（机械电子工程专业论文）钢轨焊接接头应力的有限元分析.pdf

jj j i i i | i j | | | i j j l | | j j i | | | i j | i i j i 咖0 y 17 7 6 2 8 8 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e ji a n gu n i v e r s i 够o f7 i e c hn o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fs t r e s si n r a i l w e l d i n gj o i n t c a n d i d a t e ：s h ij i a n k u i a d v i s o r ：s o n gy u q u a n c o n e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s 时o ft e c h n o l o g y a p r 2 0 1 0 r ，j1一 一 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名：日期：小年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 破墨 物昏 日期：z 卜年6 月f 日 日期：z 小年 月 1 日 ， - l ， j 膏4 娥 i l 鼍 浙江工业大学硕士学位论文 钢轨焊接接头应力的有限元分析 摘要 当今世界铁路，以无缝线路代替鱼尾板钢轨接头来连接轨道上相邻两根钢轨是一种首 选的方法。无缝线路的应用在很大程度上降低轮轨冲击载荷和提高钢轨的使用寿命，但随 着铁路运行速度的提高，钢轨焊接接头伤损问题变得越来越严重，从而导致较高的铁路运 营成本，直接影响铁路运输安全。因此，开展钢轨焊接接头研究具有很强的理论意义和工 程应用背景，并可以取得巨大的经济效益和社会效益。 本文以轨道力学理论和有限元法为基础，应用数值仿真方法对焊接接头力学问题进行 研究。主要工作如下： 1 利用大型有限元软件a n s y s 建立弹塑性钢轨焊接接头有限元模型，并进行有限元 分析，从而得到钢轨焊缝内弹塑性应力分布状态，并与弹性模型结果比较，研究结果对于 揭示轨头的破坏机理具有指导作用。 2 将有限元仿真结果与理论公式的计算结果进行比较，从而验证模型的正确性。 3 对于钢轨接头的材料特性，主要分析弹性模量、泊松比的影响。弹性模量和泊松 比对钢轨焊缝内弹塑性应力场的影响主要表现在对最大剪切应力的影响，而对最大等效应 力影响很小。同时还分析了材料屈服强度对钢轨焊缝内弹塑性应力场的影响。 4 对于扣件参数，主要分析了横向刚度、轨下垫层刚度对钢轨焊缝内弹塑性应力场 的影响。 5 最后在全面总结论文工作的基础上，提出了今后可能的研究方向。 关键词：焊接接头，力学性能，数值模拟，有限元 浙江工业大学硕士学位论文 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fs t r e s si nr a i l w e l d i n gj o i n t a b s t r a c t c o n t i n u o u s l y - w e l d e dr a i l ( c w r ) h a sr e p l a c e db o l t e dr a i lj o i 鹏硒恤p r e f e r r c dm e t l l o do f j o i n 啦r a i l si nt r a c ka l lo v e rt l l ew o r l d i h ec r we 伍c i e n t l yr e d u c e s 舭l e v e lo fi n l p a c tf o r c e s b e t w e e nw h e e l 觚dr a i la tr a i lj o i 鹏a l l de x t e n d st h e s e i c el i f eo ft l l ew h e e la n dr a i l 、析m r e s p e c tt ob o l t e dr a i l h o w e v e r ，谢t l lm ei n c r e m e n to f 恤i ns p e e d ，t h ep h e n o m e n o no f 豫i lw e l d d e f e c t ( r w d ) s h o w sat e n d e n c yt ob es e v e r e t h er w d l e a d st 0t i