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基于有限元的轮轨热力耦合滑动接触分析
| 论文题名： | 基于有限元的轮轨热力耦合滑动接触分析 |
| 关键词： | 铁路工程;轮轨关系;热力耦合;滑动接触;有限元分析 |
| 摘要： | 随着经济社会的飞速发展，我国铁路运输系统呈现出货运重载化和客运高速化的发展趋势。由于列车运行速度的提高、运量的增加、轴重的增大以及服役环境的恶化，使轮轨关系日益复杂。轮轨在滑动过程中产生热损伤，引起波浪形磨损、剥离、龟裂等疲劳破坏现象，由此引起车辆轨道产生激烈的振动和噪音，这不仅直接危害列车的行车安全，而且影响乘客的乘坐舒适性，增加铁路的养护和运营成本。因此，研究轮轨热力耦合滑动接触时产生的应力和温升，对深入理解轮轨热损伤机理、轮轨的选材和铁路的设计养护等具有重要的理论意义和工程应用价值。因此，本论文根据轮轨之间相互作用的特点，以车轮和60kg/m的钢轨为研究对象，基于轮轨摩擦学、弹塑性有限变形理论、固体接触力学和传热学，利用ABAQUS有限元软件，研究轮轨接触时车轮和钢轨的接触压力场、温度场和应力场等的分布特点。主要工作内容如下: 1)基于有限变形框架构建了热力耦合循环本构模型，考虑引入温度相关的各向同性硬化和随动硬化律和热平衡方程、塑性耗散生热、温度场和应力场之间的相互作用，通过ABAQUS的用户子程序对该模型进行了有限元实现，通过与文献实验结果的对比，验证了本构模型分析的合理性。 2)利用Hertz弹性接触理论解析解验证了二维轮轨接触有限元模型，模拟了静载时车轮和钢轨上的接触压力分布情况，研究了轴重对钢轨表面接触压力的影响。同时，利用轮轨热力耦合弹性接触解析解验证了热力耦合分析过程。讨论了轮轨热力耦合弹塑性接触时加载峰值、塑性耗散生热、热交换对接触压力的影响。结果表明:轮轨静载弹性和热力耦合弹塑性滑动接触时，随着轴重的增加，接触压力的最大值均逐渐增大，接触斑的半轴变长;轮轨热力耦合弹塑性滑动接触时，塑性耗散生热和热交换对钢轨接触压力的影响很小，几乎可以忽略。 3)模拟了不同滑动工况下车轮和钢轨的温度场和应力场分布情况，研究了轴重、运行速度、摩擦系数、滑移距离、耗散系数、对流系数和辐射系数对钢轨应力场和温度场的影响。结果表明:不同工况下，钢轨表面的温升均最大;钢轨表面的温升受轴重和摩擦系数的影响最大，运行速度和摩擦系数的影响次之，滑移距离、对流系数和耗散系数的影响最小，几乎可以忽略;随着轴重和摩擦系数的增大，钢轨表面的温升逐渐增高;钢轨的最大von Mises等效应力值均发生在钢轨的次表层;随着摩擦系数的增大，钢轨发生最大von Mises等效应力值的位置由钢轨的次表层向表层方向移动。 |
| 作者： | 谢瑞丽 |
| 专业： | 工程力学 |
| 导师： | 阚前华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 西南交通大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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