鋼軌應(yīng)變分布場的有限元分析

2013-06-20  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

0 前言
   
圍繞高速貨車超偏載檢測技術(shù)的研究一直是國內(nèi)的研究熱點(diǎn)之一。由于種種原因,借助鋼軌本體作為傳感器展開的研究在國內(nèi)并非主流研究方向,而目前廣泛采用分離式“剪切”、“壓力”傳感器的檢測方法又難以適應(yīng)高速車輛的監(jiān)測。所以,這種事關(guān)鐵路安全運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)并未進(jìn)入推廣使用的階段。研究軌道在高速車輪掃描作用下受載應(yīng)變的機(jī)理,進(jìn)而研究基于軌道的傳感器的設(shè)計(jì)方法,是該研究領(lǐng)域內(nèi)的基礎(chǔ)性研究課題。
   
本研究以鋼軌本體作為研究對象,探討研究鋼軌在車輪載荷作用下的敏感區(qū)的分布與應(yīng)變場變化情況。

1.有限元分析

    1. 1鋼軌的建模及單元劃分
   
本研究中的鋼軌計(jì)算模型參考普通60 kg/m的鋼軌,在ANSYS中通過點(diǎn)、線、面到體的、由低級到高級的形式,建立了鋼軌三跨的三維立體模型然后設(shè)置了一些參數(shù):彈性模量E =2. 08 x 10 5 MPa,泊松比為0.3,截面網(wǎng)格單元選用PLANE42,體單元選用SOLID45單元。
   
本研究采用映射網(wǎng)絡(luò)劃分方法。在網(wǎng)格劃分的過程中,把腰部的網(wǎng)格劃分得密一些,以求得到在大體貼片處更精確的數(shù)據(jù)。與自由網(wǎng)格劃分相比,映射劃分具有網(wǎng)格密度容易控制、單元形狀規(guī)則、精度比較高的優(yōu)點(diǎn)。在線上控制節(jié)點(diǎn)的數(shù)目得到了期望中的單元劃分效果,如圖1所示。

    圖1  鋼軌截面的網(wǎng)格劃分圖

截面上3個(gè)不同平面單元通過拉伸處理方式,就可以得到鋼軌的有限元模型,如圖2所示。

    圖2 鋼軌有限元分析

    1.2加載
   
在實(shí)驗(yàn)中,以對鋼軌下表面的間隔約束來代替實(shí)際中軌枕對鋼軌的作用,當(dāng)然這種約束并不是很精確。作用在鋼軌上的載荷是模擬輪子的重量(M= 1. 25 x 10 4 kg),采用連續(xù)加載的方法來模擬輪子在中間跨度的鋼軌上前行的過程。計(jì)算時(shí),取幾個(gè)工況下的加載進(jìn)行分析。

2.計(jì)算結(jié)果與分析

    2.1應(yīng)變場的分布
   
加載計(jì)算后,在后處理過程中得到了鋼軌的應(yīng)變場分布圖,如圖3和圖4所示,由此可看出,在加載處的鋼軌頭部分應(yīng)變集中,應(yīng)變數(shù)值大;鋼軌約束的地方應(yīng)變也比較集中;在作用力的腹板區(qū)域則可以看到應(yīng)變是成大約45度分布的;在偏離作用力的地方應(yīng)變比較小,形狀也不是很明顯。當(dāng)作用力在Z軸方向上由一邊向另一邊加載的過程中,應(yīng)變在中性層附近隨作用區(qū)域的變化有一個(gè)明顯的移動,這樣的結(jié)果和理論基本符合。

    圖3 加載于Z=108mm處的應(yīng)變場圖

    圖4  加載于Z=216mm處的應(yīng)變場圖

2.2敏感點(diǎn)的確定
   
在不同工況鋼軌作用力的作用下,根據(jù)材料力學(xué)的計(jì)算結(jié)論,可以確定在鋼軌中性線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)是研究的重點(diǎn)對象。在后處理中,重點(diǎn)觀察中跨段的應(yīng)變變化,主要是鋼軌腹板上焊接彈性體位置直線上的節(jié)點(diǎn)軸向的應(yīng)變。為了更加明顯地對結(jié)果作出分析與比較,把軸向的應(yīng)變投影在相應(yīng)的直線上,并按照一定的規(guī)則擬合為一條曲線,如圖5所示。該圖是將某個(gè)工況下形成的變化曲線畫在直角坐標(biāo)系下,橫坐標(biāo)為各個(gè)位置與約束邊緣位置的距離,縱坐標(biāo)為z方向的應(yīng)變絕對值。

    圖5 中段中性線上的節(jié)點(diǎn)應(yīng)變曲線示意圖

圖5是某個(gè)工況下中性線上節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變大小走勢圖。僅通過兒個(gè)工況位置的中性線上節(jié)點(diǎn)擬合曲線的線型走勢,不可能比較準(zhǔn)確地找到鋼軌中性線上對應(yīng)變敏感的區(qū)域。當(dāng)然在分析時(shí),不能僅僅考慮這個(gè)點(diǎn)在載荷作用下所產(chǎn)生應(yīng)變的大小,同時(shí)也要兼顧這個(gè)點(diǎn)在不同位置加載下的平穩(wěn)性。也就是說,需要找到一個(gè)位置,能產(chǎn)生比較大的應(yīng)變,并且沒有太大的數(shù)值波動。據(jù)此,應(yīng)用了統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,可得出下面公式:

    式中Ki--第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的比值;xi--不同的加載位置時(shí)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變。
   
由式(1)可確定所需要的敏感區(qū)域的確切位置。經(jīng)過計(jì)算,可知在中跨上距兩邊168mm的區(qū)域符合要求。這樣就為以后放置彈性體找到了比較準(zhǔn)確的位置。

3.結(jié)束語
   
本研究通過對鋼軌的有限元模型的分析,得出了不同工況下的應(yīng)變場的變化趨勢。根據(jù)這樣的變化趨勢,再加上應(yīng)用數(shù)學(xué)的方法,找到了鋼軌中性線上的敏感區(qū)域,這些數(shù)據(jù)為以后彈性體的粘貼以及鋼軌傳感器的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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