l el l i g h e ro p e r a t i n gc o s t sa 1 1 d r e p r e s e n t so n eo ft l l em a i n r i s t sf o rs a f e t ) ，o fr a i l w a yo p e r a t i o n t h e r e f o r e ，行o mn l ep r a c t i c a l 锄d c o g l l i t i v ep o i n _ t so fv i e w ；s n l d i e so nr a i l 、e l d i n gj o h na r ev e r yi m p o r t 甜l t a n d g a i l le n o n l l o u s e c o n o m i cb e n e f i ta n ds o c i a lb e n e f i t i l lm i st h e s i s ，b a s e do nt l l eo r b i t a lm e c h a l l i c s 锄d 伍1 i t ee l e m e n tm e t l l o d ，t l l em e c h 越c p r o p e r t i e so fr a i lw e l d i n gj o i n ta r ei i e s t i g a t e d 血r o u g ht h en 啪e r i c a ls i m u l a t i o n n l em a i n w o r kc o u l db ed e s c r i b e d 弱f o l l o w s ： 1 a n s y s ，t l l e 觚t ee l e m e ms o f 时a r e ，i sa d o p t e dt 0e s t a b l i s h 觚e l a s t o - p l a s t i c 觚t e e l e m e n tm o d e lo fm er a i lw e l d i i 培j o i n t a r m l y s e sw e r em a d ew i 也m i sm o d e l 也ed i s t r i b u t i o no f e l 觞t i c 巾l 蠲t i cs n e s s i i lr a i lw e l dw 嬲d i s p l a y e d 觚d 也er c s l l l t sc o m p a r e d 埘mt l l ee l a s t i c m o d e l t h er e s u l t sc o u l db er e f e r e n c e dt 0 如n l l e ru i l d e r s t a i l dt l l em e c h a l l i s mo ft l l ed a m a g eo n 也er a i l - h e a d 2 t h es i l n u l a t i o nr e s u l t s 觚dt i l e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr c s u n - sw e r ec o m p a r e d a tl 嬲t ，t l l e m o d e li sc h e c k e d 3 1 1 1 ei i l f l u e n c e so fm a t e r i a lc h 盯a c t e r i s t i c s 协c l u d i n gy 0 岫g sm o d u l l l sa n dp o i s s o n se a t i o a 聆锄a 1 ) ，z e di i ln l ed i s s e r t a t i o n t h ea 舱l y s e ss h o wt h a ty 0 u i l g sm o d u l u sa n dp o i s s o n sm d i o 佃血u e n c e sg r e a t l ym a x i m 吼s h e a rs t 陀s s 锄dh a v el e s se g e c to n l em a x i m u i i le q m v a l e n ts 訇r e s s 锄dy i e l ds 仃e n g t l lc a i la 虢c t0 n 廿1 ed i s t r i b “0 no fe l 邪t i c _ p l 筋t i cg 吮s si nr a i lw e l d p 】 11i 浙江工业大学硕士学位论文 4 r e s e