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矫直计算中钢轨截面简化的有限元分析

I.引言

1.研究背景和意义

2.目的和意义

II.钢轨截面简化的有限元模型

1.计算方法介绍

2.基本原理和假设

3.算法和计算流程

III.矫直计算中钢轨截面简化有限元分析

1.矫直过程和原理

2.钢轨模拟分析

3.结果分析和讨论

IV.实验验证

1.实验对象和测试方法

2.实验数据记录和分析

V.结论

1.本论文的研究成果

2.进一步研究的展望和意义

VI.参考文献第一章：引言

随着铁路交通的不断发展，高速列车改善乘客的出行体验，减

少行程时间，干线铁路逐渐更新换代。然而，铁路线路超额使

用带来了铁路设备的严重磨损和变形，尤其是钢轨弯曲变形问

题。

在列车行车过程中，钢轨受静载荷和动车荷载的交替作用，长

期应力作用，造成钢轨轨面逐渐变形。为了保证铁路运行质量

和乘客安全，钢轨必须进行矫直。这就需要对钢轨纵向受力及

变形特性进行研究。此外，在钢轨的设计及性能评估以及钢轨

的质量管控等方面，有限元数值分析技术也得到了广泛的应用。

因此，本文采用有限元方法分析矫直计算中钢轨截面简化问题，

以期为铁路行业的发展提供一定的参考价值。

第二章：钢轨截面简化的有限元模型

有限元分析的模型主要由几何模型，材料特性和约束条件组成。

本文设计了一种基于GeoMagicStudio平台的钢轨有限元模型，

模型所承载的有限元分析求解器是ANSYS。该模型的建立包

括以下几个步骤：

1.数据准备及三维建模

本文采用CATIA软件建立钢轨的混合模型，选用较为典型的

标准钢道型号GB2585-81作为具体建模对象，通过实际测量

得到其参数。然后将建立的混合CAD模型导出至GeoMagic

Studio平台，通过裁剪操作将模型划分成三个主要部分：轨顶、

轨腰和轨底。

2.有限元分析

基于ANSYS软件的有限元计算方法进行计算，建立钢轨截面

的有限元模型。对于每个部分，分别设置其材料、边界条件以

及节点间的单元管连。通过有限元分析，得出钢轨截面的应力

分布、位移变形和载荷响应等参数。

3.模型验证

通过与现场实际测量的矫直前后的钢轨尺寸和位移、变形等数

据进行对比，来验证本文所设计的有限元模型的可行性。

第三章：矫直计算中钢轨截面简化有限元分析

钢轨矫直计算是铁路维护与保养工作中的一项重要内容。通过

钢轨矫直计算，确定钢轨的矫直量，给出具体矫直方案，并保

证矫直效果。对于矫直计算中的钢轨截面简化问题，需要进行

有限元分析。在实际工程中，由于先天条件的限制，可能会导

致符合一定精度的完整建模。在本文中，针对此问题，为了达

到对钢轨进行更精准分析的目的，对钢轨截面进行简化处理。

为了实现钢轨截面的简化过程，需要先选取一些能够代表钢轨

截面特征的几何形状，从而简化模型。同时，钢轨截面的简化

对有限元分析的精度也有很大的影响。在本文中，通过对钢轨

的研究，提出了重心横截面法和均匀截面法，这两种简化方法

被广泛地应用在钢轨的有限元分析中。

重心横截面法是采用钢轨重心及钢轨与重心的相对位置作为主

要考虑因数进行简化。该方法相对较为简洁，计算所需时间也

较短，但该方法会忽略钢轨截面形状对应力和位移的影响。

均匀截面法则是在钢轨横截面平均分布的情况下，选取中间位

置处的简化横截面代替整个横截面进行研究。这种方法有利于

维持钢轨的横截面形态，同时减少分析复杂度，提高计算准确

性。

通过有限元仿真分析，可以得到钢轨在不同矫直力条件下的变

形情况，从而为钢轨的矫直提供参考。同时，对矫直处理后的

钢轨变形情况进行有限元模拟仿真验证，以验证所建立的有限

元模型的准确性和可行性。最终，本文将分析结果与工程实践

相结合，得出合理的钢轨矫直方案。

总结：本章通过建立钢轨有限元模型和对重心横截面法和均匀

截面法进行分析，实现了钢轨截面的简化，并开展了有限元分

析计算，为钢轨的矫直提供了理论依据。第四章：有限元分析

在钢轨设计及性能评估中的应用

有限元分析技术在钢轨设计及性能评估中的应用，早已得到了

广泛的认可。在钢轨设计中，有限元模拟分析主要是针对钢轨

的疲劳和断裂两个工况进行研究。对于钢轨的疲劳问题，通常

需要进行低周疲劳和高周疲劳两方面的分析。在低周疲劳方面，

多数应用频率响应函数法或最大应力法，通过应力-振幅曲线

得到钢轨疲劳寿命的预测。在高周疲劳方面，主要应用应力集

中因子法和FractureMechanics等方法，对应力集中处或微裂

纹下的断裂问题进行分析。对于钢轨的断裂问题，则主要应用