源为 非静热源。由于解析法只能求得轮轨接触区的温升,得到的是局部解。所以逐步采用 有限元法来求解轮轨摩擦温升,增加工程的可信度。在利用解析解和数值解法方面, 将轮轨摩擦生热的国内外研究现状介绍如下: ( 1 ) 解析解 1 9 8 0 年t a n v i r i l 4 】利用拉普拉斯变换法求解了轮轨滑动接触引起的温升,接触压力 近似为椭圆形分布,并假设快速移动的热源为一静态瞬时热源。德国k n o t h e 等【l5 j 人于 1 9 9 5 年利用拉普拉斯变换法和格林函数法研究了轮轨相对滑动摩擦的接触温升及温度 场分布,将三维模型简化为二维问题,模型中忽略了自由表面的热对流以及热辐射的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 影响,未考虑弹性蠕滑率的影响,将轮轨接触斑内的相对滑动速度看作总体滑动速度。 s u n 等【l6 j 发展了一个瞬时求解方法计算了车轮由于滑动引起轮轨接触表面温升,其中 假设热直接垂直渗入表面的一维热传导,利用接触斑上车轮和钢轨的平均温度相等来 推导热流分配系数。f i s c h e r 等【l7 】利用解析法建模求解,考虑了轮轨表面的粗糙度的影 响以及局部塑性变形的影响,求解了轮轨滚动工况下的摩擦温升,其中用热扩散系数 的改变来模拟材料参数随温度变化的影响。e r t z 等【l8 j 采用了解析法和数值解分析了轮 轨二维滚动接触温升问题,热流为任意摩擦热流分布,模型中考虑了车轮自由表面与 环境的热对流以及车轮对钢轨的热传导。a h l s t r s m 和k a r l s s o n l t l 9 】利用简化的一维解析 模型求解车轮在钢轨上低速滑行时的热效应分析,其中忽略了热对流和热辐射的影响, 不适于进一步研究。1 9 9 5 年清华大学的裴有福等【2 0 2 2 j 利用拉普拉斯变换法,使用近似 椭圆分布热源利用移动热源法对轮轨摩擦温升作了研究。1 9 9 7 年铁科院的孙琼等【2 3 】分 别用有限差分和拉普拉斯变化方法进行了轮轨接触区的接触温升的研究,并且指出了 解析解的不足。 ( 2 ) 数值解 1 9 9 5 年g u p t a 等【2 4 , 2 5 利用有限元模型分析轮轨滚滑条件下的摩擦温升和热应力, 在有限元模型中,考虑摩擦热流不均匀分配给车轮和钢轨,即热流分配系数为o 3 6 , 计算时将接触斑内椭圆形热流密度分布简化为机车车轮全踏面内的平均分布,这样将 三维滚动模型简化为二维模型,并考虑了环境的热对流作用,结果表明这种方法可以 比较精确地得到平均温度的变化趋势,但是用于求解瞬态温度的变化以及与瞬态温度 变化密切相关的热应力则存在一定的局限。j e r 6 u s 等1 2 6 】利用有限元法研究车轮滑动问 题,建立二维轴对称模型,其模型用试验的结果进行了校正,模型中考虑热参数随车 轮表面温度的线性变化,忽略了轮轨间的耦合作用,未考虑热对流的影响,计算模型 过于简单,也无法对滚动情况的温度场进行求解。m i l u t i n o v i c 等【27 j 利用有限元法建立 了车轮径向断面的二维模型,分析了制动工况下车轮自由表面热交换系数随车轮行驶 速度的变化对轮轨摩擦温度场的影响,为处理热对流边界条件提供了参考。2 0 0 2 年 a h l s t r s m 等【2 8 】建立了二维有限元模型,计算了车轮滑行时的温度场以及组织转化,直 接在接触边界上加载初期迅速上升后保持不变的理想边界条件,其中该模型考虑了材 料参数随温度变化的影响以及相变潜热的影响。k e n n e d y 等【2 9 】利用大型有限元软件 a b a q u s 建立轮轨温度场有限元模型,研究瞬态热流分配系数,车轮和钢轨采用软件 提供的特殊的时空热单元,在接触区有很大的热传导系数,而在切向具有很小的热传 导系数,摩擦热流密度直接施加在这一层单元的中间部位,从而摩擦热的分配不是预 先假定的值而是通过问题求解自动控制。文中将有限元计算结果与三种解析法求解进 行了比较,结果发现解析求法中热流分配系数取值不当的产生了不切实际的结果。