基于Cowper-Symonds本构关系的轮轨滚动接触行为有限元分析

摘要

铁路运输作为一种节能环保的交通运输方式，近年来受到了越来越广泛的关注。而轮轨间的接触和相互作用则一直是铁路领域内被众多学者所关注的重要课题，这是因为轮对和轨道担任着铁路系统中最重要的角色，严重的轮轨故障必然会导致灾难性事故的发生。随着列车行驶速度的不断提升，轮轨的损伤也会加剧，尤其是在高速列车的运用中，惯性效应变得不容忽视，材料的应变率效应也将更加显著的体现出来。然而，由于轮轨接触问题中存在着材料、几何和接触非线性，导致高速轮轨系统的动态接触行为十分的复杂，同时这也是研究该问题的意义所在。 因此，建立了三维轮轨滚动接触模型，并采用显式有限元软件 LS-DYNA 进行仿真计算，模型中考虑了轮轨接触的材料、几何和接触非线性，并考虑了应变率相关的材料参数，以研究动态轮轨接触行为。为了给轮轨滚动接触行为仿真分析提供真实、可靠的应变率相关的力学参数，采用HTM5020型高速拉伸试验机开展了D1轮辋钢和U71Mn轨钢在中应变率范围内的动态拉伸力学性能试验，得到了不同应变率下的塑性流动应力-应变响应曲线，建立了基于 Cowper-Symonds 经验性模型的动态本构关系。同时还将三维轮轨滚动接触有限元模型拓展运用到轮对通过曲线的工况，考虑了曲线轨道的超高、轮对的横移和侧滚角。在直道工况下，以列车速度、轴重和材料的应变率效应为影响因素，进行轮轨动态响应的分析；在弯道工况下，以轨道曲线半径、轴重和材料的应变率效应为影响因素，进行轮轨动态响应的分析。 对轮轨动态响应的分析，包含：轮轨接触力、von-Mises等效应力、等效塑性应变、车轴轴心垂向加速度、直道下车轮踏面与轨面初始接触点的横向位移和弯道下车轴轴心横向位移。分析结果表明：1) 轮轨接触力对速度有一定敏感性；随着速度的增大，车轮的von-Mises应力最大值和等效塑性应变最大值有增大的趋势，而钢轨的von-Mises应力最大值和等效塑性应变最大值在不考虑材料的应变率效应时呈现出减小的趋势；车轴轴心垂向加速度和车轮踏面与轨面初始接触点的横向位移最大值会随着速度的增大而减小。2) 轴重对各动态响应参数有明显的影响，随着轴重的增大，各动态响应参数的最大值基本都有线性增大的趋势。3) 轮对三个方向的轮轨接触力最大值，轮轨接触区域的von-Mises应力、等效塑性应变的最大值和车轴轴心垂向加速度，都与轨道曲线半径呈负相关；按相同通过速度设定曲线轨道超高时，轮对车轴轴心的横向位移量与轨道曲线半径呈正相关性。4) 考虑材料的应变率效应时，轮轨纵向接触力和轮轨接触区域的von-Mises应力、塑性应变会有明显的变化；即纵向接触力最大值有所减小，von-Mises应力最大值增幅在40-60MPa，等效塑性应变最大值约减小了1/3-1/2。这些发现对于指导铁路运输中轮轨组件的维护和修理有着重要意义。

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