火车轮轨模型分析.docx
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火车轮轨模型分析.docx
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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:
45
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)
2021年5月
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
TitleContactstressanddeformationbetweendomesticoverloadedQU120railandwheel
Abstract
ThepaperstudiesthedomesticQU120heavyrailintheuseofplasticabsorptionandlongitudinalcrackingphenomenon。
Weusedcomputermodelingtosimulatethetrackforceway,byobservingthestressstraindiagramtoanalyzetheprocessincludestheestablishmentofwheelrailcontactmodelinPROE,adiscretemodelwithHyperMeshmesh,andthedefinitionofmaterials,contact,constraint,andfinallyintotheANSYSmechanicalmodelwasestablished,andthemechanicstothestressdiagramanddeformationofchart,wefoundthatincontactsurfaceofthetrack,asaresultofthewheelpressureandfrictionloss.Atthewaist,duetothelargerstressconcentration,intheprocessofrepeatedloading,theremovaloftheload,islikelytofatiguebecauseoflongtimeaccumulation,thislosswillmakethestressconcentrationismoreserious,whichinturnacceleratefatiguecrackingrailthewheelwearmainlyconcentratedincontactwiththetracksurface,formoffrictionloss.
KeywordsQU120track,Contactwear,FEM,Structuralmodel,Discrete
model,Mechanicalmodel
目次
1绪论
本文旨在通过模拟轨道上加车轮静载,观看应力变形图来找出轨道塑形压展和开裂缘故,整个实验进程包括:
1.用ProE建模、装配
2.用HyperMesh划分网格,概念材料、约束、接触
3.用ANSYS施加载荷和计算得出应力、变形图
4.依照应力、变形图分析得出结论
对轨道磨损的研究理论此刻比较丰硕,不管是一样状况下的接触磨损、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。
而本文从实际问题动身,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,轮压为吨的利用中,显现了塑性压展和纵向开裂现象,探讨问题来源。
关于各类轨道车轮接触磨损理论那个地址引用出来,给出一些简单介绍。
一样状况下的接触磨损
重载轨道损伤的要紧形式是摩擦损耗,而且会伴随塑性变形;而高速铁路轨道那么以疲劳磨损为主。
由于钢轨摩擦损伤的形式有所不同,致使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专门大区别。