其 中假设接触斑上为均匀分布的压力,该模型忽略了车轮的圆形形状,直接把车轮处理 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 成平面,模型只考虑热分析,未考虑材料弹塑性变形对其的影响。 用数值法求解轮轨摩擦生热方面,国内做得工作不多,但也取得了一定的成果。 裴有福等1 6 】利用有限元软件a l g o r 对轮轨摩擦温升作了研究,同时计算了二维和三维模 型,三维热冲击瞬态分析结果与二维类似,只是数值略低冷却速度变慢。孙琼等 2 3 1 应 用传热学原理建立了轮轨接触传热的二维模型,指出用解析解难以求出接触区以外的 温升,因而数值法得以应用,利用有限差分法求得轮轨接触温升的完全解。王步康等p u j 利用有限元软件a n s y s 建立二维滑动模型,对滑动摩擦温度场及应力场作了分析,表 明滑动摩擦接触最大作用点在接触区后端,与j o h n s o n 3 1j 解析解一致,该文通过研究接 触区的温度、应力和变形在运动学状态下的变化特性,得到接触状态的非稳定性造成 实际摩擦状态的不同。苏航等【3 2 j 分析了车轮钢摩擦热影响区的相变过程及其损伤机理, 其中将二维热力耦合有限元计算和材料相变特征的试验研究相结合,该文没有考虑材 料弹性模量和屈服强度等参数随温度变化的影响,没有考虑材料变形对温度的影响, 且采用的简化模型与实际有所差异。李伟等1 3 3 j 利用有限元分析软件a b a q u s 建立了轮 轨接触热机耦合熟弹性平面应变模型。模型中考虑了材料参数随温度变化的影响,采 用弹塑性有限元模型,研究了车轮滑行时轮轨接触温度场和应力场的影响。得到结果 表明最大等效应力发生在接触斑后半轴靠近接触区的边缘处,轮轨摩擦热响应区主要 分布在接触表面约2 5 m m 深度范围内,随着深度的增加其影响越来越小。文献【3 4 】在 文献 3 5 3 7 基础上基于完全热力耦合法,采用双线性的塑性本构模型,考虑了材料物 性参数随温度的变化,分析了蠕滑率对温升、残余应变和残余应力的影响,同样采用 移动热源法,未考虑车轮和钢轨间的相互导热作用。吴磊等1 3 8 , 3 9 基于有限元法和移动 热源法,分析了二维车轮全滑动和三维车轮原地打滑情况下温度场,考虑轮轨间的非 稳态热传导以及轮轨自由表面的热对流和热辐射边界条件,考虑材料物性参数随温度 的变化,未考虑轮轨间的相互耦合。赵鑫【3 5 】利用改进的有限元软件t j 2 d 与j c m z d 组合计算分析车轮和钢轨的摩擦温度场和应力场分布,考虑了轮轨接触间非稳态热传 导,以及车轮和钢轨的自由表面与环境的对流换热和热辐射的影响,但未考虑变形场 对应力场的影响,而且忽略了弹性蠕滑率的影响,利用移动热源法计算车轮的轮动和 滑动工况下的温度场和应力场,通过逐步加长热流边界长度来模拟接触斑的扩大。并 分析了表面不平顺的影响。论文最后尝试利用接触对算法,但对于热结构耦合求解仍 是分步求解。 在其他热接触耦合分析方面也有不少研究。k u l k a m i 等1 4 0 】利用有限元软件a b a q u s 建立二维滚动滑动接触耦合模型,计算分析了无限体平面的温度变化、应力和弹性应 变分布以及塑性变形的分布情况,但模型中未考虑温度变化对材料参数的影响。关莹 等【4 l 】介绍了热机耦合问题的求解方法,指出对于大位移动态的接触问题应采用直接耦 合法更加精确,并且首次对某提速客车的双踏面制动过程进行了数值仿真。徐建生, 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 王仕仙等【4 2 , 4 3 禾u 用有限元软件a n s y s 建立了滑动摩擦副的热结构耦合模型,利用耦 合单元求解,计算了模型的温度场以及热应力场,考虑了接触热阻的影响,研究了模 型在各种转速和载荷下的温度场变化,并通过试验验证计算模型的正确性。 综上所述,数值解更优于解析解,解析法只能求出局部解。