基于向量式分析轮轨滚动接触模拟

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1、西南交通大学硕士研究生学位论文第1页摘要由于轮轨滚动接触行为涉及接触问题并伴有连续体大转动，长期以来一直是铁路轮轨关系的研究难题。尽管研究轮轨滚动接触行为的计算方法很多，但大多数都难以考虑高速车轮转动带来的惯性效应。因此，研究真实模拟轮轨滚动接触行为具有重要的理论意义和工程应用价值。在国家自然科学基金和973计划等项目资助下，本文以轮轨接触研究为主线，以近年发展的一种新颖的计算力学方法一向量式分析方法为理论基础，通过理论推导和编制数值程序，对轮轨接触问题进行模拟，尤其研究了考虑惯性力作用下的轮轨滚动接触力学行为。开展的主要工作有：(1)介绍了向量式分析方法的基本理论及三角形单元的相关计算公

2、式，与有限单元法进行了比较。表明向量式分析方法可以在考虑惯性力的条件下有效处理连续体大转动问题，为模拟轮轨滚动接触提供了理论依据。(2)针对目前使用向量式分析方法模拟接触问题尚无定量验证的现状，在模拟静态轮轨接触问题时，将向量式分析、Hertz接触理论和有限元软件Ansys的计算结果(轮轨法向接触压力分布、轮轨接触斑宽度、最大轮轨法向接触压力、轮轨Von．Mises等效应力)进行比较，验证了基于向量式分析方法所建立的轮轨接触模型在模拟静态轮轨接触问题时的准确性。‘(3)在考虑惯性力的条件下，利用本文所提出的速度控制方法，模拟了轮轨滚动接触行为。计算结果表明：在相同轴重情况下，与静态轮轨接触

3、行为相比，当车轮以一定速度运行时，轮轨最大法向接触压力增加，轮轨法向接触压力分布出现不对称现象，车轮滚动前沿的法向接触压力偏大；随着车轮运行速度的增加，轮轨最大法向接触压力越大，并且轮轨法向接触压力前沿偏大的趋势越明显。在相同车轮运行速度情况下，最大轮轨法向接触压力、接触斑宽度随着车轮轴重的增加而增大。关键词：轮轨滚动接触；向量式分析；惯性效应；大转动西南交通大学硕士研究生学位论文第1I页AbstractWheel·-railrollingcontacthasalwaysbeenaseriousprobleminwheel·-railrelationship，asitinvolvingco

4、ntactandcontinuousbodylargerotation．Althoughtherearemanymethods，mostofthemhavedifficultyininertiaeffectandrealdynamicprocess．Withtheincreaseoftrainspeedandaxleload，theinteractionbetweenwheelandrailshowsatendencyincrease．Thereforeexactinvestigationforwheel—railrollingcontactisveryimportantfromtheth

5、eoreticalandpracticalpointsofV1e、^lSupportedbytheNaturalScienceFoundationCommitteeofChina(Nos．UI134202)，theNationalBasicResearchProgramofChina(No．201CB7103)andtheNationalScienceandTechnologySupportProgramofChina(No．2009BAG12A01·B04)，thisthesiscarriesoutanintensiveresearchregardingthesimulationanda

6、nalysisofwheel—railcontactbasedonanewnumericalmechanicsmethod-vectorformanalysis，especiallyforwheel-railrollingcontactunderinertiaforce．ThemainresearchworkinthisthesisiSasfollows：(1)Vectorformanalysistheoryandformulationsof2Dtriangleelementisintroduced，differenceisanalyzedbetweenvectorformanalysis

7、andfiniteelementmethod．Itisfoundthatvectorformanalysisisabletobeinvestigatedcontinuousbodylargerotationunderinertiaforce，whichprovidetheoreticalbasisforwheel—railrollingcontact．(2)Astherehasnotbeenconfirmedincont