火车轮轨模型分析

1、南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者:喻源学 号：1011370145学院(系):理学院专 业:工程力学题 目:QU120国产重载轨道与车轮接触应力和变形教授刘昌源指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2014 年 5 月 毕业设计说明书（论文）中文摘要 该论文研究的是国产QU120重载轨道在使用中会出现的塑性压展和纵向开裂现象。我们采用计算机建模模拟轨道受力的方式，通过观察应力应变图来分析原因。研究过程包括用PROE建立车轮轨道接触模型，用hypermesh划分网格建立离散模型，并且定义材料、接触、约束，最后导入ansys建立力学模型，并

2、进行力学分析。根据得出的应力图和变形图，我们发现在轨道接触面上，由于车轮的压力和摩擦损耗，会出现磨损和疲劳开裂，在轨道的腰部，由于较大的应力集中，在反复的加载、去除载荷的过程中，很可能出现疲劳开裂，并且由于长时间的积累，这种损耗会使应力集中更加严重，反过来加快轨道腰部的疲劳开裂。而车轮的磨损主要集中在与轨道的接触面上，表现为摩擦损耗。 关键词 QU120轨道 接触磨损 有限元 结构模型 离散模型 力学模型 毕业设计说明书（论文）外文摘要Title Contact stress and deformation between domestic overloaded QU120 rail and

3、wheel Abstract The paper studies the domestic QU120 heavy rail in the use of plastic absorption and longitudinal cracking phenomenon。We used computer modeling to simulate the track force way, by observing the stress strain diagram to analyze the reasons.Research process includes the establishment of

4、 wheel rail contact model in PROE, a discrete model with HyperMesh mesh, and the definition of materials, contact, constraint,and finally into the ANSYS mechanical model was established, and the mechanics analysis.According to the stress diagram and deformation of chart, we found that in contact sur

5、face of the track, as a result of the wheel pressure and friction loss. At the waist, due to the larger stress concentration, in the process of repeated loading, the removal of the load, is likely to fatigue cracking.And because of long time accumulation, this loss will make the stress concentration

6、 is more serious, which in turn accelerate fatigue cracking rail waist.While the wheel wear mainly concentrated in contact with the track surface, form of friction loss.Keywords QU120track,Contact wear,FEM,Structural model,Discrete model,Mechanical model 第 I 页 共 II 页目 次1 绪论11.1一般状况下的接触磨损11.2弯道中的轮轨接触

7、磨损11.3摩擦热对轮轨磨损的影响21.4 轮轨表面的裂纹扩展22 ProE建模32.1 ProE建模功能介绍32.2 建模思路32.3 草绘32.3.1车轮草绘42.3.2轨道草绘72.3.3车轴草绘82.4零件82.4.1车轮零件图82.4.2 轨道零件图92.4.3 车轴零件图92.5装配103 HyperMesh离散以及定义接触、材料和约束133.1 HyperMesh功能简单介绍133.2模型的切割133.2.1车轮模型的切割133.2.2轨道模型的切割143.2.3车轴模型的切割153.3模型网格划分153.3.2 轨道离散173.3.3 轮轴离散193.4定义接触203.5定义材

8、料213.6定义约束213.7导出和版本兼容问题234 ANSYS施加载荷、结果分析254.1 ANSYS功能介绍254.1.1结构静力分析254.1.2 结构动力学分析254.2 ANSYS模块介绍254.2.1施加载荷254.2.2后处理编辑264.3 施加载荷264.4 结果分析26小 结32致 谢33参 考 文 献34 本科毕业设计说明书（论文） 第 33 页 共 34 页1 绪论 本文旨在通过模拟轨道上加车轮静载，观察应力变形图来找出轨道塑形压展和开裂原因，整个实验过程包括：1.用ProE建模、装配2.用HyperMesh划分网格，定义材料、约束、接触3.用ANSYS施加载荷以及计算