轮轨复杂的摩擦问题 涉及到多物理场耦合问题,有限元法求解是更好的选择。有限元方法的求解过程可分 为非定常温度场与定常温度场有限元法。其中定常温度场有限元法的求解过程只考虑 温度对接触应力和应变的影响,而不考虑应力合应变对温度场的影响,求解过程可以 先计算温度场,而后计算应力和应变场。非定常温度场的有限元方法中,不但要考虑 温度场对应力和应变的影响,而且要考虑应力和应变对温度场的影响,温度场与应力 和应变场是耦合的,而且有限元方程也是耦合的1 37 1 。在高速列车行驶过程中,轮轨摩 擦生热问题是一个非定常耦合场问题。摩擦温度变化影响结构的变形、材料的性质等, 而且结构的变形也反过来改变边界条件,进而影响温度的变化,即温度和位移两种不 同的场变量之间存在很强的耦合作用。若先计算温度、后分析热应力的解耦方法分析 温度和位移存在强耦合作用的问题会产生较大的误差,比较精确的分析轮轨摩擦问题 应按照热结构直接耦合求解方法,同时处理力平衡和热传导两种不同场的方程。 1 3a n s y s 在摩擦接触方面的应用 本文应用a n s y s 的接触分析能力和隐式算法对轮轨摩擦生热问题进行了分析和 研究。具体模型中采用面面接触方式建立接触,选择目标单元为t a r g e l 6 9 ,接触单 元为c o n t a l 7 2 ;利用四节点平面热结构耦合单元p l a n e l 3 来进行网格划分;在接 触算法方面采用扩张的拉格郎日算法;计算中采用不对称求解器来求解轮轨关系中的 复杂摩擦问题,从而改善了收敛;模型中考虑了对流换热以及接触间的热传导。 轮轨接触是一种高度非线性的问题,需要耗费较大的计算资源,为了进行更精准 更有效的计算,合理模型的建立也是非常重要的。其中接触问题存在两个难点:首先, 在求解问题之前并不知道具体接触区域大小,表面接触状态是接触或分开是未知的, 而且是突然变化的,这与载荷、材料、边界条件和其它因素有关:其次,接触问题大 多数需要计算摩擦,由于这种接触是非线性的,所以摩擦问题使接触的收敛性变得困 难。大型有限元a n s y s 具有强大的网格处理能力、高精度非线性问题求解以及强大的 耦合求解能力,并且得到了广泛的应用,实践证明a n s y s 是一种非常有效的数值方法, 而且理论上也已经证明。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 1 一般的接触分类 接触问题分为两种基本类型:刚柔接触、柔柔接触。在刚体柔体接触的问题中, 接触面的一个或多个被看作刚体,其与接触的变形体相比较,有大得多的刚度。在常 规情况下,一种较软材料和另一种较硬材料相接触时,该问题则可以假定为刚柔接触, 许多金属成形问题被归类为刚柔接触。另一种是柔体柔体相互接触,是一种更为广泛 的类型,在柔柔接触的情况下,两个接触体均为变形体( 有相近的刚度) 1 4 4 】。 1 3 2 接触能力 a n s y s 软件支持三种接触方式:点点、点面以及面面接触,针对特定问题不同 的接触方式均有所适用的接触单元。 本文主要应用面一面接触方式进行计算,在a n s y s 中分别用t a r g e l 6 9 和 t a r g e l7 0 来模拟二维和三维的目标面,用c o n t a l7 1 、c o n t a l7 2 和c o n t a l7 3 、 c o n t a l 7 4 来分别模拟接触面。一个目标单元和一个接触单元组成一个接触对,计算 中程序通过一个共用的实常数号来识别接触对,所以建立一个接触对时需给目标单元 和接触单元指定相同的实常数号。 与点面接触方式相比,面面接触单元有很多的优点m 】:面面接触支持低阶、高 阶单元。可以模拟有摩擦的大变形与大滑动情况,设置中提供不对称刚度矩阵的选项。 可以不受接触物体表面形状的限制,而且可以提供工程中需要的摩擦应力与法向压力 等结果。由于建立接触时需要较多的接触单元,因而需要较小的c p u 时间和磁盘空间。 在接触算法方面,本文采用扩张的拉格朗日算法。在面面的接触单元中,程序可 以通过单元关键字选项来选择使用扩张的拉格朗日算法或者罚函数方法。