钢轨应变分布场的有限元分析

2013-06-20  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

0 前言
   
围绕高速货车超偏载检测技术的研究一直是国内的研究热点之一。由于种种原因,借助钢轨本体作为传感器展开的研究在国内并非主流研究方向,而目前广泛采用分离式“剪切”、“压力”传感器的检测方法又难以适应高速车辆的监测。所以,这种事关铁路安全运输的技术并未进入推广使用的阶段。研究轨道在高速车轮扫描作用下受载应变的机理,进而研究基于轨道的传感器的设计方法,是该研究领域内的基础性研究课题。
   
本研究以钢轨本体作为研究对象,探讨研究钢轨在车轮载荷作用下的敏感区的分布与应变场变化情况。

1.有限元分析

    1. 1钢轨的建模及单元划分
   
本研究中的钢轨计算模型参考普通60 kg/m的钢轨,在ANSYS中通过点、线、面到体的、由低级到高级的形式,建立了钢轨三跨的三维立体模型然后设置了一些参数:弹性模量E =2. 08 x 10 5 MPa,泊松比为0.3,截面网格单元选用PLANE42,体单元选用SOLID45单元。
   
本研究采用映射网络划分方法。在网格划分的过程中,把腰部的网格划分得密一些,以求得到在大体贴片处更精确的数据。与自由网格划分相比,映射划分具有网格密度容易控制、单元形状规则、精度比较高的优点。在线上控制节点的数目得到了期望中的单元划分效果,如图1所示。

    图1  钢轨截面的网格划分图

截面上3个不同平面单元通过拉伸处理方式,就可以得到钢轨的有限元模型,如图2所示。

    图2 钢轨有限元分析

    1.2加载
   
在实验中,以对钢轨下表面的间隔约束来代替实际中轨枕对钢轨的作用,当然这种约束并不是很精确。作用在钢轨上的载荷是模拟轮子的重量(M= 1. 25 x 10 4 kg),采用连续加载的方法来模拟轮子在中间跨度的钢轨上前行的过程。计算时,取几个工况下的加载进行分析。

2.计算结果与分析

    2.1应变场的分布
   
加载计算后,在后处理过程中得到了钢轨的应变场分布图,如图3和图4所示,由此可看出,在加载处的钢轨头部分应变集中,应变数值大;钢轨约束的地方应变也比较集中;在作用力的腹板区域则可以看到应变是成大约45度分布的;在偏离作用力的地方应变比较小,形状也不是很明显。当作用力在Z轴方向上由一边向另一边加载的过程中,应变在中性层附近随作用区域的变化有一个明显的移动,这样的结果和理论基本符合。

    图3 加载于Z=108mm处的应变场图

    图4  加载于Z=216mm处的应变场图

2.2敏感点的确定
   
在不同工况钢轨作用力的作用下,根据材料力学的计算结论,可以确定在钢轨中性线上的各个节点是研究的重点对象。在后处理中,重点观察中跨段的应变变化,主要是钢轨腹板上焊接弹性体位置直线上的节点轴向的应变。为了更加明显地对结果作出分析与比较,把轴向的应变投影在相应的直线上,并按照一定的规则拟合为一条曲线,如图5所示。该图是将某个工况下形成的变化曲线画在直角坐标系下,横坐标为各个位置与约束边缘位置的距离,纵坐标为z方向的应变绝对值。

    图5 中段中性线上的节点应变曲线示意图

图5是某个工况下中性线上节点的应变大小走势图。仅通过儿个工况位置的中性线上节点拟合曲线的线型走势,不可能比较准确地找到钢轨中性线上对应变敏感的区域。当然在分析时,不能仅仅考虑这个点在载荷作用下所产生应变的大小,同时也要兼顾这个点在不同位置加载下的平稳性。也就是说,需要找到一个位置,能产生比较大的应变,并且没有太大的数值波动。据此,应用了统计学原理,可得出下面公式:

    式中Ki--第j个节点的比值;xi--不同的加载位置时的某个节点的应变。
   
由式(1)可确定所需要的敏感区域的确切位置。经过计算,可知在中跨上距两边168mm的区域符合要求。这样就为以后放置弹性体找到了比较准确的位置。

3.结束语
   
本研究通过对钢轨的有限元模型的分析,得出了不同工况下的应变场的变化趋势。根据这样的变化趋势,再加上应用数学的方法,找到了钢轨中性线上的敏感区域,这些数据为以后弹性体的粘贴以及钢轨传感器的设计奠定了基础。

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