货车车轮踏面损伤有限元分析

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1、货车车轮踏面损伤温度场与应力场的有限元分析货车车轮踏面损伤有限元分析货车车轮踏面损伤温度场与应力场的有限元分析摘要：-13-货车车轮踏面损伤有限元分析本文通过对21t轴重、120km/h的货车车轮在一次紧急制动过程中的温度场和应力场分布进行有限元模拟，探讨分析了温度场和应力场分布与货车车轮踏面损伤的关系，为车轮的热疲劳损伤机理研究提供了技术储备和参考。关键词：货车车轮，温度场，应力场，有限元模拟，热疲劳损伤。正文：提速和重载是提高铁路运输能力的有效措施，已成为铁路货车发展的趋势。我国货车目前制动方式仍然是

2、踏面制动，列车车轮在强摩擦、高热负荷以及大轮轨作用力等恶劣条件下工作。列车在制动过程中，动能逐渐转变为制动装置产生的热能，对于采用踏面制动的高速重载铁路货车，这样的制动过程非常严苛，由此产生的热疲劳损伤已成为车轮失效的主要形式之一。车轮经过多次制动后，会在车轮与铁轨的接触踏面上产生均匀分布的横向裂纹，周围会伴随剥离、掉块等现象。因此，在国家倡导货运列车提速的前提下，现有的踏面制动正面临的严峻的挑战，也对车轮的抗热损伤能力和疲劳寿命提出了更高的要求。由于热损伤和疲劳损伤都与车轮在紧急制动过程中的温度场和应力

3、场分布有密切的关系，本文以21t轴重、120km/h的货运列车车轮为研究对象，拟结合具体货车车轮的结构，利用建模软件对其建模，通过有限元模拟其紧急制动过程中的温度场和应力场分布，并针对实际踏面损伤情况对其模拟准确性给予评估，为进一步研究车轮的热疲劳损伤提供技术参考。1、车轮紧急制动温度场模拟货车车轮的轮径为840mm，轮辋内侧内径为710mm，轮毂孔直径为170mm，轮辋外径为273mm，理论重量351kg。车轮材料为CL60，材料各项物热参数如下：弹性模量E=2.05×105MPa，泊松比μ=0.3，密

4、度ρ=7800kg/m3，热膨胀系数α=10.3×10-6℃-1，比热容c=470J/(kg·K)，热传导率k=51W/(m·K)，对流换热系数h=40W/(m2·K)。由于车轮是周向对称的结构，在考虑热流输入车轮踏面和车轮的热耗散时，可以认为在车轮的周向是无变化的，即温度场是轴对称的，因此，选取车轮的1/18进行分析，即取周向20°的模型。车轮的三维模型如图1。图1车轮的三维模型-13-货车车轮踏面损伤有限元分析1）热流密度的确定：为简化问题，可以认为在高速行进过程中，踏面的温度在周向是均匀分布的，且热

5、流输入也是均匀的。初速度为120km/h时，各项制动参数如表1所示。表1制动参数制动初速度（km/h）轴重（t）减速度（m/s2）制动距离（m）闸瓦压力（kN）摩擦系数热量分配系数120210.5561000210.2780.91根据热流密度计算公式（1-1）其中：——闸瓦在踏面上扫过的面积；——输入到车轮的热量分配系数；——热生成功率。计算得热流密度[1]考虑到车轮周围的空气流动状态较为简单，本模拟中，取对流换热系数α=40W/(m2·K)，并忽略车轮的热辐射影响。本次计算对车轮进行一次紧急制动，并在制

6、动结束后空冷10分钟。2）模型的网格划分、约束、对流换热面的确定将在SolidWorks中建好的模型导入ANSYS软件，进行网格划分。在热分析中选取Solid90单元，应力分析选择Solid186单元，网格大小8mm，踏面附近的网格为6mm，网格划分的结果如图2所示。图2车轮模型的网格划分-13-货车车轮踏面损伤有限元分析对于热分析，选取车轮的踏面为热流输入面，选取与空气接触的面，设置为对流换热面。如图3。图3热流输入面（左）和对流换热面（右）在制动盘的剖切面上施加周向对称耦合，如图4。图4在剖切面施加周

7、向对称耦合-13-货车车轮踏面损伤有限元分析对模型施加载荷，输入载荷命令流，设置输出每个子步选项，并开始计算。1）计算结果及分析图5、图6分别显示了制动结束时刻和制动结束空冷10分钟后的温度场分布。制动结束时刻的最高温度为224℃，冷却10分钟后，最高温度为97.5℃。图5制动结束时刻(60s)的温度场分布图6制动完毕冷却10分钟后的温度场分布-13-货车车轮踏面损伤有限元分析分别取踏面上如图7所示的位置的节点，读取其制动过程中的最高温度，并绘制其制动过程中的节点温度变化曲线，如图8所示。图7在车轮踏面上

8、选取生成曲线的节点51243各点在制动过程中的最高温度如表2所示：表2踏面上不同位置节点在制动过程中的最高温度节点编号12345温度（℃）2013083152628712453图8踏面不同位置节点在制动过程中的温度变化曲线3-13-货车车轮踏面损伤有限元分析分别取车轮径向上如图9所示的位置的节点，读取其制动过程中的最高温度，并绘制其制动过程中的节点温度变化曲线，如图10所示。图9在车轮径向上选取生成曲线的节点54321各点在制