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基于概率有限元的钢轨接触表面可靠性分析
| 论文题名： | 基于概率有限元的钢轨接触表面可靠性分析 |
| 关键词： | 钢轨;接触表面;可靠性分析;概率有限元 |
| 摘要： | 可靠性分析作为一个重要的研究课题，在工程领域已成为现代设计的发展趋势。高速、重载车轮与钢轨表面损伤严重，摩擦热对其有着重要的影响，所以分析摩擦热对轮轨接触表面可靠性的影响具有重要的现实意义。以往对轮轨接触表面的研究都着手于应力层面，分析了大量相关因素对轮轨接触表面应力与安全的影响，但是都没有得出这些影响大小的具体数据，这对于研究轮轨强度与安全就没有具体的数据支持。 本文以钢轨为研究对象，应用ANSYS命令程序APDL创建轮轨滑动摩擦接触参数化模型，基于概率有限元的蒙特卡洛法，利用ANSYS可靠性分析模块(PDS)对钢轨结构进行了可靠性分析，具体分析了机械载荷和热机耦合载荷条件下材料参数、轴重和滑动速度等输入变量对钢轨结构可靠性的影响。计算过程考虑了输入变量的不确定性，得出了钢轨结构响应参数（温度、应力等）的可靠性计算结果，并对其进行了灵敏度分析、关系分析、逆概率分析，同时得出了钢轨结构响应变量的样本历史曲线、柱状图和散点图，并把可靠性计算和应力分析结果进行比较。结果表明: 1)轮轨相对滑动引起了显著的摩擦热效应、热影响区存在于表层局部接触区域。由于轮轨接触区的瞬时温升，导致热应力的大小与接触区域机械应力基本相同，从而出现高度应力集中现象，恶化了材料受力状态，加剧了材料的破坏。 2)机械载荷条件下，钢轨结构发生了塑性变形，但结构还处于安全状态，即认为此工况下钢轨结构是安全可靠的。因为，在置信水平0.95条件下，钢轨结构等效应力大于其屈服极限的概率为1，小于其强度极限的概率也为1，即可靠度为1;同时钢轨结构强度极限状态方程ZT＜0的概率为1和屈服极限状态方程ZY＞0的概率也为1，即此时可靠度为1。 3)轮轨滑动摩擦生热耦合载荷条件下，钢轨材料在接触区域发生塑性变形的概率极大为0.98，发生失效的概率极大为0.95，即此工况下钢轨结构不可靠。因为，在置信水平为0.95条件下，钢轨结构等效应力大于其屈服极限的概率为0.98，小于其强度极限的概率为0.05，即可靠度为0.05;同时强度极限状态方程ST＜0的概率为0.06和屈服极限状态方程SY＞0的概率为0.98，即此时结构可靠度为0.06。 |
| 作者： | 王娟 |
| 专业： | 机械设计及理论 |
| 导师： | 刘启跃 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 西南交通大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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