9、得出应力、变形图4.根据应力、变形图分析得出结论 对轨道磨损的研究理论现在比较丰富，无论是一般状况下的接触磨损、干/水态工况下轮轨接触磨损、非稳态载荷作用下的轮轨接触磨损、轮轨表面的裂纹扩展都有相应的研究理论。而本文从实际问题出发，结合理论研究，针对国产QU120重载轨道在用于炼钢厂钢包运输，轮压为71.5吨的使用中，出现了塑性压展和纵向开裂现象，探索问题来源。 对于各种轨道车轮接触磨损理论这里引用出来，给出一些简单介绍。1.1一般状况下的接触磨损 重载轨道损伤的主要形式是摩擦损耗，并且会伴随塑性变形；而高速铁路轨道则以疲劳磨损为主。由于钢轨摩擦损伤的形式有所不同，导致重载轨道与高速铁路轨道在

10、轮轨接触面的润滑、车轮和钢轨型面的打磨等方面产生很大区别。 车轮的磨损程度会随着减速时的制动力、减速过程中的蠕滑率以及车轮轴重的增大而增大，而切向摩擦力增大后，车轮的磨损形式会从磨粒磨损向粘着磨损和疲劳磨损发生转变，导致接触面出现疲劳裂纹和白层，使得车轮的塑性变形和疲劳磨损更加严重。 含碳量对车轮的滚动摩擦特性的不影响很小，但能改变车轮在滚动过程中的磨损形式；车轮的含碳量后增加，钢的硬度会增加，磨损形式从磨粒磨损向疲劳磨损发生转变，接触面会更加容易出现剥离现象，降低含碳量虽然能使剥离现象得到抑制，但是却使得磨损程度增加了。1.2弯道中的轮轨接触磨损 轮轨型面在发生摩擦损耗后，会影响到轮轨的型面

11、配合关系和车辆通过弯道时的性能；由于轮轨型面发生磨损以及进入弯道后离心力的影响，会使得车轮轮缘与外侧钢轨内侧面挤压，导致车轮通过弯道时，轮轨之间的作用力增大，使外侧钢轨磨损的非常严重。 钢轨使用初期，外侧钢轨的接触应力及钢轨的塑性变形均较大，导致外侧钢轨极易出现接触疲劳伤损；随着钢轨磨耗量的增加，外侧钢轨轨距角处的接触应力和内侧钢轨轨头的塑性变形均逐渐增大，进一步加剧了外侧钢轨的侧磨和内侧钢轨的压溃。1.3摩擦热对轮轨磨损的影响 在滚、滑动工况中，轮轨摩擦热响应主要分布在接触表面大约2mm的深度范围以内，且随着深度的增加其影响越来越小；接触表面以下存在一个区域，其等效应力水平因热载荷的存在而减

12、小，其分布深度随着热传导的进行不断增加；材料的磨损，即接触斑的不断扩大，对磨损过程中的温度场、应力场分布有较大影响，但对最终车轮稳态时的温度场、应力场分布影响很小；表面不平顺使得接触表面的温度分布出现振荡，从而使材料的局部工作环境较光滑表面时更加恶化；滚动工况下，摩擦热响应随着纵向载荷、蠕滑率以及摩擦系数的增大而增大；轮轨间的相对滑动速度越大，其热响应就越大。1.4 轮轨表面的裂纹扩展 轴的重力对应力强度因子有着显著影响；在车轮滚动过程中，表面微裂纹位于接触斑边缘处时，其应力强度因子达到最大值。 磨耗型车轮踏面-磨耗型新轨下的应力强度因子要比磨耗型车轮踏面-已磨耗钢轨下的大得多，新钢轨表面微裂

13、纹更容易扩展，因此对于铁路新轨应避免重车运行；随着车轮滚动，裂尖应力强度因子呈现先增大后减小的趋势，峰值出现在接触斑边缘附近；轴重增加，裂尖应力强度因子大幅增大；裂纹尺寸增大，裂尖应力强度因子先增大后减小；在车轮碾压过程中，微裂纹只在位于接触斑边缘附近时才会张开，其它位置微裂纹是闭合的。对比磨耗性踏面下的计算结果，可知锥轮下钢轨表面微裂纹更容易扩展。2 ProE建模 2.1 ProE建模功能介绍 ProE建模的一个很大优势就在于采用的是单一数据库，所有模块都相关联，因此我们可以随意修改产品开发过程的某一个模块，而其他模块会自动更新修改数据。例如我修改了草绘图纸，组建和装配体就会随之更改，但是图

