火车轮轨模型分析

南京理工大学毕业设计说明书(论文)作者:喻源学号：1011370145学院(系):理学院专业:工程力学题目:QU120国产重载轨道与车轮接触应力和变形指导者：(姓名)(专业技术职务)评阅者：(姓名)(专业技术职务)2014年5月刘昌源教授毕业设计说明书（论文）中文摘要该论文研究的是国产QU120重载轨道在使用中会出现的塑性压展和纵向开裂现象。我们采用计算机建模模拟轨道受力的方式，通过观察应力应变图来分析原因。研究过程包括用PROE建立车轮轨道接触模型，用hypermesh划分网格建立离散模型，并且定义材料、接触、约束，最后导入ansys建立力学模型，并进行力学分析。根据得出的应力图和变形图，我们发现在轨道接触面上，由于车轮的压力和摩擦损耗，会出现磨损和疲劳开裂，在轨道的腰部，由于较大的应力集中，在反复的加载、去除载荷的过程中，很可能出现疲劳开裂，并且由于长时间的积累，这种损耗会使应力集中更加严重，反过来加快轨道腰部的疲劳开裂。而车轮的磨损主要集中在与轨道的接触面上，表现为摩擦损耗。关键词QU120轨道接触磨损有限元结构模型离散模型力学模型毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleContactstressanddeformationbetweendomesticoverloadedQU120railandwheelAbstractThepaperstudiesthedomesticQU120heavyrailintheuseofplasticabsorptionandlongitudinalcrackingphenomenon。Weusedcomputermodelingtosimulatethetrackforceway,byobservingthestressstraindiagramtoanalyzethereasons.ResearchprocessincludestheestablishmentofwheelrailcontactmodelinPROE,adiscretemodelwithHyperMeshmesh,andthedefinitionofmaterials,contact,constraint,andfinallyintotheANSYSmechanicalmodelwasestablished,andthemechanicsanalysis.Accordingtothestressdiagramanddeformationofchart,wefoundthatincontactsurfaceofthetrack,asaresultofthewheelpressureandfrictionloss.Atthewaist,duetothelargerstressconcentration,intheprocessofrepeatedloading,theremovaloftheload,islikelytofatiguecracking.Andbecauseoflongtimeaccumulation,thislosswillmakethestressconcentrationismoreserious,whichinturnacceleratefatiguecrackingrailwaist.Whilethewheelwearmainlyconcentratedincontactwiththetracksurface,formoffrictionloss.KeywordsQU120track,Contactwear,FEM,Structuralmodel,Discretemodel,Mechanicalmodel第I页共II页目次1绪论.................................................................11.1一般状况下的接触磨损............................................11.2弯道中的轮轨接触磨损............................................11.3摩擦热对轮轨磨损的影响..........................................21.4轮轨表面的裂纹扩展..............................................22ProE建模............................................................32.1ProE建模功能介绍..............................................32.2建模思路.......................................................32.3草绘...........................................................32.3.1车轮草绘...................................................42.3.2轨道草绘...................................................72.3.3车轴草绘...................................................82.4零件............................................................82.4.1车轮零件图.................................................82.4.2轨道零件图................................................92.4.3车轴零件图................................................92.5装配...........................................................103HyperMesh离散以及定义接触、材料和约束..............................133.1HyperMesh功能简单介绍.........................................133.2模型的切割.....................................................133.2.1车轮模型的切割............................................133.2.2轨道模型的切割............................................143.2.3车轴模型的切割............................................153.3模型网格划分...................................................153.3.2轨道离散.................................................173.3.3轮轴离散.................................................193.4定义接触.......................................................203.5定义材料.......................................................213.6定义约束.......................................................213.7导出和版本兼容问题.............................................234ANSYS施加载荷、结果分析............................................254.1ANSYS功能介绍................................................254.1.1结构静力分析..............................................254.1.2结构动力学分析...........................................254.2ANSYS模块介绍.................................................25第II页共II页4.2.1施加载荷..................................................254.2.2后处理编辑................................................264.3施加载荷.......................................................264.4结果分析.......................................................26小结.................................................................32致谢.................................................................33参考文献...........................................................34本科毕业设计说明书（论文）第1页共34页1绪论本文旨在通过模拟轨道上加车轮静载，观察应力变形图来找出轨道塑形压展和开裂原因，整个实验过程包括：1.用ProE建模、装配2.用HyperMesh划分网格，定义材料、约束、接触3.用ANSYS施加载荷以及计算得出应力、变形图4.根据应力、变形图分析得出结论对轨道磨损的研究理论现在比较丰富，无论是一般状况下的接触磨损、干/水态工况下轮轨接触磨损、非稳态载荷作用下的轮轨接触磨损、轮轨表面的裂纹扩展都有相应的研究理论。而本文从实际问题出发，结合理论研究，针对国产QU120重载轨道在用于炼钢厂钢包运输，轮压为71.5吨的使用中，出现了塑性压展和纵向开裂现象，探索问题来源。对于各种轨道车轮接触磨损理论这里引用出来，给出一些简单介绍。1.1一般状况下的接触磨损重载轨道损伤的主要形式是摩擦损耗，并且会伴随塑性变形；而高速铁路轨道则以疲劳磨损为主。由于钢轨摩擦损伤的形式有所不同，导致重载轨道与高速铁路轨道在轮轨接触面的润滑、车轮和钢轨型面的打磨等方面产生很大区别。车轮的磨损程度会随着减速时的制动力、减速过程中的蠕滑率以及车轮轴重的增大而增大，而切向摩擦力增大后，车轮的磨损形式会从磨粒磨损向粘着磨损和疲劳磨损发生转变，导致接触面出现疲劳裂纹和白层，使得车轮的塑性变形和疲劳磨损更加严重。含碳量对车轮的滚动摩擦特性的不影响很小，但能改变车轮在滚动过程中的磨损形式；车轮的含碳量后增加，钢的硬度会增加，磨损形式从磨粒磨损向疲劳磨损发生转变，接触面会更加容易出现剥离现象，降低含碳量虽然能使剥离现象得到抑制，但是却使得磨损程度增加了。1.2弯道中的轮轨接触磨损轮轨型面在发生摩擦损耗后，会影响到轮轨的型面配合关系和车辆通过弯道时的性能；由于轮轨型面发生磨损以及进入弯道后离心力的影响，会使得车轮轮缘与外侧钢轨内侧面挤压，导致车轮通过弯道时，轮轨之间的作用力增大，使外侧钢轨磨损本科毕业设计说明书（论文）第2页共34页的非常严重。钢轨使用初期，外侧钢轨的接触应