使用扩张的 拉格朗日法是为了找到对应精确的拉格朗日乘子,从而对罚函数修正项进行反复迭代。 拉格朗日算法与罚函数方法相比,优点在于不易引起病态情况,对接触刚度有较小的 灵敏度,但是在物体变形后网格变得太扭曲的情况下,扩张的拉格朗日算法会需要较 多的迭代。 接触单元刚度矩阵对无摩擦的接触是对称的,而涉及到摩擦接触的问题则产生一 个不对称的刚度矩阵,所以在每次迭代时使用不对称的求解器,这耗费更多的计算时 间,a n s y s 程序中默认采用对称化的算法。简单的摩擦接触问题可以采用对称求解 系统求解。但是摩擦力对求解过程有高度依赖性时,如使用对称系统的求解器会降低 收敛性。本文在求解轮轨摩擦接触问题中,选择使用不对称求解器选项 ( n r o p t , u n s y m ) 来提高收敛。 接触中,接触检查点位于接触单元的高斯积分节点上,在高斯积分节点上,目标 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 面可以渗透进入接触面,而接触单元则不渗透进入目标面,如图1 2 所示。 接 高斯积分点 i i t1 2 接触检查点位于高斯积分节点上 4 4 1 在a n s y s 面面接触单元默认使用高斯积分点,因为高斯积分点会比牛顿柯特斯 积分节点计算出的结果更准确,相比牛顿柯特斯使用节点本身作为积分点,这种方法 只能应用于角接触问题,如图1 3 所示。 1 3 3 热接触分析 图1 3 接触检查点位于高斯节点上1 4 4 1 在热结构耦合实体单元或热单元中,可以用面面接触单元来建立接触面间的热传 导模型。若要激活结构和热自由度,需设置k e y o p t ( 1 ) = 1 。如果只激活热自由度, 则设置k e y o p t ( 1 ) = 2 。当设置为2 时,a n s y s 忽略摩擦生热的影响。 每个接触对可以包含一个或多个热接触特征并且热接触特征依赖于接触状态: 1 ) 封闭接触:在两个物体的接触面之间进行传热。 2 ) 近场接触:接触面和目标面间的热对流和热辐射以及外部的通量值对接触面的 贡献。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 3 ) 摩擦滑动:在接触面和目标面的摩擦耗能产生热。 4 ) 自由面接触:自由表面和环境间的热对流和热辐射以及外部的通量值对接触面 和目标面的贡献。 若考虑接触面和目标面间的热传导,需要指定接触热传导系数t c c 。接触和目标 面之间的热传导定义如下 q = t c c x ( t , 一乃) ( 1 1 ) 式中:g 为单位热流量;t c c 为接触热传导系数;乃为在目标面上的接触点的温度; 瓦为在接触面上的接触点的温度。t c c 值可通过实常量输入,可以是温度、压力、时 间等的函数,也可以是矩阵分布。 1 3 4 摩擦生热分析 在a n s y s 中为建立由于摩擦耗散能而生热的模型,应运用瞬态热结构耦合分析。 若不用瞬态,则可以通过关闭在结构自由度中的瞬态响应( t i m i n t , s t r u c ,o f f ) 。但 是在热自由度中必须包括瞬态影响。需要设置以下两个实常量g 1 ) f h t g 摩擦耗散能量转换成热。 2 ) f w g t 接触面和目标面间的热分布权重因子,即热分配系数。 在热结构耦合接触模型中,摩擦耗散比率由以下给出: q = f h t g f x v ( 1 - 2 ) 式中:f h t g 为摩擦耗散能转换成热的部分;f 为当量摩擦应力;v 为滑行率。f h t g 的缺省值是1 ,可以作为实常量输入。如果是零,必须输入一个很小的值才是有效的。 如果输入零,a n s y s 会默认为是缺省值。 在接触面和目标面上定义的摩擦耗散量如下: 吼= f w g t x f h t g x f x v ( 1 - 3 ) q ,= ( 1 一f w g t ) x f h t g f x v ( 1 4 ) 式中:吼为接触边;g f 为目标边; f w g t 为接触面和目标面间热分布的权重因子。 