14、形修改后一些约束需要重新定义。这一特征鼓励在开发过程的任何一个环节进行修改，却不会有任何损失，这就让工程并行成为了可能。 下面对需要用到的功能进行简单介绍： 草绘功能：ProE使用的都是用户熟悉的一些几何构造要素，如直线、圆弧、导角、对称轴，使用方便，可以随意修改尺寸，因此使用起来很容易上手。 零件功能：ProE可以通过导入草绘文件生成一些简单实体，如拉伸实体、旋转实体。通过简单实体的组合形成复杂图形。 组件功能：除了直接将一些简单实体画在一张图纸上，也可以通过定义约束的方式将简单实体装配到一起，通常用到的约束包括对齐、相切、插入等，对齐约束除了可以实现实体面的对齐，还可以实现对称面的对齐。组

15、件功能中装配的零件数量不受限制。2.2 建模思路 建模想到了两种思路，第一种是将车轮与铁轨直接绘制在一张零件图中，省去了装配的过程，后来考虑到后期要调整物体的相对位置，以及方便后期离散时单独操作各个部分，因为只有将各个模型单独建立在零件图中，在HyperMesh中才能单独选中某个部分，因此又采用了第二种方法，即首先单独建立车轮、轴和轨道模型，再通过设置约束装配到一张组件图中。2.3 草绘 关于草绘，可以单独建立一个草绘文件，在确定好实体类型后选择“草绘数据来自文件”导入零件，也可以在建立零件的时候直接画草绘图。需要注意的是当要修改零件时不能直接修改建立的草绘图，而需要进入零件里，通过“编辑定义

16、放置草绘”来修改，这样修改的数据就会体现在零件图中。另外需要注意的几点是： 一、先找出绘制草绘需要用到的数据，整理到一起，最好先看着数据构思一下如何画，以免画了一半发现一些线条没法定位，或者定位困难而需要重画。 二、一条线不要划分成多段，因为在旋转后每一段线形成一个面，同一个面就被切割成多个部分，这样在选中某一个面时就需要多次操作，另外也影响模型观看。 三、绘制完成后注意通过（草绘诊断）功能检查错误。删除掉重叠的线条，用于定位的线条，检查图形是否封闭。 四、由于车轮和轨道都是对称图形，在草绘图中，可以只画出一半，再通过对称轴映射到另一边，这样就节省了很多工作量。2.3.1车轮草绘 车轮图纸给出

17、，单位（毫米）：图2.1 车轮图纸 根据车轮图纸绘制草绘图时，我省略掉了轴孔处的小台阶和中间的几个圆柱孔，因为他们对车轮接触面特别是对轨道的受力影响很小，不会影响到我们的研究结果，所以做出了简述处理。 需要注意的一点是，绘制过程要多次用到对称轴，在绘制完草绘图后，要删除掉多余的对称轴，只保留旋转成实体的对称轴。否则在建立旋转实体是会因为无法区分哪根是旋转轴而无法旋转。根据车轮图纸绘制的草绘图如下：图2.2 车轮截面草绘 在建模过程中，车轮导角一直是我纠结的一个问题，一方面还原车轮模型需要画导角，这样才能更真实的模拟车轮受力，所以第一次我保留了所有导角，但是在进入HyperMesh需要划分网格时

18、发现，在导角处很难切割成可以建立3D扫略网格的部分，因此我去除了大部分的导角，最后只保留下车轮轨道接触面上的导角，因为接触面是我们主要关注的受力位置，所我尽量保留，再去切割时发现，可以成功切割，但是在画网格时又出现了问题，由于导角不规则的影响，导角周围的网格非常的不规则，可能影响到受力计算，因此最后我把接触面上的导角也去掉了。最后确定的草绘图如下：图2.3 车轮截面草绘（去导角）2.3.2轨道草绘 根据给出的资料，我将草绘需要用到的数据整理如下：型号bb1b2shh1h2RR1R2rr1r2QU1201201291704417045355003456882图2.4 轨道参数图 轨道草绘图不用担