a r c hi sm a i l l l yd o n eo nt l l ei 1 1 f l u e n c eo ff a s t e n e rp a r 锄e t e r s ，s u c ha s 也el a t e r a l s t i 缸e s s ，龇s t i 筋e s so fr a i lp a d ，w m c hc 强a 虢c to nm ee l 鹤t i c - p l a s t i cs 仃e s sd i s t r i b u t i o no f t l l er a i lw e l d 5 f i n a l l y ，b 船e do nt l l e 也e s i s ，t i l ep o t e n t i a ld c t i o 璐t oa _ c t a c kt h e s eh a r dt a s t si nt l l e 如t l l r ea r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：r a i lw e l d i i l gj o i m ，m e c h a l l i cp r o p e n i e s ，m m l e r i c a ls i m u l a t i o n ，f i n i t ee l e m e n t m e t h o d 浙江工业大学硕士学位论文 摘要 目录 第l 章 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 第4 章 绪论1 研究背景及研究意义，l 高速铁路无缝线路钢轨焊接技术概述3 1 2 1 无缝线路钢轨焊接方法3 1 2 2钢轨焊接国内外技术应用概况5 轨道结构静力学特性的研究概况7 有限单元法的发展与应用8 本文的研究内容。9 轨道力学和数值模拟理论1 0 弓l 言i 1o 轨道力学1o 2 2 1 作用于轨道上的力1 0 2 2 2 钢轨应力及分类，1l 2 2 3 轨道竖向受力静力计算1 l 2 2 4 轨道横向受力计算1 4 2 2 5轨道动力响应的准静态计算。1 6 有限元法数值模拟理论l7 2 3 1有限元法的基本概念1 7 2 3 2有限元法的基础2 0 本章小结2 2 弹塑性钢轨焊接接头有限元模型2 3 c a e 平台的选择：2 3 有限元软件a n s y s 简介2 4 有限元分析流程2 5 定义单元类型2 5 材料特性2 6 钢轨焊接接头建模及单元划分2 7 本章小结。3 0 钢轨焊接接头有限元分析与模型验证3 2 分 p i j 1 _ i 浙江工业大学硕士学位论文 4 t 有限元模型加载与求解：3 2 4 2 模拟结果与分析3 4 4 3 有限元模型的验证3 8 4 4d 、结3 9 第5 章轨头焊缝内弹塑性应力场的影响参数分析 4 0 5 1钢轨弹性模量的影响4 0 5 2 钢轨泊松比的影响4 2 5 3 材料屈服强度的影响4 5 5 4 扣件的影响4 8 5 4 1 扣件横向刚度的影响4 8 5 4 2 轨下垫层刚度的影响5 0 5 5，j 、结5 3 第6 章结论与展望 6 1 结 念5 4 6 2 展望：。5 5 参考文献 致谢 攻读学位期间发表的学术论文目录 5 6 二 5 8 5 9 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究背景及研究意义 自1 8 2 5 年英国采用蒸汽机车进行客货运输以来，全世界已建成3 0 0 多万公里的铁路， 它曾经或现在依然是许多国家的主要交通工具。由于铁路运输速度快、运量大、安全性高、 准确性高、耗能少、工程投资低、舒适度高、效益好，相对于航空和公路运输而言污染小， 不受自然气候条件的严重制约，所以铁路工业在世界运输业中具有重要的不可代替的地位 【1 】。然而随着科学技术的进步，世界经济的迅速发展，各国铁路所面临的挑战也越来越严 峻，铁路的市场份额不断被其它交通工具占据，经济效益不断滑坡，到了2 0 世纪5 0 年代， 铁路运输业在发达国家成了夕阳产业。因此世界各国都积极更新旧铁路系统和发展高速重 载铁路以及城市快速轨道交通，特别是以日本新干线、法国t g v 和德国i c e 为代表的高 速铁路投入运营以来，它以安全可靠、技术创新、优质服务等特色为铁路运输的发展带来 了新的契机，为国民经济的发展带来了巨大动力。因此，欧洲、日本、加拿大、南非、澳 大利亚、美国、韩国等发达国家和地区，特别重视铁路相关技术问题的研究和开发，积极 发展高速重载铁路和城市轨道交通1 2 】。自改革开放以来，随着中国经济的高速发展，各地 的经济联系和交往越来越密切，铁路行业出现了新的机遇，随着高速重载铁路和城市轻轨 交通的迅速发展，其地位更显突出。