f w g t 同样作为实常量输入。缺省时f w g t = 0 5 。如果是零,处理方法和f h t g 相同。 在接触单元应用热通量时可以通过s f e 命令来建立外部热通量,而且只可应用均 匀的热通量。但是热通量不能应用于目标单元。对于在近场接触下,外部的热通量应 用在接触将作用于目标单元。 对于自由热表面,如果目标单元的选项k e y o p t ( 3 ) = l ,外部的热通量仅可应用 于接触边。在接触单元上可指定热通量h f l u x 或对流c o n v ,但是不能同时指定两 者。此时,可以定义不同的接触对使得一个模型热通量,而另一个模型对流。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 1 4 论文主要研究工作 本文研究轮轨关系问题,工作涉及弹塑性力学、摩擦学、传热学、有限元方法、 接触力学等多学科领域,主要应用大型有限元软件a n s y s 针对轮轨滚动和滑动接触热 力耦合行为进行建模计算,分析车辆运行各种工况下轮轨的温度场和应力场等分布状 况和特点。 首先搜索并阅读大量相关文献,总结国内外研究现状及其所使用的方法,之后确 定研究方案,进行有限元计算分析。 论文主要研究工作如下: ( 1 ) 建立轮轨纯滑动摩擦生热模型,考虑轮轨间的热传导以及轮轨自由表面与环境 的热对流,采用直接耦合法计算轮轨的温度场和应力场。对比分析了耦合作用和只有 机械载荷作用下的轮轨应力场分布,以及材料参数随温度变化对滑动摩擦生热的影响 和材料弹塑性变形的影响,并计算分析了不同摩擦因数、载荷和速度对摩擦生热的影 响。 ( 2 ) 建立轮轨滚滑摩擦接触模型,同样考虑轮轨间的导热以及轮轨自由表面与环境 的热对流,由于滚动接触温升较低,忽略温度对材料参数的影响,采用直接耦合法求 解车轮滚滑时的摩擦生热。对比分析了耦合作用和只有机械载荷作用下的轮轨应力场 分布,并分析了不同载荷、摩擦因数和蠕滑率对轮轨表面最高温升和应力的影响。 ( 3 ) 结合试验机进行试验模拟计算,模拟试验实际工况,针对轮轨接触区附近的温 度场和应力场进行了分析,给磨损试验模拟提供了数据参考。 论文最后对轮轨摩擦生热的研究工作进行总结,并对轮轨接触热耦合分析研究进 行了展望。 1 5 本章小结 本章概述了我国高速重载铁路目前的发展形势以及面临的问题。阐述了国内外学 者在轮轨摩擦生热问题方面的一些研究工作以及对a n s y s 在摩擦生热方面的应用做 了介绍,并说明了本论文的主要研究工作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章摩擦生热的相关理论 车轮在加速牵引和紧急制动情况下很容易产生大量的摩擦热,并且摩擦热量集中 于较小的接触斑附近,其接触状态和大小并不能提前预知。本论文应用有限元软件 a n s y s 建立的轮轨接触热弹性平面模型,利用热结构直接耦合法求解,分别计算了 轮轨滑动和滚动摩擦接触工况引起的温升和热应力等,并针对不同工况进行了分析。 2 1h e r t z 接触理论 在恒定轮载作用下,通常利用h e r t z 接触理论来计算轮轨接触斑的大小及压力分布 情况。在这种情况下,接触斑为椭圆形分布,接触压力分布如下【4 5 】: p ( x ,y ) = 岛 ( 2 - 1 ) 援触斑上最大援触2 盘力为: 风= 五3 f 万( 2 - 2 ) 其中,f 为轮载,a 、b 为椭圆接触斑的长短半轴,口在车轮滚动方向上。a 、b 大小由 以下各式给出: =3gpa m 万 (2-32-34(a ) = 一l i 9 ) i 、7 汹 3 g p l4 ( 4 万 ( 2 4 ) 孓) i 、7 式中:a 、b 由车轮和钢轨面的主曲率大小以及平面间的夹角来决定;系数所、刀与彳、 b 有关。这四个参数的值可参考文献【4 6 1 。式( 2 3 ) 、( 2 4 ) ) 中g 由下式给出 g = 半+ 警 ( 2 - 5 ) e 1 e 、 、。 