基于sines准则的钢轨疲劳分析.doc

《铁道机车车辆强度设计方法》 基于sines准则的钢轨疲劳分析 说明书 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械工程 姓 名： XX 学 号： 2014210227 指导老师： 米彩盈 日 期： 2015年5月11日 钢轨疲劳概况 在工程结构和机械设备中，疲劳的现象极为广泛，它普遍存在于每个承受反复荷载的结构中。疲劳潜藏于机械设备运转的过程中，它常常会造成加剧零部件的磨损和断裂，从而使机械零部件失效，使机械设备不能正常工作，甚至造成生命危险，因此疲劳特性是人们一直非常关注的问题。钢轨是轨道的主要部件，它是轮轨接触中的直接承重部分，引导机车车辆的车轮前进，承受车轮巨大的压力，并将所承受的荷载传布于轨枕、道床及路基。同时，钢轨必须为车轮提供连续、平顺和阻力最小的滚动表面。在电气化铁道或自动闭塞区段，钢轨还可兼作轨道电路之用。因此，钢轨的状态和使用寿命将直接影响铁路运输。所以，国内外纷纷投入大量科研力量进行理论分析和实验，研究在轮轨接触中钢轨的动力响应特征，并根据动力响应结果，预测钢轨寿命，指导工务部门对钢轨进行何时打磨、何时换轨等。 基于abaqus 6.10对钢轨疲劳应力的分析 2.1 钢轨的建模 为使钢轨轧制冷却均匀，要求轨头、轨腰及轨底的面积分配，有一个较合适的比例。根据我国对75kg/m钢轨断面尺寸在Auto CAD中绘制钢轨的截面如下图1。根据已绘好的截面导入Pro/E中，根据0.65m的轨枕距装配如下图2。 图1 钢轨截面图 图2 钢轨装配图 2.2 钢轨模型参数 为了发挥钢轨的性能，它应具有足够的刚度，以抵抗由动荷载引起的弹性挠曲变形；具有一定的韧性，以防止在动荷载作用下，发生折断或损坏；具有足够的硬度，以防止车轮压陷或磨耗太快；其顶面应具有一定的粗糙度，以利实现机车的黏着牵引与制动力。我国用于轧制钢轨的材料有U71、U74、U71Cu、U71Mn、U71MnSi等，本次模拟疲劳应力选用钢轨材料为U71Mn，其弹性模量E＝2.145E5MPa，伸长率δ＝8%－10%，泊松比u＝0.3，密度ρ＝78kg/m3。 2.3 abaqus仿真分析 钢轨模型使用一对轨枕进行边界模拟约束，因此轨枕距中心截面为钢轨受力的危险截面，模拟CRH2车型中24t轴重荷载情况下，对建立好的模型选用C3D8R六面体单元进行网格划分，并对钢轨进行四个工况的受力进行模拟分析：①轨枕距中心截面正中心节点受力；②轨枕距中心截面顶部边缘节点受力；③轨枕距中心截面线节点受力；④轨枕距中心截面面节点受力，分别如下图3所示。将写好的文件导入工作站进行分析计算，导出计算结果如下图4所示，并导出各个节点的MISESMAX、S.Mises、S.Max、S.Mid、S.Min应力文件，以便进行应力分析。 图3 钢轨四种工况下的受力 图4 abaqus分析结果图 三．基于matlab 2012a对abaqus 6.10仿真分析结果进行分析 3.1 钢轨材料的力学性能 钢轨材料U71Mn的力学性能反映了钢轨的工作能力，其基本力学性能有，强度极限δb＝964MPa，屈服极限δs＝552MPa，由材料力学性能经验公式可知，材料对称循环弯曲疲劳极限为材料强度极限的一半，因此可知钢轨材料的对称循环弯曲疲劳极限δ－1N=482MPa。 塑性变形后碳钢扭转疲劳极限与弯曲疲劳极限的关系的相关知识，15号碳钢扭转与弯曲疲劳极限的比在0.53－0.57之间，45号碳钢扭转与弯曲疲劳极限的比为0.57－0.58，且有含碳量高的材料其疲劳极限比也较高。因此利用插值计算的方法，可以计算出钢轨材料U71Mn含碳量w(C)＝0.65－0.77的扭转疲劳极限ζ－1＝288MPa。 3.2 matlab程序编制及验证 3.2.1 修正的Goodman曲线 由上述的参数可以对钢轨各节点的应力进行编程，并对其与Haigh图形式的修正的Goodman曲线对比，Matlab程序如附录一。 其对比图形如图5所示。 由图5可知，各个不同的受力工况下，钢轨各节点的应力均在Goodman曲线内部，因此钢轨在不同工况下，其危险截面的受力均在其材料力学性能内，其工作状态安全。 图5 钢轨应力与Haigh－Goodman的比较 3.2.2 sines准则 sines准则是最早提出并被普遍接受的高周多轴疲劳准则，其内容如下： 其中： ①为第二应力偏张量不变量, ＝; ②; ③; ④,=。