鋼軌應變分布場的有限元分析

2013-06-20  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

0 前言
   
圍繞高速貨車超偏載檢測技術的研究一直是國內的研究熱點之一。由于種種原因,借助鋼軌本體作為傳感器展開的研究在國內并非主流研究方向,而目前廣泛采用分離式“剪切”、“壓力”傳感器的檢測方法又難以適應高速車輛的監測。所以,這種事關鐵路安全運輸的技術并未進入推廣使用的階段。研究軌道在高速車輪掃描作用下受載應變的機理,進而研究基于軌道的傳感器的設計方法,是該研究領域內的基礎性研究課題。
   
本研究以鋼軌本體作為研究對象,探討研究鋼軌在車輪載荷作用下的敏感區的分布與應變場變化情況。

1.有限元分析

    1. 1鋼軌的建模及單元劃分
   
本研究中的鋼軌計算模型參考普通60 kg/m的鋼軌,在ANSYS中通過點、線、面到體的、由低級到高級的形式,建立了鋼軌三跨的三維立體模型然后設置了一些參數:彈性模量E =2. 08 x 10 5 MPa,泊松比為0.3,截面網格單元選用PLANE42,體單元選用SOLID45單元。
   
本研究采用映射網絡劃分方法。在網格劃分的過程中,把腰部的網格劃分得密一些,以求得到在大體貼片處更精確的數據。與自由網格劃分相比,映射劃分具有網格密度容易控制、單元形狀規則、精度比較高的優點。在線上控制節點的數目得到了期望中的單元劃分效果,如圖1所示。

    圖1  鋼軌截面的網格劃分圖

截面上3個不同平面單元通過拉伸處理方式,就可以得到鋼軌的有限元模型,如圖2所示。

    圖2 鋼軌有限元分析

    1.2加載
   
在實驗中,以對鋼軌下表面的間隔約束來代替實際中軌枕對鋼軌的作用,當然這種約束并不是很精確。作用在鋼軌上的載荷是模擬輪子的重量(M= 1. 25 x 10 4 kg),采用連續加載的方法來模擬輪子在中間跨度的鋼軌上前行的過程。計算時,取幾個工況下的加載進行分析。

2.計算結果與分析

    2.1應變場的分布
   
加載計算后,在后處理過程中得到了鋼軌的應變場分布圖,如圖3和圖4所示,由此可看出,在加載處的鋼軌頭部分應變集中,應變數值大;鋼軌約束的地方應變也比較集中;在作用力的腹板區域則可以看到應變是成大約45度分布的;在偏離作用力的地方應變比較小,形狀也不是很明顯。當作用力在Z軸方向上由一邊向另一邊加載的過程中,應變在中性層附近隨作用區域的變化有一個明顯的移動,這樣的結果和理論基本符合。

    圖3 加載于Z=108mm處的應變場圖

    圖4  加載于Z=216mm處的應變場圖

2.2敏感點的確定
   
在不同工況鋼軌作用力的作用下,根據材料力學的計算結論,可以確定在鋼軌中性線上的各個節點是研究的重點對象。在后處理中,重點觀察中跨段的應變變化,主要是鋼軌腹板上焊接彈性體位置直線上的節點軸向的應變。為了更加明顯地對結果作出分析與比較,把軸向的應變投影在相應的直線上,并按照一定的規則擬合為一條曲線,如圖5所示。該圖是將某個工況下形成的變化曲線畫在直角坐標系下,橫坐標為各個位置與約束邊緣位置的距離,縱坐標為z方向的應變絕對值。

    圖5 中段中性線上的節點應變曲線示意圖

圖5是某個工況下中性線上節點的應變大小走勢圖。僅通過兒個工況位置的中性線上節點擬合曲線的線型走勢,不可能比較準確地找到鋼軌中性線上對應變敏感的區域。當然在分析時,不能僅僅考慮這個點在載荷作用下所產生應變的大小,同時也要兼顧這個點在不同位置加載下的平穩性。也就是說,需要找到一個位置,能產生比較大的應變,并且沒有太大的數值波動。據此,應用了統計學原理,可得出下面公式:

    式中Ki--第j個節點的比值;xi--不同的加載位置時的某個節點的應變。
   
由式(1)可確定所需要的敏感區域的確切位置。經過計算,可知在中跨上距兩邊168mm的區域符合要求。這樣就為以后放置彈性體找到了比較準確的位置。

3.結束語
   
本研究通過對鋼軌的有限元模型的分析,得出了不同工況下的應變場的變化趨勢。根據這樣的變化趨勢,再加上應用數學的方法,找到了鋼軌中性線上的敏感區域,這些數據為以后彈性體的粘貼以及鋼軌傳感器的設計奠定了基礎。

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