式中:e l 、d l 和e 2 、1 1 2 分别表示钢轨和车轮的弹性模量、泊松比。 文中将轮轨模型简化为二维摩擦接触模型,并看作平面应变问题。车轮中心加载 横向单位长度的法向作用力肌考虑h e r t z 接触理论的相关公式。当一个圆柱体作用于 一个半空间平面上时,可视为平面i 口- j 题,且可按h e r t z 理论处理。可得接触斑所受的压 力分布1 4 5 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 p ( x 1 = p o 接触斑上最大接触压力肋出现在接触斑的中心: 2 形 风2 万口 比较( 2 2 ) 和( 2 - 7 ) 可得 w :3 f 2 2 固体摩擦理论 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 1 、滑动摩擦1 4 在滑动摩擦中,摩擦因数的变化及影响因素是一项具有普遍意义的研究课题。摩 擦因数是摩擦副系统的综合特性,受滑动过程中各种因素的影响。因此,确定摩擦因 数准确的数据以及全面考虑各种因素的影响是十分困难的。 载荷通过变形状态和实际接触面积的大小来影响摩擦力。一般金属表面处在弹塑 性接触状态下,因为实际的接触面积和载荷的非线性关系,摩擦因数随载荷的增加而 降低。滑动速度影响摩擦力主要决定于温度状况。滑动速度引发的发热及温度变化, 使表面层的性质发生了改变,也改变了摩擦表面的相互作用和破坏条件,因此摩擦因 数必随之变化。大多数试验表明:随着摩擦温度的升高,摩擦因数逐渐增加,而当材 料表面温度很高使材料软化时,摩擦因数是降低的。 2 、滚动摩擦1 4 7 1 滚动摩擦为一物体在另一物体的表面上滚动时遇到阻力。滚动运动可视为自由滚 动、具有牵引力的滚动、伴随滑动的滚动三种滚动形式的组合。 引起滚动摩擦阻力因素主要有以下四种: 1 ) 微观滑动:当弹性模量不同的两个物体接触而发生滚动情况下,在接触表面产 生不相等的切向位移,从而产生微观滑动出现。在传递机械能的滚动接触表面上有切 向牵引力作用时,会产生较大的微观滑动。由于几何形状使接触面上两物体表面的切 向速度不相同时,会导致更大的微观滑动。 2 ) 塑性变形:滚动时,当接触应力达到一定大小时,首先在距离表面一定深度位 置产生塑性变形。并随着载荷的增加塑性变形区域逐渐扩大。 3 ) 弹性滞后:滚动过程中,物体产生弹性变形时需要一定的能量,弹性变形能的 大部分在接触消除后能得到回复,而小部分消耗于弹性滞后现象。 4 ) 粘着效应:在滚动中,表面相互挤压而形成的粘着结点将从垂直于接触面的方 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 向分离。由于结点分离受到拉力的作用,无结点面积扩大的现象,故粘着力很小。在 铁路运输中,轮轨摩擦时还必须要保证一定的粘着性能,来防止滚动过程中的打滑而 使磨损加剧。轮轨间的粘着效应与轮轨间的接触状态、材料性能及环境的污染有着密 切的联系。 2 3 传热学理论 传热是自然界中最普遍的现象之一。由于传热学是以宏观的、现象的方式来研究 热传导问题,因此需要引入连续介质的假定,以应用连续函数来描述温度的分布。温 度场是在一定时间和空间上的温度分布,可以表示为空间坐标与时间的函数,在直角 坐标系中,温度场可表示如下【4 8 】: t = ( x ,y ,z ,f ) ( 2 - 9 ) 式中卜温度; x ,y ,卜三个空间坐标; 卜时间。 当o t o r = 0 时称该温度场为稳态温度场,否则为非稳态温度场。 2 3 1 基本传热方式 基本热量传递的方式有以下三种f 4 9 1 : 1 ) 热传导 在物体的内部或相互接触的物体表面之间,由于微观粒子之间的热运动而产生的 热量传递现象称作热传导( 简称导热) 。 导热分为稳态导热和非稳态导热。稳态导热即忽略温度随时间的变化,只考虑温 度的空间分布:与之相反非稳态导热是指物体的温度随时间变化的热传导过程。 