我国幅员辽阔，但可用面积少，人口众多，能源和资 源缺乏，城市拥挤不堪，公路交通恶劣，更适合发展铁路轨道交通。目前由于我国经济持 续高速发展，导致铁路运力严重不足。所以，截至2 0 0 7 年我国主要干线进行了七次大提 速，1 2 0 l 【i 】 1 l l 以上的铁路延展里程达到2 2 万公里，其中，1 6 0 h 1 l l 以上的线路延展里程达 到1 4 万公里，2 0 0 l ( 1 1 1 l l 以上的铁路延展里程达到6 0 0 3 公里，但这仍然不能满足我国经济 快速发展的要求。2 0 0 4 年一月，我国通过了中长期铁路网规划，并提出了“扩大规模， 完善结构，提高质量，快速扩充能力，迅速提高装备水平 的发展目标。明确了我国铁路 网中长期建设目标，到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程将达到1 0 万公里以上，客运专线、高 速铁路达到1 万公里，城市轨道交通达到4 0 0 0 公里左右。因此在我国乃至全世界铁路轨 道交通史中即将出现新的建设和运输高潮【3 1 。 钢轨接头是轨道结构的薄弱环节之一，线路的钢轨接头不仅对线路设备、机车和车辆 的使用寿命、旅客的舒适度、能源的消耗等有一定的不良影响，而且还直接威胁着铁路行 1 j】 厶 氏 浙江工业大学硕士学位论文 车安全。实践证明，只有将钢轨焊接起来的无缝线路，才是彻底解决钢轨接头的稳固与平 顺的根本出路。无缝线路是现代铁路轨道结构的重大发展，它可以延长钢轨的使用寿命 2 0 3 0 ，平均减少钢轨损伤2 5 ，降低养路费3 0 ，降低行车阻力1 0 ，从而有利于 提高行车速度，减少车辆维修费用【4 】。因此，世界各国铁路竞相发展无缝线路。无缝线路 就是将普通钢轨焊接成一定长度的长轨条，用具有一定长度的长轨条焊联并铺设而成。长 钢轨的焊接是铺设无缝线路的重要环节。国内外普遍采用的钢轨焊接方法有4 种：闪光焊、 气压焊、铝热焊和电弧焊。我国主要采用前3 种焊法。据1 9 9 8 2 0 0 0 年统计结果，闪光 焊接头约占我国无缝线路接头总数的8 7 ，气压焊接头约占接头总数的1 0 ，铝热焊接 头约占接头总数的3 。 钢轨焊接后形成由焊缝、热影响区、母材组成的接头，其强度、塑性等力学性能出现 不同程度的降低，焊缝中也会出现焊接缺陷，是无缝线路的薄弱环节。自从上世纪7 0 年 代以来，无缝线路广泛在我国既有和新建线路上铺设，随着车辆运行速度的提高，我国大 部分线路出现了不同情况的轨裂、压溃、剥离、侧磨、波浪型磨损等疲劳破坏，严重时可 能造成钢轨的断裂甚至严重的脱轨事故。下图1 1 给出了一些钢轨焊接接头伤损情况。因 此研究轨道焊缝的力学特性，寻求降低轨道破坏的途径，对于保证轨道的强度和稳定，加 强轨道薄弱环节，优化轨道工作状态，提高轨道承载能力，最大限度地发挥既有轨道的潜 力，降低养路费用有重要意义。 图1 1 a 横向断裂1图1 1 b 竖直断裂 图卜1 c 铝热焊焊接接头表面压溃嘲 图1 1 d 闪光焊焊接接头表面压溃旧 图1 1 钢轨焊接接头伤损 2 浙江工业人学硕士学位论文 1 2 高速铁路无缝线路钢轨焊接技术概述 1 2 1无缝线路钢轨焊接方法 钢轨焊接方法主要有闪光焊、气压焊、铝热焊、电弧焊四种方法【6 j ，它们既适用于焊 长轨条，也适用于焊道岔。其生产效率高，焊接质量好，应用范围广。 ( 1 ) 闪光焊 1 预热闪光焊：是一种有断续预热过程的闪光焊法。采用间断电阻预热方式加热焊接 端面，使钢轨端面达到预热温度后，再连续闪光完成焊接。这种传统的焊接方法现在又有 了很大发展，如采用各种方式反馈以保持预热温度的稳定；为提高加热效率，采用次级整 流、三相低频、矩形波输入等新技术；顶锻过程采用可控方式；功率也逐步增大，有的高 达l 0 0 0 k v a 以上等【7 1 。 2 连续闪光焊：是一种没有断续预热过程的闪光焊法。主要特点是采用了程序控制电 压( 程控降压) 、降低二次回路阻抗、自动调节送进速度等措施，使闪光过程在较低电压 下仍保持稳定，提高了闪光对工件的加热效率，因而降低了功率消耗，焊接6 0 7 5 k g m 钢轨只需1 5 0 k v a l 6 1 。 3 脉动闪光焊：9 0 年代，由巴顿电焊所库丘克一雅琛科院士在连续闪光焊的基础上 开发出来的新工艺。其焊接工艺特点是闪光颗粒十分细小，过程稳定，加热效率高，热影 响区窄，节能。目前焊接1 0 0 0 0 衄2 断面钢轨仅需6 0 7 0 秒，实现了优质高效化焊接嗍。 4 钢轨与高锰钢辙叉的焊接：高锰钢线膨胀系数大( 约是碳钢的2 倍) ，导热性差( 碳 钢的1 3 左右) ，在与钢轨的焊接中会产生较大的焊接应力。