19、心导角问题，因为轨道本身是一个简单的拉伸实体，可以直接建立3D扫略网格，不用担心切割问题。并且轨道是我们主要的分析对象，所以最好不要去除导角。我绘制的轨道草绘图如下：图2.5 车轮截面草绘2.3.3车轴草绘 通过车轮内径提取出车轴数据，得出轴半径110mm、长度260mm。 本来我的模型上没有打算建立车轴，而是直接在车轮轴孔表面加载轮压，但是考虑到车轴在受力过程中要发生变形，而改变接触面，这样受力面就不是整个轴孔面了，并且也不是均匀受力，所以最后又加上了车轴。2.4零件 将草绘图导入零件，需要注意的几点是： 一：将草绘的中心对准坐标轴原点，否在在装配的时候不好定位 二：草绘图导入时将图纸比例设

20、定为1，否在图形大小会发生改变，而默认的比例一般小于1，所以一定要手动修改。2.4.1车轮零件图 建立一个旋转实体，将旋转度数设定为360，导入车轮草绘图，设定好旋转轴即可。车轮零件图如下：图2.6 车轮正面图图2.7 车轮侧面图2.4.2 轨道零件图 建立一个拉伸实体，将拉伸长度设定为2000，导入轨道草绘图。轨道零件图如下： 图2.8 轨道正视图图2.9 轨道侧视图2.4.3 车轴零件图 建立一个拉伸实体，将拉伸长度设定为260，导入车轴草绘图。车轴零件图如下：图2.10 车轴零件图2.5装配 首先导入轨道零件，导入后注意不要再调整轨道位置，尽量调整其他部分来配合轨道，随意移动轨道会很难确

21、定坐标轴的相对角度，导致在施加载荷时无法确定方向。所以尽量把轨道作为参照物。 第二步是导入车轮零件，车轮与轨道的装配我设置了两个约束，一个是在两个对称截面设置了对齐约束，另一个是在接触面设置了相切约束，如下图红色标示：图2.11 对齐约束图2.22 相切约束 这两个约束将车轮与轨道的相对位置限制在一个自由度，最后移动车轮到合适位置即可，我将他放在了轨道一端，方便后面设置车轮滚动时有足够的距离。但是后来因为不知道车轮滚动速度，就只分析了加静载的受力情况。 第三步是导入车轴零件，车轮与车轴的装配同样设置了两个约束，一个是轴桶侧面与车轮孔内壁相切，一个是轴底面与车轮内桶侧面对齐。装配效果图如下：图2

22、.23 相切约束图2.24 对齐约束3 HyperMesh离散以及定义接触、材料和约束3.1 HyperMesh功能简单介绍 HyperMesh具有强大的有限元网格划分功能。一般情况下，CAE分析工程师绝大部分时间都花费在了有限元模型的建立、修改以及网格划分上，而真正求解分析是直接用计算机工组站解决，因此采用一个使用方便灵活，功能强大，并能够方便的与众多CAD系统和有限元软件进行数据交换的有限元前后处理工具，对于提高有限元分析工作的质量和效率具有十分重要的意义。 HyperMesh在处理有限元数据的质量和速度上具有很大优势，而且有限元模型的规模没有软件的限制。很多其他的有限元分析软件在导入大规

23、模模型时需要很长时间，甚至不能成功导入；而如果采用HyperMesh，其强大的几何处理能力使得HyperMesh可以很快的读取那些结构非常复杂，规模非常大的模型数据，从而大大提高了CAE分析工程师的工作效率，也使得很多应用其他前后处理软件很难或者不能解决的问题变得迎刃而解。 在将ProE中保存的.asm文件格式的装配模型导入HyperMesh后，就可以进行接下来的工作。3.2模型的切割 为了将模型离散得更加规则，采用了扫略离散的方法，因此首先需要将模型划分成几个规格的部分，需要注意的是，在切割时，由于两个部分接触面上节点和线条的干涉，往往不能使用扫略切割，而需要先建立好切割面，再用体被面切割的

24、方式进行切割。 切割过程实验了多次，有些部分看似是一个规则的圆筒，应该不需要切割，但实际上要考虑到周围几何体的影响，一个几何体的某个面与其他几何体的面必须要么全接触，要么不接触，否则就要继续切割。3.2.1车轮模型的切割 考虑到车轮不是我们主要的考察对象，因此对车轮做出了部分简化，这里将所有导角修改成了直角，这样处理后，在对结果影响不大的情况下，模型的切割更加简单，车轮网格也能划分的更加规整，这样做既减少了计算量，也提高了结果准确性。 车轮轮缘网格划分比较复杂，如图，可以看出中心圆筒部分被切割成了三层，中间层和轮壁对齐，车轮外缘被切割成7个部分，这样做保证每两个部分间只有一个面接触，且两个面完

