大功率机车轮轨接触应力计算分析

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1、万方数据第31卷第1期2011年2月铁道机车车辆RAII。WAYLOCOMOTIVE＆CARV01．31No．1Feb．2011文章编号：1008—7842(2011)01--0022--05大功率机车轮轨接触应力计算分析周新建1，卢勇1，王成国2，肖乾h2，张怀3(1华东交通大学载运工具与装备教育部重点实验室，江西南昌330013；2中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心，北京100081；3中国科学院研究生院计算地球动力学实验室，北京100049)摘要轮轨关系是大功率机车车轮国产化的重要研究内容。轮轨接

2、触应力分析足轮轨接触问题的基础。大功率机车轮对在运行过程中相对钢轨断面产生不同横移，直接影响轮轨接触应力。应用轮轨非线性接触理论及并行计算技术，构建大功率机车轮轨接触应力分析的大规模有限元模型，并在中国科学院研究牛院计算地球动力学实验室的网络集群并行计算环境下完成有限元计算，研究了轮对横移量肘大功率机车轮轨接触应力影响。计算结果表明，轮对不同横移时．车轮踏面内均出现塑性变形．塑件变形从车轮踏面内约6mlTl处延仲至接触表面。轮轨接触斑的横向长度与接触面积随轮对横移最的变化有着相同的变化规律。随着横移量的改变，多

3、数情况下的轮轨接触斑形态与Hertz理论的椭圆假设有较大差别。关键词大功率机车；轮轨接触应力；有限元法；接触分析；并行计算中图分类号：U211．5文献标志码：A目前国产大功率机车已批量下线并投入运用，促进了我国民族工业发展，形成了以重点企业为核心、配套企业为骨干、辐射上百家相关企业的国内机辆装备设计制造体系。大功率机车走行部。尤其是车轮这类关键零部件。实现国产化的最重要步骤就是需要对目前大功率机车的现场运行情况有非常清晰地了解，掌握全面的基础数据。轮轨接触应力分析是轮轨接触问题的基础。对于机车车轮来说，必须明确

4、其在不同工况下与钢轨的接触特性，因此。完成大功率机车的轮轨接触应力计算分析就迫在眉睫。1轮轨接触的有限元计算模型1．1轮轨接触的非线性理论接触问题通常采用增量方法求解，与一般的非线性问题区别在于每一个增量步中都必须将接触的约束条件作为定解条件和校核条件判断接触状态。也就是说，计算时，首先得到和时间￡+△￡位形内平衡条件相等效的虚位移方程，然后在此基础上求得其T．L．或U．L．格式方程，一般式描述如下：M豇+峰一P(1)式中M是节点质量矩阵，K为节点刚度矩阵．P为节点载荷矩阵，卢为节点位移，M取零值为静态接触问题

5、。这里需要特别指出的是根据拉格朗日乘子法和罚函数法引入约束条件的不一样，接触问题有限元求解方程的具体形式也有区别。对于这些非线性有限元方程组，可以采用显式解法或隐式解法进行求解。显式解法求解接触问题时。通常采用二步形式的中心差分法进行递推[1]，即有：件簟一么-I-'biAt+吉≯△f2(2)件乍=伍+百．it(‘∥p出#At而隐式解法常常采取Newton—Raphson方法进行迭代求解，N—R的迭代公式为‘引：』‘△n)一{P}～[K‘胁’丁]{P抖¨(3)I{产。1)={胁}+{△乒计1)显式解法不仅可以避

6、免每一增量步的迭代步骤，而且可以避免摩擦滑动接触状态时非对称刚度矩阵的求逆运算，但在每个时间步长内没有误差检查和迭代步骤，计算误差不能控制。而隐式解法的优缺点与显式求解正好相反，能保证求解精度但计算时间相对较长。为了保证良好的计算精度，轮轨接触有限元计算采用隐式求解法。隐式算法的计算速度主要由计算机内存决定，采用并行计算能完成单机无法计算的大规模有限元模型，考虑到计算模型规模比较大，用单机无法胜任，所以采用有限元并行计算。周新建(19．63一)男，湖南涟源人·博士·教授(修回日期：2010--09—30)万方数

7、据第1期大功率机车轮轨接触应力计算分析231．2轮轨接触的计算模型1．2．1轮对有限元模型大功率机车车轮几何模型是以HXD2机车车轮参数绘制，直径为1250mm，采用磨耗型(JM)踏面。由于网格细化是保证计算精度的主要手段之一[3]，文献C4]以对有限元两次分析的结果进行比较，如果二者相差小于2％，说明当前的网格密度和单元类型足以保证工程分析精度，指出在轮轨计算中，单元尺寸须小于等于0．75mm。为了有较好的精度，对车轮可能接触的区域进行局部网格细化，细化区网格尺寸为0．5mm，采用一阶六面体减缩积分单元(C3

8、D8R)进行离散，整个轮对产生733995个单元和758126个节点。1．2．2钢轨有限元模型钢轨采用的是75kg／m国内标准轨，纵向长度取5nl。根据轮对细化相同的原理，对钢轨可能的接触区域进行网格细化，细化区最小单元尺寸为0．5mm。钢轨也采用一阶六面体减缩积分单元(C3D8R)进行离散，两段钢轨共产生252030个单元、267430个节点。1．2．3模型的材料、边界条件以及接触面