因此，这些物理特性就决定 了碳钢与高锰钢不能直接进行焊接。国际上目前应用较为成熟的焊接钢轨与高锰钢的方法 是用奥地利奥钢联( v o e s t - a l p 仆范) 发明并生产的接触焊“过渡块【9 1 、法国科吉飞工 业公司( c o g i f e ri n d u s t i e s ) 的过渡层两次闪光焊法。这两个公司的高锰钢辙叉产品 已经批量用于铁路多年，取得良好的效果。 该方法的材料是由一种用铌( n b ) 或钛( n ) 稳定化处理的低碳奥氏体钢；是一种 铬镍成分构成的钢，含碳量在0 0 6 。钢中钛的含量至少相当于碳量的5 倍，铌的含量至 少相当于碳量的1 0 倍。过渡块成分中铬的含量在1 7 5 ；镍的含量在9 5 ，其余是铁和 一般铁的伴生元素【9 】。高锰钢整铸件与“过渡块 焊接后，再和4 根耐磨钢轨用闪光焊方 法焊接而成。其焊接工艺过程为： 先用奥氏体材料制成钢轨形状做过渡层( 5 0 0 n 吼) ，与一节钢轨用闪光焊方法焊 起来，然后在8 5 0 0 c 左右温度下进行扩散退火约3 h ，再在空气中自然冷却。通过扩散，使连 3 浙江工业大学硕士学位论文 接件和钢轨完全不同的合金浓度差达到平衡，以消除可能形成的马氏体。 厶热处理后，切去多余连接件长度，只保留约2 5 m m 左右已焊接好的连接件，保留的 准确长度应是与高锰钢辙叉焊接总烧化量的一半加5 1 0 衄。 用带有过渡层的钢轨与高锰钢辙叉进行二次焊接，焊后在空气中冷却。 对焊接接头部分进行硬化处理，使整个接头部位硬度趋于一致。 ： 在使用现场进行钢轨之间的焊接，完成整个高锰钢辙叉与钢轨的焊接。 ( 2 ) 气压焊， 。 + 钢轨气压焊主要应用于我国铁路线路上焊接无缝线路各类型长钢轨的联合接头，亦可 进行异型钢轨接头、线路上钢轨的焊接以及组成“移动式焊轨基地 代替厂焊。传统的气 压焊工艺采用定压或两段加压顶锻焊接方式焊接。目前普遍采用小型移动式钢轨气压焊 。机、“三段加压 新工艺进行钢轨现场焊接。h g i i 钢轨超长气压焊接机、y j 6 6 0 型气压 焊机、+ 型钢轨气压焊机等焊机是其典型设备。近年来，随着小型气压焊机的机械 化、自动化控制水平的提高，保证焊接参数的稳定性【1 0 1 ，焊接质量得到明显提高。 铷 p 7 y h j 钢轨气压焊机采用双柱导向、卧式结构，以轨底定位、轨顶螺栓顶紧，斜铁 夹轨腰的定位加紧方式并用油缸夹紧；推凸机自代动力油缸。刀体与动力油缸连接成一体， 具有体积小、刀体抗变形能力高的特点。这种设备压接机与推凸机各自独立，能实现在不 一 增加作业强度的基础上钢轨焊接的保压推凸，既保证了钢轨焊接的外观质量，也保证了钢 。 轨焊接的内在质量，从而有效降低了断轨率，确保了无缝线路的的行车安全。 ， y j 6 6 0 4 4 0l d b t - z n 1 全自动数字化多功能钢轨气压焊机的新型自动控制系统由四 大部分组成【川2 】：主控制箱、气体控制箱、油压转换机构及摆火机构。该机的控制系统采 ， 。 用现代先进的数字化、模块化设计技术进行总体设计，具有多种功能：工作方式可选用手 。 动自动焊接、手动自动正火、单旋钮或遥控等多种方式；所有焊接参数均可在操作控制 面板上以数字形式进行精确设置( 主要包括加热器摆频与摆幅给定；三段顶锻压力给定； 气体配比与流量给定与遥控调节；焊接各阶段时间给定) ：焊接过程按程序自动完成。该 机主要由压接机、气体流量与配比智能控制与遥控模块、焊接压力自动转换控制模块、加 - 热器摆火控制模块、p l c 输入输出模块及控制箱组成。控制系统具有装卸、维护方便， 一 ，体积小巧，重量轻；便于移动，符合我国行业标准，性价比高，以及优质高效焊接的明显 特点，使用于钢轨现场焊接的各种工况。 。 ( 3 ) 铝热焊 广铁于2 0 0 0 年应用德国n e r m i t 公司s k v 钢轨铝热焊技术，采用双侧顶浇铸，短 4 浙江工业大学硕士学位论文 时快速预热，大剂量焊剂及自熔塞和焊瘤推除等先进工艺焊接钢轨，较好的提高了焊接质 量，减少铸造缩孔等缺陷，特别s 6 0 砂型消除了焊后咬边现象。该铝热焊具有预留轨缝 2 5 、5 0 、8 0 衄可供选择，能满足不同焊缝宽度的焊接需要，能采用多次坩埚或一次性坩 埚，并具有坩埚支架为一体的特点。 采用q p c j 钢轨铝热焊接工艺，保证在无缝线路锁定轨温不变的前提下，进行无缝线 路伤损钢轨修复和应力放散，具有作业程序简单、方法易于掌握、作业人员少、机具轻便、 ， 劳动强度低、焊接外观平顺性好、焊头质量无缺陷、占用封锁时间短、扩大了作业轨温范 围、不出现无缝线路应力缝、并能保证原锁定轨温不变的优点，对超长无缝线路的伤损钢 轨修复、应力放散和将普通无缝线路改造成超长无缝线路，为铺设高速铁路无缝线路提供 了一种理想的焊接方法。 