25、全重合。这样切割后可以直接扫略，并实现网格对齐。图3.1 车轮截面切割示意图 切割后的效果图如下，绿色是轮廓线，黄色是切割线：图3.2 正面切割图图3.3 侧面切割图3.2.2轨道模型的切割 轨道本身可以直接进行扫略画出3D网格，但是考虑到轨道与车轮接触面最好使网格对齐，因此在车轮垂直对称面的地方将轨道切割成了两节，这样可以在划分网格时实现接触点网格对齐。图3.4 轨道切割图3.2.3车轴模型的切割 车轴本身也是可以直接扫略划分网格的，但是考虑到与轮子轴孔的网格对齐，因此同样根据轴孔切割方式，将车轴切割成了三段，这样可以保证每一段划分成同样层数的网格。图3.5 轴切割图3.3模型网格划分 在提

26、示所有部分都可以扫略后，选定一些面建立2D离散，再用3D扫略的方法，建立3D网格。在一些不能扫略或者扫略后网格不理想的地方，可以先多建立一个2D网格面，以达到理想的效果。3.3.1车轮模型网格划分 为了保证网格对齐，并且规则符合要求，建立了4个面的2D网格过度。在给车轮划分网格时，考虑到尽量规则的情况下保证中心部分网格密度小，而边缘属于受力分析的主要部分，因此网格划分的比较密集。轮缘处的网格划分的特别规则，符合受力变形的特点，这样做能更加有效的保证受力后应力应变图的的真实性，2D网格效果图如下： 图3.6 2D网格正面 图3.7 2D网格侧面 2D网格建好后，直接扫略形成3D网格，扫略时注意由

27、车轮轴承向外按顺序一个挨着一个扫略，才能实现网格对齐，完成后3D网格效果图如下：图3.8 车轮正面3D网格图图3.9 车轮侧面3D网格图3.3.2 轨道离散 因为轨道本身可以直接进行3D网格扫略，所以不需要切割，当然也可以为了达到更好的离散效果，而选择水平切割再离散。这里分别展示两个离散方式的效果图。图3.10 水平切割后离散图3.11 直接离散 切割后再离散可以根据需要更加细致的划分网格，调整网格密度，使网格更加规则。但是通过图片可以看出，直接离散的效果也不过，而为了达到这样的离散效果也需要多次调整网格密度，边修改每条边上的网格数边观察，直到达到理想的效果。最后我选择的是直接离散的方法。 需

28、要注意在调整网格数量时尽量使接触面上网格密度大些，以保证更高的计算精度，而在受力较小的地方网格密度可以画小点，以避免多余的计算量。 截面离散后，直接扫略成3D网格，需要注意的是网格长度尽量和车轮网格尺寸对齐。 后来为了使轨道与车轮接触面上网格对齐，又采用了另一种方法，就是在车轮垂直对称面的地方将轨道切割，在切割面上先定义几个与车轮网格对齐的点，再在截面上而非端面上划分网格，这样就实现了车轮与轨道网格的对齐，然后再按上面的方法调整网格。如图所示：图3.12 轨道截面2D网格图3.3.3 轮轴离散 轮轴离散本身比较简单，但是因为和车轮接触后为了使网格对齐，因此在车轮切割位置将车轴切开后，形成了三个

29、圆柱体。对底面进行2D离散后，直接扫略成3D网格。需要注意轮轴外缘网格数要与车轮内壁对齐。 在网格对齐上我以为只要将节点数设置成一样就可以对齐了，结果却出现了意外的情况，圆柱的一端网格是对齐的，而另一端网格却没有对齐。后来经过探索发现需要在车轴边缘先定义一些对齐的点，然后自动离散就可以实现网格对齐，当然在点之间可以继续划分网格。车轴3D网格图如下：图3.13 轮轴离散图3.4定义接触装配图中有两处接触需要定义，一个是出轮轮缘与轨道表面的接触，一个是车轮与轮轴之间的接触。定义接触的操作比较简单，只需要选中接触面上的一个单元，再通过by face操作就可以选中整个面，接触面用土红标示：图3.14