车轮的磨损程度会随着减速时的制动力、减速进程中的蠕滑率和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,致使接触面显现疲劳裂纹和白层,使得车轮的塑性变形和疲劳磨损加倍严峻。
含碳量对车轮的转动摩擦特性的不阻碍很小,但能改变车轮在转动进程中的磨损形式;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,接触面会加倍容易显现剥离现象,降低含碳量尽管能使剥离现象取得抑制,可是却使得磨损程度增加了。
弯道中的轮轨接触磨损
轮轨型面在发生摩擦损耗后,会阻碍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和进入弯道后离心力的阻碍,会使得车轮轮缘与外侧钢轨内侧面挤压,致使车轮通过弯道时,轮轨之间的作使劲增大,使外侧钢轨磨损的超级严峻。
钢轨利用初期,外侧钢轨的接触应力及钢轨的塑性变形均较大,致使外侧钢轨极易显现接触疲劳伤损;随着钢轨磨耗量的增加,外侧钢轨轨距角处的接触应力和内侧钢轨轨头的塑性变形均慢慢增大,进一步加重了外侧钢轨的侧磨和内侧钢轨的压溃。
摩擦热对轮轨磨损的阻碍
在滚、滑动工况中,轮轨摩擦热响应要紧散布在接触表面大约2mm的深度范围之内,且随着深度的增加其阻碍愈来愈小;接触表面以下存在一个区域,其等效应力水平因热载荷的存在而减小,其散布深度随着热传导的进行不断增加;材料的磨损,即接触斑的不断扩大,对磨损进程中的温度场、应力场散布有较大阻碍,但对最终车轮稳态时的温度场、应力场散布阻碍很小;表面不平顺使得接触表面的温度散布显现振荡,从而使材料的局部工作环境较滑腻表面时加倍恶化;转动工况下,摩擦热响应随着纵向载荷、蠕滑率和摩擦系数的增大而增大;轮轨间的相对滑动速度越大,其热响应就越大。
轮轨表面的裂纹扩展
轴的重力对应力强度因子有着显著阻碍;在车轮转动进程中,表面微裂纹位于接触斑边缘处时,其应力强度因子达到最大值。
磨耗型车轮踏面-磨耗型新轨下的应力强度因子要比磨耗型车轮踏面-已磨耗钢轨下的大得多,新钢轨表面微裂纹更易扩展,因此关于铁路新轨应幸免重车运行;随着车轮转动,裂尖应力强度因子呈现先增大后减小的趋势,峰值出此刻接触斑边缘周围;轴重增加,裂尖应力强度因子大幅增大;裂纹尺寸增大,裂尖应力强度因子先增大后减小;在车轮碾压进程中,微裂纹只在位于接触斑边缘周围时才会张开,其它位置微裂纹是闭合的。
对照磨耗性踏面下的计算结果,可知锥轮下钢轨表面微裂纹更易扩展。
2ProE建模
ProE建模功能介绍
ProE建模的一个专门大优势就在于采纳的是单一数据库,所有模块都相关联,因此咱们能够随意修改产品开发进程的某一个模块,而其他模块会自动更新修改数据。
例如我修改了草画图纸,组建和装配体就会随之更改,可是图形修改后一些约束需要从头概念。
这一特点鼓舞在开发进程的任何一个环节进行修改,却可不能有任何损失,这就让工程并行成了可能。
下面对需要用到的功能进行简单介绍:
草绘功能:
ProE使用的都是用户熟悉的一些几何构造要素,如直线、圆弧、导角、对称轴,利用方便,能够随意修改尺寸,因此利用起来很容易上手。
零件功能:
ProE能够通过导入草绘文件生成一些简单实体,如拉伸实体、旋转实体。
通过简单实体的组合形成复杂图形。
组件功能:
除直接将一些简单实体画在一张图纸上,也能够通过概念约束的方式将简单实体装配到一路,通经常使用到的约束包括对齐、相切、插入等,对齐约束除能够实现实体面的对齐,还能够实现对称面的对齐。
组件功能中装配的零件数量不受限制。
建模思路
建模想到了两种思路,第一种是将车轮与铁轨直接绘制在一张零件图中,省去了装配的进程,后来考虑到后期要调整物体的相对位置,和方便后期离散时单独操作各个部份,因为只有将各个模型单独成立在零件图中,在HyperMesh中才能单独选中某个部份,因此又采纳了第二种方式,即第一单独成立车轮、轴和轨道模型,再通过设置约束装配到一张组件图中。
草绘
关于草绘,能够单独成立一个草绘文件,在确信好实体类型后选择“草绘—数据来自文件”导入零件,也能够在成立零件的时候直接画草画图。
需要注意的是当要修改零件时不能直接修改成立的草画图,而需要进入零件里,通过“编辑概念—放置—草绘”来修改,如此修改的数据就会体此刻零件图中。
另外需要注意的几点是:
一、先找出绘制草绘需要用到的数据,整理到一路,最好先看着数据构思一下如何画,以避免画了一半发觉一些线条无法定位,或定位困难而需要重画。
