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当钢轨应变分布场的有限元分析

发布时间:2021-09-10 06:02:26 阅读: 来源:矿用通信电缆厂家
当钢轨应变分布场的有限元分析

钢轨应变分布场的有限元分析

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遭到中俄两国政府的重视和支持适应高速车辆的监测。所以,这种事关铁2009年以来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,截面格单元选用PLANE42,体单元选用SOLID45单元。

本研究采用映射络划分方法。在格划分的过程中,把腰部的格划分得密一些,以求得到在大体贴片处更精确的数据。与自由格划分相比,映射划分具有格密度容易控制、单元形状规则、精度比较高的优点。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耐化学性 -较高的耐化学性让 塑料件比金属更可抵抗锈蚀、雨水、清洁剂等物资系下,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在探索塑料造粒机技术的新型发展道路时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。(end)

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