移船架走轮与钢轨接触冲击有限元仿真分析.pdf

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1、第43卷第6期2014年12月船海工程SHIP＆0CEANENGINEERINGV01．43No．6Dec．2014DOI：10．3963／j．issn．1671．7953．2014．06．叭3移船架走轮与钢轨接触冲击有限元仿真分析陈垄1’2，马广辉1。邓晓1(1．中国人民解放军95958部队，上海200120；2．武汉理工大学能源与动力工程学院，武汉430063)摘要：以某移船架轮轨系统为研究对象，应用ANsYS／LS—DYNAA有限元软件开展仿真分析，探讨轮轨系统在轨缝处的冲击响应状况，分析行进速度、载荷和轨头高度差等参数对走轮在轨缝处所受冲击的影响水平，结果表明，速度的影响比较显著，为

2、保证移船架轮轨系统在轨缝处的安全性和稳定性，其最大行进速度不应大于6H∥min。关键词：移船架；轮轨接触；轨缝冲击；有限元中图分类号：U673．38文献标志码：A文章编号：167l-7953(2014)06—0054_05移船架是船舶下水的一种重要装置，其走轮系统由数百对走轮(平衡轮、边轮)、轮轴、轴承以及轨道等结构组成⋯。在超低速运行过程中受力较为复杂，尤其在轨缝间冲击剧烈，容易引起瞬时超负荷，接触应力增大，使走轮、轮轴等结构出现变形、断裂的现象。走轮系统一旦损坏将严重影响移船架运行的安全性与平稳性。为了排除潜在的危险，提高船舶下水的安全性，必须对移船架的可靠性进行周密的计算。本文就移船架

3、在超低速行进时的轮轨冲击状况展开讨论，分析行进速度、载荷和轨头高度差等参数对走轮在轨缝处所受冲击的影响。1有限元模型描述1．1移船架轮轨几何参数及机械性能应用ANSYs／IJS—DYNA建立钢轨与走轮的弹塑性三维有限元模型，用该模型仿真计算走轮在钢轨上低速行进时冲击钢轨轨头的过程拉‘3]。此模型中钢轨采用73kg／m重轨，走轮材料选用QT600—3号球墨铸铁。各部分几何参数见表1。表1走轮的几何参数mm收稿日期：2014—0l—17修回日期：2014一06一03第一作者简介：陈垄(1986一)，男，硕士生研究方向：设备工程与资源管理E-man：chenkun8609@163．com走轮与钢轨

4、力学性能如表2所列。表2轮轨材料及其力学性能1．2模型的建立与网格划分考虑到分析的完整性，在仿真中采用整体建模。将其力学模型简化为二维形式，见图1。．．．

5、．^．1图1轨缝冲击二维力学模型该模型由钢轨l、钢轨2和走轮三部分组成，当走轮从钢轨1向钢轨2运动时，易在钢轨2的轨头处产生冲击。在模型中，x轴表示横向，y轴表示垂直方向，z轴表示轨道方向，即走轮的滚动方向；山。、％、P0、^分别表示走轮滚动角速度、走轮行进速度、荷重、钢轨错牙接头的高度差。在仿真过程中，运用ANsYS软件的前处理功能，定义钢轨、走轮的材料属性、实常数。在显式分析过程中，用8节点3Dsolidl64实体单元来模拟钢轨、走轮

6、，建立模型并划分网格。走轮与钢轨接触部位网格大小细化为4mm，其余的部分网格大小为30mm。钢轨1有单元19350个，钢轨2有单元188lO个，走轮单元有66912个。有限元31第6期船海工程第43卷模型网格划分见图2。图2轮轨模型网格划分分别对两段钢轨和走轮创建3个part，钢轨l设为part1，钢轨2设为part2，走轮为part3，pan3与part1和pan2之间分别采用面一面接触法则，走轮与钢轨都不是刚体，且钢轨面明显小于走轮面，因此接触面为走轮面，目标面为钢轨上表面。1．3约束与加载钢轨底面和两端面为全约束，走轮两侧面施加戈方向约束。由于在LS—DYNA动力分析中必须考虑施加载荷

7、随时间的变化，但这一关系无法直接通过命令设置，所以在加载前必须定义时间和载荷数组。41。选取轮孑L下表面上所有节点创建组元，定义载荷一时间历程曲线，将载荷施加到模型’，方向上。走轮和钢轨三维有限元模型约束与载荷加载见图3和图4。32图3面和节点的约束情况图4载荷加载情况2仿真结果分析2．1轮轨冲击过程中的应力分析仿真中设走轮行进速度为％=3Ⅱ∥min，走轮的载荷F=400kN，动摩擦系数取0．2，静摩擦系数取o，3。钢轨轨头处的高度差为^=1mm，分析时间为扣5s，时间子步数为100，每一段分析的时间问隔为0．05s。计算结果如下。2．1．1钢轨接触应力与等效应力钢轨弘方向接触压力随时间的变

8、化情况见图5。弘面上的接触压力的第一个峰值出现在冲击发生之后0．3s左右，大约是静载荷的4．9倍，为高频瞬态冲击力。冲击力的产生到消失存在于很短的时间之内，主要被钢轨轨头接触面所承受，这个冲击力是导致钢轨轨头处和走轮表面塑性变形和疲劳损伤的关键因素。在第一次峰值过后的O．2～0．3s之后，又出现了一处比第一次稍小一点的峰值，这说明在轮轨冲击过程中钢轨可能受到了二次冲击。这种情况是钢轨的弹性势能释放而使走轮在第