计算机控制钢轨铝热焊【1 3 】，目前荷兰已有智能焊接控制系统，可获得高质量均一的焊 头。计算机控制的智能焊接系统在焊接整个过程中进行预测，并把每个焊头的焊接参数由 1 2 个通道进行时实记录。所有数据都存储在送给用户的c d r o m 中，一般每个焊头的监 钡9 为2 m i i l 。 ( 4 ) 电弧焊 除传统的手工焊外，近年来电弧焊又有些新方法用于焊轨工程。英国w a 公司采用 药芯焊丝、明弧自保护半自动焊接方法进行钢轨焊接及道岔焊接，不需焊剂和保护气体， 焊前只需简单预热，焊后不需热处理，工艺简单。这种多功能自动焊机( 型号w a m s d 2 呲) 属轻便型装置，具有模块化及多功能特点的微电脑控制系统，可设置各种自动 焊接模式，存储多个标准工艺规范；在计算机控制面板上设置调节参数等【1 4 1 。经过英国 r a 胍a k 民用工程处、德国的d e u _ t s c h eb a l l i l 和法国国营铁路公司认证鉴定后，已经正 式应用于线路铺设中，效果好i 是一种值得推广的方法。 、 j 1 2 2 钢轨焊接国内外技术应用概况 世界各国的钢轨焊接技术各有特点： ( 1 ) 前苏联正线钢轨焊接只采用闪光焊。 ( 2 ) 日本高速铁路厂焊采用闪光焊和气压焊，现场焊采用气压焊、电弧焊和铝热焊。 由于东海道新干线上铝热焊接头在1 9 6 4 年1 9 7 4 年间不断出现质量问题，至1 9 7 6 年以 后己不再使用铝热焊，另世界上目前只有日本采用电弧焊进行新干线钢轨的三次焊接。 ( 3 ) 法国高速铁路厂焊采用闪光焊，现场焊采用闪光焊和铝热焊。 5 浙江工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 德国高速铁路现场焊采用铝热焊。 ， 闪光焊是各国铁路无缝线路中使用最广泛、也是最主要的钢轨焊接方法，在厂焊几乎 全部采用闪光焊，在现场焊中也正逐渐淘汰铝热焊和气压焊，转而采用闪光焊。闪光焊技 术和电阻焊技术几乎同时出现，1 8 8 5 年美国人t h o m s o n 教授取得了电阻对焊的专利，这 是有关电阻对焊的最早记录，1 8 8 6 年第一台电阻对焊机诞生，在1 9 0 3 年德国人首先使用 了闪光对焊，1 9 1 3 年首次有了闪光对焊的商业报道【”】。5 0 6 0 年代，苏联、美国、德国、 瑞士、日本以及其他一些国家对闪光焊的基本理论及闪光焊机的研制作了大量的工作，同 时有了闪光焊大量应用于各种材料的研究报道，使闪光焊技术研究和应用得到了迅速的发 展【1 6 1 。 目前，世界上先进的钢轨闪光焊机主要有次级整流闪光焊机和交流闪光焊机两种，各 有其优缺点。常用的交流闪光焊机有乌克兰巴顿研究所生产的k 1 9 0 k 、k 3 5 5 a 、k 9 0 0 和美国霍兰德公司( h o l l a n d ) 制造的k 3 5 5 h 型闪光焊机；常用的直流闪光焊机有瑞 士制造的g a a s 8 0 7 0 0 型和g a a s 8 0 5 8 0 型焊机1 1 7 j 。 。 一毳， 目前常用的交流k 系列的固定式焊机和g a a s 8 0 型焊机为提高焊机刚度，减少焊机变 形，。更多地采用了龙门式或框架式机体。在钢轨夹持对中方面：g a a s 8 0 和k 1 9 0 焊机上 下钳口夹持轨顶轨底，k 系列的移动式焊机采取钳口夹持钢轨轨腰的形式，a m s 6 0 以钢 轨工作面为基准，k 1 0 0 0 焊机钢轨水平和垂直对中。 我国长钢轨焊接从1 9 5 7 年开始，当时采用的是由捷克引进的电弧焊接技术，使用中。 发现采用这种焊接方法焊接质量低、铺设后接头断轨率高，后来相继拆除。以后从民主德 国引进的铝热焊接技术，焊剂也从民主德国进口。我国钢轨气压焊技术于1 9 5 7 年开始研 究，2 0 世纪7 0 年代末研制了移动式气压焊机。在7 0 年代中期由上海电焊机厂生产了 u n 6 5 0 0 型的钢轨闪光焊焊机，在几个主要焊轨厂试用，由于这种焊机与国外焊机水平 差异较大，因而在后来开始进口焊机的同时，即停止了生产和研究。到9 0 年代中期，由 中国南车集团戚墅堰机车车辆工艺研究所( 以后简称戚研所) 和上海市铁路局合作，国产 化了乌克兰巴顿焊接研究所的k 9 0 0 闪光焊机。 目前国内钢轨厂焊全部采用闪光焊技术，主力设备是瑞士施拉特公司的直流焊机 g a a s 8 0 7 0 0 型和g a a s 8 0 5 8 0 型，以预热闪光焊为主，预热闪光焊利用短路电流对钢轨预 热，要求焊机有较大的电力容量，从而使设备造价提高，也有部分乌克兰巴顿焊接研究所 的k 系列钢轨交流闪光焊焊机( 如k 1 0 0 0 ，k 9 0 0 ) 。