二、一条线不要划分成多段,因为在旋转后每一段线形成一个面,同一个面就被切割成多个部份,如此在选中某一个面时就需要多次操作,另外也阻碍模型观看。
三、绘制完成后注意通过(草绘→诊断)功能检查错误。
删除掉重叠的线条,用于定位的线条,检查图形是不是封锁。
四、由于车轮和轨道都是对称图形,在草画图中,能够只画出一半,再通过对称轴映射到另一边,如此就节省了很多工作量。
车轮草绘
车轮图纸给出,单位(毫米):
图车轮图纸
依照车轮图纸绘制草画图时,我省略掉了轴孔处的小台阶和中间的几个圆柱孔,因为他们对车轮接触面专门是对轨道的受力阻碍很小,可不能阻碍到咱们的研究结果,因此做出了简述处置。
需要注意的一点是,绘制进程要多次用到对称轴,在绘制完草画图后,要删除掉多余的对称轴,只保留旋转成实体的对称轴。
不然在成立旋转实体是会因为无法区分哪根是旋转轴而无法旋转。
依照车轮图纸绘制的草画图如下:
图车轮截面草绘
在建模进程中,车轮导角一直是我纠结的一个问题,一方面还原车轮模型需要画导角,如此才能更真实的模拟车轮受力,因此第一次我保留了所有导角,可是在进入HyperMesh需要划分网格时发觉,在导角处很难切割成能够成立3D扫略网格的部份,因此我去除大部份的导角,最后只保留下车轮轨道接触面上的导角,因为接触面是咱们要紧关注的受力位置,所我尽可能保留,再去切割时发觉,能够成功切割,可是在画网格时又显现了问题,由于导角不规那么的阻碍,导角周围的网格超级的不规那么,可能阻碍到受力计算,因此最后我把接触面上的导角也去掉了。
最后确信的草画图如下:
图车轮截面草绘(去导角)
轨道草绘
依照给出的资料,我将草绘需要用到的数据整理如下:
型号
b
b1
b2
s
h
h1
h2
R
R1
R2
r
r1
r2
QU120
120
129
170
44
170
45
35
500
34
56
8
8
2
图轨道参数图
轨道草画图不用担忧导角问题,因为轨道本身是一个简单的拉伸实体,能够直接成立3D扫略网格,不用担忧切割问题。
而且轨道是咱们要紧的分析对象,因此最好不要去除导角。
我绘制的轨道草画图如下:
图车轮截面草绘
车轴草绘
通过车轮内径提掏出车轴数据,得出轴半径110mm、长度260mm。
本来我的模型上没有打算成立车轴,而是直接在车轮轴孔表面加载轮压,可是考虑到车轴在受力进程中要发生变形,而改变接触面,如此受力面就不是整个轴孔面了,而且也不是均匀受力,因此最后又加上了车轴。
零件
将草画图导入零件,需要注意的几点是:
一:
将草绘的中心对准坐标轴原点,否在在装配的时候不行定位
二:
草画图导入时将图纸比例设定为1,否在图形大小会发生改变,而默许的比例一样小于1,因此必然要手动修改。
车轮零件图
成立一个旋转实体,将旋转度数设定为360,导入车轮草画图,设定好旋转轴即可。
车轮零件图如下:
图车轮正面图
图车轮侧面图
轨道零件图
成立一个拉伸实体,将拉伸长度设定为2000,导入轨道草画图。
轨道零件图如下:
图轨道正视图
图轨道侧视图
车轴零件图
成立一个拉伸实体,将拉伸长度设定为260,导入车轴草画图。
车轴零件图如下:
图车轴零件图
装配
第一导入轨道零件,导入后注意不要再调整轨道位置,尽可能调整其他部份来配合轨道,随意移动轨道会很难确信坐标轴的相对角度,致使在施加载荷时无法确信方向。
因此尽可能把轨道作为参照物。
第二步是导入车轮零件,车轮与轨道的装配我设置了两个约束,一个是在两个对称截面设置了对齐约束,另一个是在接触面设置了相切约束,如以下图红色标示:
图对齐约束
图相切约束
这两个约束将车轮与轨道的相对位置限制在一个自由度,最后移动车轮到适合位置即可,我将他放在了轨道一端,方便后面设置车轮转动时有足够的距离。
可是后来因为不明白车轮转动速度,就只分析了加静载的受力情形。
第三步是导入车轴零件,车轮与车轴的装配一样设置了两个约束,一个是轴桶侧面与车轮孔内壁相切,一个是轴底面与车轮内桶侧面对齐。
装配成效图如下:
图相切约束
图对齐约束
3HyperMesh离散和概念接触、材料和约束
HyperMesh功能简单介绍
HyperMesh具有壮大的有限元网格划分功能。