2 l 熟对流 由于流体的宏观运动使温度不同的流体产生相对位移,从而产生的热量传递的现 象。热对流只能发生在流体之中,而且必然伴有由于微观粒子热运动产生的导热。固 体与流体表面之间的热量传递是热对流和热传导两种基本传热方式共同作用的结果, 这种现象叫对流换热。对流换热以牛顿冷却公式为基本计算公式,即 q = h m ( 2 9 ) 或对于面积为a 的接触面 =ahat。(2-1 o ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 式中 出朋一换热面积a 上的平均温差; 卜对流换热系数。 3 ) 热辐射 由于物体内部微观粒子的热运动而使物体向外发射辐射能的现象称之为热辐射。 2 3 2 导热基本定律 法国物理学家傅里叶于1 8 2 2 年提出著名的导热基本定律一傅里叶定律。对于物性 参数不随方向变化的各向同性物体,傅里叶的数学表达式为【4 9 】 盱a g 翮卅妄玎 ( 2 - 1 1 ) 式中,卜单位法向量; 8 t 锄一温度沿甩方向的导数。 傅里叶定律表明,导热热流密度的大小与温度梯度的绝对值成正比,其方向与温 度梯度的方向相反。该定律只适用于各向同性物体。 在各向异性材料中,导热系数不再是一个与方向无关的标量,沿各个方向的导热 系数将不同。热流向量的分量一般取决于x ,y ,z 三个方向的温度梯度的线性组合,可 表示为 一吼= 砧罢+ 如言+ 丸兰 , 一乃= 站妄+ 九考+ k 鲁 一吼= 九罢+ 勺考+ 如鲁 上式写成向量的形式为 ( 2 1 2 ) q = - ) g r a d t ( 2 - 1 3 ) lk 知kl 式中: 允= jk ki ( 2 - 1 4 ) 【- 丸勾乞j 式( 2 1 4 ) 是各向异性材料的导热系数,它是一个二阶张量,由9 个导热系数分量组成。 将坐标系( x ,y ,z ) 绕原点o 旋转一个角度后,根据线性变换性质,总可以选择 一个适当的坐标系( 亡,珂,f ) ,使矩阵a 进一步转换为对角矩阵,即把式( 2 1 2 ) 转换为 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 魄 心 - 久 o = 一io九 00 l 西 踏 8 t 0 r a 8 乞 ( 2 - 1 5 ) 亦即 口;一t 妻,一九苗,鲰一九善 ( 2 - 1 6 ) 口 一t 面一一面q f 一瓦 o 此时坐标系( 孝,叮,f ) 称为导热系数的主轴,而如、厶、如称为各项异性材料的三个 主导热系数。 2 3 3 固体导热问题的数学描述 固体导热问题的数学描述包括导热微分方程和单值性条件。 2 3 3 1 导热微分方程 根据傅里叶定律以及能量守恒原理可以得到含有内热源的各向同性物体中的导热 微分方型4 9 1 : p c :c o t :v
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 2024年祁阳市市直机关遴选考试真题
- 中华传统文化实践教育知到智慧树答案
- 中文文献资料检索知到智慧树答案
- 中西文化对比知到智慧树答案
- 2025标识标牌定制化产品研发与市场推广合同
- 2025年二手车深度检查与维修合同协议书
- 2025代销协议书-健康养生产品区域分销合同
- 2025版新型建材涂料粉刷施工合作协议书
- 2025年度新型防盗窗安装及保养服务合同范本
- 2025版农业科技园租赁合同
- 中学历史教师课程思政研修计划
- 2025年法宣试题及答案
- 2025年公租房入住合同范例
- 征兵业务培训
- Unit 6 Useful numbers Part C Project(说课稿)-2024-2025学年人教PEP版(2024)英语三年级上册
- 危险废物处置服务协议
- 《观光农业概论》课件
- 派出所签订治安调解协议书范文
- 情境领导力培训课件
- DBJ41T 277-2023 装配式钢结构集成楼盖应用技术规程 河南省工程建设标准(住建厅版)
- 飞灰螯合物运输服务方案
评论
0/150
提交评论