钢轨现场焊主要采用气压焊和铝热焊， 但从2 0 0 2 年也开始在城市轨道线路中采用闪光焊技术进行钢轨焊接，闪光焊设备主要采 6 浙江工业大学硕+ 学位论文 用戚研所与上海市铁路局合作的现场闪光焊焊轨车( 如广州2 、3 、4 号地铁，武汉轻轨， 上海轻轨等线路) ，及乌克兰巴顿焊接研究所的移动闪光焊焊轨车。国内现场闪光焊焊轨 车的核心闪光焊机采用的主要是k 9 0 0 型和a m s 6 0 ，这两种焊机现场只能焊接钢轨长度 小于2 0 0 米，而国内铁路焊轨厂长钢轨产品在3 0 0 米5 0 0 米，因此急需开发能适用长轨 条焊接和最终锁定焊接的国产新型钢轨锁定闪光焊机，以满足我国既有铁路进一步提速和 高速铁路的要求。 1 3 轨道结构静力学特性的研究概况 铁路自诞生以来，人们就注意到列车载荷的作用问题，由于当时列车运行速度较低， 人们研究的重点主要集中在轨道结构在列车载荷作用下的承载力上。1 8 6 7 年，w i n k l e r 提 出了将轨道视为连续弹性基础上的无限长梁理论，2 0 世纪3 0 年代，美国学者 a z i m m e 册锄、a n 1 址b o t 对该理论进行了进一步的发展与完善，使其成为轨道结构承 载能力计算的经典理论【1 引。此后日本学者小野一良根据钢轨实际支承情况提出了连续弹 性点支承梁理论，这一理论假设更接近实际的钢轨支承情况，计算结果比较合理，同样成 为了轨道结构静力分析的重要理论，尽管连续基础梁理论及连续弹性点支承梁理论具有不 同假设条件，但由于钢轨实际支承情况既不是连续支撑也不是连续弹性点支承，而是介于 两者之间，因此两种理论均是实际情况的近似，两种理论的计算结果差异也不大。 ， 2 0 世纪6 0 年代，爱林顿提出了应用差分法求解弹性点支承无限长梁问题。7 0 年代， 谢天辅【1 9 】系统的研究了弹性点支承无限长梁的静力计算问题，并在1 9 7 9 年制定了铁路轨 道强度计算方法和数表。曾树谷等【2 0 1 根据大量现场实测资料分析认为，轨下垫层、道床 及路基的支承力与弹性变形关系实际上是非线性的。刘尚文【2 1 1 研究了非线性弹性点支承 连续梁的静力计算问题，刑书珍【2 2 】针对新型轨下垫板与扣件装配体系的特点，提出了双 向非线性弹性点支承连续梁静力计算模型，而t o r b y 采用有限元方法，对钢轨、轨枕、道 床、路基整体进行了非线性分析。 一 传统的轨下系统静力计算方法的前提是先计算出轨道的受力，再计算轨枕受力，最后 分析道床及基床的受力情况。轨道的受力一般按连续弹性基础梁理论或连续弹性点支承理 论进行计算，然后按弹性理论或扩散角方法或o d m a r k 理论【2 3 1 来计算包括道床和基床在 内的多层系统受力情况。c h 证g s c h a n g 总结了以前轨道模型，并针对轨道的活载反应和 永久变形问题提出了g e o n 佻k 计算模型：k 啪g h 加c h u 提出了k 啪g h 锄c h u 轨道模型， 这是两个有代表性的静力模型，但不能满足动力分析的需要。 7 浙江工业大学硕士学位论文 1 4 有限单元法的发展与应用 i 。一一有限单元法的基本思想最早出现于一2 0 世纪4 0 年代初期，但是直到1 9 6 0 年，美国的 克拉夫( c l o u 曲r w ) 在一篇论文中首次使用“有限元法这个名词。在2 0 世纪6 0 年代末 k 7 0 年代初，有限单元法在理论上己基本成熟，并开始陆续出现商业化的有限元分析软件。 有限元法的出现与发展有着深刻的工程背景。2 0 世纪4 0 5 0 年代，美、英等国的飞 机制造业有了大幅度的发展。随着飞机结构的逐渐变化，准确地了解飞机的静态特性和动 态特性越显得迫切，但是传统的设计分析方法己经不能满足设计的需要，因此工程设计人 员开始寻找一种更加适合分析的方法，于是出现了有限元法的思想。 有限单元法的基本思想是将连续的结构离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有 限个节点，将连续体看作是只在节点处相连接的一组单元的集合体；同时选定场函数的节 点值作为基本未知量，并在每一单元中假设一近似插值函数以表示单元中场函数的分布规 律；进而利用力学中的某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元法方程，从而将 一个连续域中的无限自由度问题化为离散域中的有限自由度问题。一经求解就可以利用解 得的节点值和设定的插值函数确定单元上以至整个集合体上的场函数。 由于单元可以设计成不同的几何形状，因而可灵活地模拟和逼近复杂的求解域。显然 矗如果插值函数满足一定要求，随着单元数日益的增加，解的精度会不断提高而最终收敛于 问题的精确解。