一样情形下,CAE分析绝大部份时刻都花费在了有限元模型的成立、修改和划分上,而真正求解分析是直接用运算机工组站解决,因此采纳一个利用方便灵活,功能壮大,并能够方便的与众多CAD系统和有限元软件进行数据互换的有限元前后处置工具,关于提高有限元分析工作的质量和效率具有十分重要的意义。
HyperMesh在处置有限元数据的质量和速度上具有专门大优势,而且有限元模型的规模没有软件的限制。
很多其他的有限元分析软件在导入大规模模型时需要很长时刻,乃至不能成功导入;而若是采纳HyperMesh,其壮大的几何处置能力使得HyperMesh能够专门快的读取那些结构超级复杂,规模超级大的模型数据,从而大大提高了CAE分析的工作效率,也使得很多应用其他前后处置软件很难或不能解决的问题变得迎刃而解。
在将ProE中保留的.asm文件格式的装配模型导入HyperMesh后,就能够够进行接下来的工作。
模型的切割
为了将模型离散得加倍规那么,采纳了扫略离散的方式,因此第一需要将模型划分成几个规格的部份,需要注意的是,在切割时,由于两个部份接触面上节点和线条的干与,往往不能利用扫略切割,而需要先成立好切割面,再用体被面切割的方式进行切割。
切割进程实验了多次,有些部份看似是一个规那么的圆筒,应该不需要切割,但事实上要考虑到周围几何体的阻碍,一个几何体的某个面与其他几何体的面必需要么全接触,要么不接触,不然就要继续切割。
车轮模型的切割
考虑到车轮不是咱们要紧的考察对象,因此对车轮做出了部份简化,那个地址将所有导角修改成了直角,如此处置后,在对结果阻碍不大的情形下,模型的切割加倍简单,车轮网格也能划分的加倍规整,如此做既减少了计算量,也提高了结果准确性。
车轮轮缘网格划分比较复杂,如图,能够看出中心圆筒部份被切割成了三层,中间层和轮壁对齐,车轮外缘被切割成7个部份,如此做保证每两个部份间只有一个面接触,且两个面完全重合。
如此切割后能够直接扫略,并实现网格对齐。
图车轮截面切割示意图
切割后的成效图如下,绿色是轮廓线,黄色是切割线:
图正面切割图
图侧面切割图
轨道模型的切割
轨道本身能够直接进行扫略画出3D网格,可是考虑到轨道与车轮接触面最好使网格对齐,因此在车轮垂直对称面的地址将轨道切割成了两节,如此能够在划分网格时实现接触点网格对齐。
图轨道切割图
车轴模型的切割
车轴本身也是能够直接扫略划分网格的,可是考虑到与轮子轴孔的网格对齐,因此一样依照轴孔切割方式,将车轴切割成了三段,如此能够保证每一段划分成一样层数的网格。
图轴切割图
模型网格划分
在提示所有部份都能够扫略后,选定一些面成立2D离散,再用3D扫略的方式,成立3D网格。
在一些不能扫略或扫略后网格不睬想的地址,能够先多成立一个2D网格面,以达到理想的成效。
车轮模型网格划分
为了保证网格对齐,而且规那么符合要求,成立了4个面的2D网格过度。
在给车轮划分网格时,考虑到尽可能规那么的情形下保证中心部份网格密度小,而边缘属于受力分析的要紧部份,因此网格划分的比较密集。
轮缘处的网格划分的专门规那么,符合受力变形的特点,如此做能加倍有效的保证受力后应力应变图的的真实性,2D网格成效图如下:
图2D网格正面
图2D网格侧面
2D网格建好后,直接扫略形成3D网格,扫略时注意由车轮轴承向外按顺序一个挨着一个扫略,才能实现网格对齐,完成后3D网格成效图如下:
图车轮正面3D网格图
图车轮侧面3D网格图
轨道离散
因为轨道本身能够直接进行3D网格扫略,因此不需要切割,固然也能够为了达到更好的离散成效,而选择水平切割再离散。
那个地址别离展现两个离散方式的成效图。
图水平切割后离散
图直接离散
切割后再离散能够依照需要加倍细致的划分网格,调整网格密度,使网格加倍规那么。
可是通过图片能够看出,直接离散的成效也只是,而为了达到如此的离散成效也需要多次调整网格密度,边修改每条边上的网格数边观看,直抵达到理想的成效。
最后我选择的是直接离散的方式。
需要注意在调整网格数量时尽可能使接触面上网格密度大些,以保证更高的计算精度,而在受力较小的地址网格密度能够画小点,以幸免多余的计算量。
截面离散后,直接扫略成3D网格,需要注意的是网格长度尽可能和车轮网格尺寸对齐。
后来为了使轨道与车轮接触面上网格对齐,又采纳了另一种方式,确实是在车轮垂直对称面的地址将轨道切割,在切割面上先概念几个与车轮网格对齐的点,再在截面上而非端面上划分网格,如此就实现了车轮与轨道网格的对齐,然后再按上面的方式调整网格。
如下图:
图轨道截面2D网格图
轮轴离散
