【车轮滚动接触疲劳分析4300字】

车轮滚动接触疲劳分析目录TOC\o"1-3"\h\u17935车轮滚动接触疲劳分析 [36]。1.4车轮滚动接触疲劳裂纹扩展及仿真分析1.1.1车轮滚动接触应力有限元模型当过大的车轮载荷、摩擦力作用于车轮踏面，轮轨上某些位置的磨损以及车轮在轨道上的位置、车轮和轨道的轮廓的不利组合是产生法向应力和切向应力的因素，从而导致了损伤累积率的产生和增加。为模拟铁路车轮的滚动接触疲劳损伤累积过程，俄罗斯布兰斯克国立技术大学(BSTU)计算力学实验室开发了UMRCF车轮和UMRCF轨道模块。该模块可用于多种类型的比较计算，如根据RCF准则求解车轮踏面优化问题。通过利用车轮磨耗预测分析得到的数据，确定不同踏面RCF损伤累积值和累积速度，采用四种RCF准则对RCF累积损伤进行建模:（1）准则的最大剪应力幅值；（2）DangVan准则；（3）Sines标准；（4）合并准则。利用车轮型面磨损演化工具考虑车轮型面磨损对RCF损伤累积速率的影响，用等值线和着色等图形界面来表示车轮的应力建模和损伤累积过程。根据选择的RCF准则，计算了车轮碎片有限元模型节点的等效应力和累积损伤。为了研究车轮材料中损伤的累积，采用了线性累加模型，该模型假定在每个时间点的损伤增量不依赖于累积的损伤。在轨道上滚动车轮是一种循环加载。因此，在UM的RCF车轮模块中，累积的RCF损伤归因于车轮的一个径向截面。车轮滚动表面轮廓的磨损是影响车轮材料中RCF损伤积累的重要因素之一。在磨损过程中，车轮的外形发生变化，从而引起车辆动力学的变化和车轮与钢轨接触处压力的重新分配。此外，由于磨损，车轮材料表层已经积累的疲劳损伤消失，RCF损伤开始在踏面以下更深的层中积累。因此，RCF损伤的磨损过程与累积过程是密不可分的。为此，使用UM的车轮轮廓磨损演化工具对轨道车辆进行动力学仿真，建立了UMRCF模块中RCF损伤累积模型所需的数据。在求解轮轨接触问题时，选择了有限元的尺寸，以保证在求解足够精度的情况下，计算时间最小。从输入数据文件的车轮和轨道的滚动表面的轮廓是指定的点的坐标沿着0.1毫米的步长位置的轮廓。为了分析接触区域的应力状态，在三维有限元模型中采用1mm单元大小的网格。为此，计算中采用了从接触面计算10层有限元的有限元模型。为了减少机器的时间成本，在较短的轨道段上对轨道车辆的运动进行了动力学仿真。里程按比例计算，以获得较长路段的磨损指标，例如数千公里。磨损在车轮轮廓的每个点使用一个比例因子计算。类似的方法也应用于车轮RCF损伤累积的建模过程。将计算第n个节点累积的RCF损伤的相关性转化为如下形式：（1.20）式中，Nit为磨损模拟迭代的次数；Nc为磨损项目中配置的数量；Nws为磨损的步长；kmstep为单次磨损的里程；Si为仿真过程中车辆行驶轨迹的长度；Sbi为开始计算磨损的距离；αrri为第i个构型的权重；Nvi为第i种配置的速度；βrrij为1第i个配置中第j个速度的权重；NLCi其中，加载循环的次数：（1.21）式中R是车轮半径；Nr对于UMRCF车轮模块中RCF损伤的累积，使用了车轮碎片的有限元模型。在每次车轮磨损迭代时，重构该模型。根据磨损后的车轮轮廓构造了新的有限元网格。将前一轮磨损迭代时网格节点中累积的损伤插值计算得到的损伤值分配到新网格的节点上。在此基础上，重复了车轮新有限元网格节点中RCF损伤的累积过程。车轮磨损迭代次数、总行走里程和单轮磨损迭代时的行走里程由车轮轮廓磨损仿真中指定的参数决定。1.1.2车轮滚动接触疲劳裂纹计算结果图1.5中启用了应力模式和损伤的颜色显示，在图1.5的中心显示了轮毂的径向截面、等效应力等值线以及累积的RCF损伤等值线，其中累积RCF损伤最大的节点用白色圆圈标记。图中累积的RCF损伤和等效应力分布在帮助着色下显示，对平面网格的每个四边形单元进行着色。根据估计尺度，节点的颜色分别取决于累积的RCF损伤值和等效应力值。根据线性法则将四个顶点的颜色混合到元素的平面中。在图中的左侧显示了估计累积RCF损伤程度的颜色尺度，右侧显示了估计等效应力水平的颜色刻度。图1.5显示了在不考虑残余应力的接触问题的条件下，列车行驶20万公里后在车轮上发生的滚动接触疲劳累计损伤情况。因为选择了轮对对称磨损时，相对于轨道车辆中心对称放置的轮对的轮形磨损相同，即第一个轮对和第四个轮对对应的轮形磨损相同，第二个和第三个轮对对应的轮形磨损相同。本文中选取了1位轮对和2位轮对进行对比分析。1位左轮（b）2位左轮1位右轮（d）2位右轮图1.5车轮的径向部分的疲劳损伤累计过程通过组合准则得到的1位轮对左轮的径向部分接触面上的最大正应力为240MPa，发生最大正应力的接触点位于接触面下3mm深度处。1位右轮的最大正应力为237MPa，发生在接触面下3mm处。2位轮对的左轮接触面下深度2mm处的节点等效应力最大值为275MPa。2位轮对右轮的接触面下深度2mm处的节点等效应力最大值为278MPa。分析可知，2位轮对的等效应力最大值要大于1位轮对的最大值，并且发生等效应力最大值的接触点位置要比1位轮对的位置深1mm。（a）WS1左轮（b）WS2左轮（c）WS1右轮（d）WS2右轮图1.6车轮危险部位累积RCF损伤示意图图1.6显示的是通过组合准则得到的1位轮对左轮的累计损伤值为16.034，1位右轮的累计损伤值为16.673，1位轮对的车轮滚动接触疲劳集中发生在-25mm~18mm区间内；2位轮对的左轮累计损伤值为11.377，2位轮对右轮累计损伤值为11.700，2位轮对的车轮累计损伤值集中在-28mm~20mm的区间内。从图中可以看出，同一轮对上的左右轮的滚动接触疲劳的累计损伤相差不大，2位轮对的左右车轮