虽然从理论上说，无限制地增加单元的数目可以使数值分析解最终收敛于 问题的精确解，但是这却增加了计算机计算所耗费的时间。在实际工程应用中，只要所得 的数据能够满足工程需要就足够了。因此，有限元分析方法的基本策略就是在分析的精度 和分析的时间上找到一个最佳的平衡点。 相对于其它工程分析计算方法而言，有限元方法具有一定的优越性。如有限元方法对 于复杂结构的分析十分有效，因其是利用离散化将无限自由度的连续力学问题变为有限单 元节点的计算。虽然它的解是近似的，但适当选择单元的形状与大小，可使近似解达到满 意的程度。有限元方法的另一个优点，在于引入边界条件的方法简单，边界条件不需要进 、入单个有限元的方程，而是求得整个集合体的代数方程再引入，所以可以对内部和边界上 的单元都采用相同的场变量函数，而且当边界条件改变时，场变量函数不需要改变，这对 编制通用化的程序带来了极大的简化。 有限元方法不仅适用于复杂的几何形状和边界条件，而且能处理各种复杂的材料性质 问题，例如材料的各向异性、非线性、随时间或温度而变化的材料性质问题。另外，它还 可以解决非均匀连续介质问题。总之，有限元方法的应用极为广泛。 8 浙江工业大学硕+ 学位论文 虽然有限元方法有诸多优势，但程序编制复杂，编制周期较长，需要深厚的专业基础 一与计算机编程基础，而利用大型通用有限元商用分析软件a n s y s 可以解决这个问题【2 4 1 。 1 5 本文的研究内容 长期以来，对轨道的静力学特性研究大都采用的是传统的计算方法，但随着计算机的 逐渐普及和当前数值计算方法的不断发展，有限元方法在工程领域中得到了越来越广泛的 应用，它能较为全面的再现轨道的受力变形过程，提高认识的深度。本文运用大型有限元 通用软件a n s y s ，并结合实际情况，对钢轨焊接接头受力变形状态进行了仿真计算。主要 做了以下几方面的工作： ( 1 ) 简要介绍了论文的研究背景、意义和国内外的研究现状，以及所涉及到的一些 知识理论。 ( 2 ) 研究分析弹塑性钢轨焊接接头的结构特点，利用a n s y s 建模功能，根据钢轨焊 接接头的特点，确定单元类型、材料特性、网格划分，完成所需有限元模型的建立。 ( 3 ) 根据实际情况进行边界约束和载荷加载，利用有限元软件a n s y s 进行分析计算 得到接头焊缝内的弹塑性应力分布并与弹性有限元模型结果进行比较，最后判断模型的准 确性。 ( 4 ) 分析影响钢轨焊接接头焊缝内弹塑性应力场的参数；主要包括钢轨弹性模量和 泊松比、材料屈服强度、扣件横向刚度和垫层刚度。 ( 5 ) 对本文的研究进行了总结，给出了研究成果和结论，并对未来的研究工作进行 展望。 9 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章轨道力学和数值模拟理论 2 1引言 本章简要的介绍了论文中要用到的一些轨道力学的基础知识以及有限元数值模拟的 基本理论。首先对进行力学分析与数值模拟中经常用到的轨道力学知识进行阐述，然后简 述一下有限元数值模拟理论。 2 2 ，轨道力学 ， 2 2 1 作用于轨道上的力 行驶中的机车车辆作用于轨道上的力是非常复杂的，但概括起来大体可以分为垂直于 ： 轨面的竖直力，垂直于钢轨的横向水平力和平行于钢轨的纵向水平力等三种。这些力由于 机车车辆与钢轨之间的相互作用，或由于轨道本身的温度变化或其他原因而产生。在这些 l 力的作用下，轨道产生各种各样的应力和变形。在轨道的各个部分，特别是钢轨，除基本 应力外，还必须考虑局部应力的影响。 进行轨道的力学分析，首先要确定作用于轨道上的力。竖直力的主要组成部分是车轮， 的轮重。轮重是机车车辆静止时同一个轮对的左右两个车轮对称地作用于平直轨道上的轮 载，其值可从各型机车车辆构造性能表中查取。列车在行驶过程中，车轮实际作用于轨道 上的竖直力称车轮的动轮载。动轮载超出静轮载的部分称静轮载的动力附加值。动轮载随 机车车辆和轨道的构造及其状态以及运动形态的改变而变动，规律十分复杂。当圆顺的车 轮在平顺的轨道上行驶时，轮载动力附加值一般不会超过2 0 ；但是在钢轨的接头处、 轨道不平顺处和车轮有扁疤、偏心等冲击作用的情况下，有时可达几倍之多【2 5 1 。 产生轮载附加值的原因是多方面的，有属于机车车辆构造及其状态方面的，有属于轨 道构造及其状态方面的，也有属于机车车辆在轨道上的运动状态方面的。上述诸力的竖向 分力的合力，即作用于轨道上的竖直力或动轮载，在机车车辆运行的过程中是时刻变化的。 它们有时存在，有时消失，有时相互叠加，有时相互抵消，具有高度的随机性。其中，有 些力可以用比较精确的公式进行计算，有些只能借助实测资料大约估算。最后组合成的最 大竖直力，即最大的动轮载，有时可超越静轮载的一倍以上。它们随行车速度的提高而迅 l o 浙江工业大学硕士学位论文 速增加，并和它成复杂的函数关系