轮轴离散本身比较简单,可是因为和车轮接触后为了使网格对齐,因此在车轮切割位置将车轴切开后,形成了三个圆柱体。
对底面进行2D离散后,直接扫略成3D网格。
需要注意轮轴外缘网格数要与车轮内壁对齐。
在网格对齐上我以为只要将节点数设置成一样就能够够对齐
了,结果却显现了意外的情形,圆柱的一端网格是对齐的,而另一端网格却没有对齐。
后来通过探讨发觉需要在车轴边缘先概念一些对齐的点,然后自动离散就能够够实现网格对齐,固然在点之间能够继续划分网格。
车轴3D网格图如下:
图轮轴离散图
概念接触
装配图中有两处接触需要概念,一个是出轮轮缘与轨道表面的接触,一个是车轮与轮轴之间的接触。
概念接触的操作比较简单,只需要选中接触面上的一个单元,再通过byface操作就能够够选中整个面,接触面用土红标示:
图轴与车轮接触面
图轮与轨道接触面
由于施加的载荷是在垂直方向,模拟进程中可不能显现车轮偏移,因此不需要考虑轨道双侧与车轮的接触,可是实际情形下,车轮在运行进程中是会与轨道侧面接触的。
咱们在那个地址考虑的是最简单的情形,即轨道只有顶面与车轮接触。
固然,若是无法确信自己的约束概念的是不是充分,而发生车轮移动,致使轨道侧面与车轮轮缘内侧接触,也能够将轨道侧面和车轮轮缘内侧面概念为接触面。
概念材料
资料里只给出了车轮与轨道的材质,轨道材质为U71Mn这种材质比较常见,很容易查到它的各项参数。
车轮材质为50Crnimo,为镍铬合金刚,我只能查到40Crnimo型号的数据,在20摄氏度时的弹性模量为209GPa,100摄氏度时为205GPa,又查到一般镍铬合金刚的弹性模量为206GPa,数据超级符合,因此最后决定各项数据采纳一般镍铬合金刚的。
给出轴压为,计算得出轴体积为^3,轴的密度通过轴压除轴体积取得,如此就不用单独再加轴压力。
那个地址没有再加上轴本身的质量,因为考虑到它相对轴压是一个超级小的数值。
用到的材料参数包括弹性模量、泊松比、密度,单元类型统一采纳solide45,其他数据下面以表格形式列出:
弹性模量(MPa)
泊松比
密度(t/mm^3)
车轮
206000
轨道
120000
轴
206000
材料参数能够用HyperMesh概念也能够到ANSYS里概念,我选择的是HyperMesh,概念材料时需要注意,不仅车轮、轴、轨道的材料参数需要概念,在成立了接触面后,接触面一样需要概念材料,而且在概念接触面材料时需要先删除2D网格,不然会显现错误。
在我眼里摩擦系数理论上可不能阻碍到受力,因为我加的是垂直方向的静载,车轮可不能产生位移,因此不需要考虑摩擦力的阻碍,可是后来在计算时老是提示车轮边缘有一个节点在垂直方向位移过大,我考虑到可能是因为车轮发生了转动,因为在轴被约束的情形下不管车轮是不是转动都是平稳的,因此,我又在ANSYS里补充了摩擦系数,设定为。
概念约束
约束类型在ANSYS里用的sdandard,第一个约束是在轨道底部,我将六个自由度全数固定,如此轨道就被完全固定了,如以下图所示:
图轨道约束效果图
关于轴和车轮的约束我一直不明白怎么加,尝试了几回。
第一次是将轴的端面和车轮轴承的端面固定住,只许诺在垂直方向移动,成效图如下:
图整体约束效果图
分析后发觉如此的约束理论上是错误的,因为我固定的是单元节点,尽管物体只受到垂直方向的载荷,但事实上单元在受力后由于周围单元的挤压,在其他方向上也会有位移。
专门是在轴的中间水平位置的左右双侧,因为横向约束被固定,变形后会一直与车轮维持接触,车轴就会被悬空起来,不符合实际情形。
轴孔变形图如下所示:
图轴孔变形图
因此我去除掉了垂直对称平面内的所有约束,可是在求解进程中依旧提示在左右双侧边缘节点竖直位移过大,我一度找不到缘故。
后来我想可能是因为车轮在划分节点时不是左右对称的,因此在加了重力后可不能平稳,极可能绕轴转动一个角度到重心最低的位置才能维持平稳,而在转动进程中,左右双侧边缘节点正好会显现竖直方向的初始位移。
后来为了避免车轮的转动,我把约束类型改成了bonded(always),即接触面上所有节点绑定在一路。
而节点绑定在一路后就不需要考虑车轴与车轮轴孔变形后接触面的改变了,因此不管是只约束轴仍是将车轮端面一路约束都可不能有太大阻碍。
而本来没有加
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