30、轴与车轮接触面图3.15 轮与轨道接触面 由于施加的载荷是在垂直方向，模拟过程中不会出现车轮偏移，所以不需要考虑轨道两侧与车轮的接触，但是实际情况下，车轮在运行过程中是会与轨道侧面接触的。我们在这里考虑的是最简单的情况，即轨道只有顶面与车轮接触。当然，如果无法确定自己的约束定义的是否充分，而发生车轮移动，导致轨道侧面与车轮轮缘内侧接触，也可以将轨道侧面和车轮轮缘内侧面定义为接触面。3.5定义材料 资料里只给出了车轮与轨道的材质，轨道材质为U71Mn这种材质比较常见，很容易查到它的各项参数。车轮材质为50Crnimo，为镍铬合金刚，我只能查到40Crnimo型号的数据，在20摄氏度时的弹性模量为

31、209GPa，100摄氏度时为205GPa，又查到普通镍铬合金刚的弹性模量为206GPa，数据非常符合，因此最后决定各项数据采用普通镍铬合金刚的。 给出轴压为71.5t，计算得出轴体积为9.883e-3m3，轴的密度通过轴压除轴体积得到，这样就不用单独再加轴压力。这里没有再加上轴本身的质量，因为考虑到它相对轴压是一个非常小的数值。 用到的材料参数包括弹性模量、泊松比、密度，单元类型统一采用solide45，其他数据下面以表格形式列出：弹性模量（MPa）泊松比密度(t/mm3)车轮2060000.287.85E-9轨道1200000.3687.9E-9轴2060000.37.235E-6 材料参

32、数可以用HyperMesh定义也可以到ANSYS里定义，我选择的是HyperMesh，定义材料时需要注意，不仅车轮、轴、轨道的材料参数需要定义，在建立了接触面后，接触面同样需要定义材料，并且在定义接触面材料时需要先删除2D网格，否则会出现错误。 在我看来摩擦系数理论上不会影响到受力，因为我加的是垂直方向的静载，车轮不会产生位移，所以不需要考虑摩擦力的影响，但是后来在计算时老是提示车轮边缘有一个节点在垂直方向位移过大，我考虑到可能是因为车轮发生了转动，因为在轴被约束的情况下无论车轮是否转动都是平衡的，因此，我又在ANSYS里补充了摩擦系数，设定为0.2。3.6定义约束 约束类型在ANSYS里用的

33、sdandard，第一个约束是在轨道底部，我将六个自由度全部固定，这样轨道就被完全固定了，如下图所示：图3.16 轨道约束效果图 关于轴和车轮的约束我一直不知道怎么加，尝试了几次。第一次是将轴的端面和车轮轴承的端面固定住，只允许在垂直方向移动，效果图如下：图3.17 整体约束效果图 分析后发现这样的约束理论上是错误的，因为我固定的是单元节点，虽然物体只受到垂直方向的载荷，但实际上单元在受力后由于周围单元的挤压，在其他方向上也会有位移。特别是在轴的中间水平位置的左右两侧，因为横向约束被固定，变形后会一直与车轮保持接触，车轴就会被悬空起来，不符合实际情况。轴孔变形图如下所示：图3.18 轴孔变形图

34、 因此我去除掉了垂直对称平面内的所有约束，但是在求解过程中依旧提示在左右两侧边缘节点竖直位移过大，我一度找不到原因。后来我想可能是因为车轮在划分节点时不是左右对称的，因此在加了重力后不会平衡，很可能绕轴转动一个角度到重心最低的位置才能保持平衡，而在转动过程中，左右两侧边缘节点正好会出现竖直方向的初始位移。 后来为了防止车轮的转动，我把约束类型改成了bonded（always），即接触面上所有节点绑定在一起。而节点绑定在一起后就不需要考虑车轴与车轮轴孔变形后接触面的改变了，所以无论是只约束轴还是将车轮端面一起约束都不会有太大影响。而原本没有加摩擦力并且约束为sdandard时，约束轴承端面可以防

35、止车轮沿轴水平位移，但是理论上只加载垂直静载并且加了摩擦系数后不会出现这种情况，所以我最后定义约束时只对轴加了沿轴的水平和三个转动约束，最后没有出现错误了。 有一点需要注意，在定义约束时由于软件的兼容性问题，在HyperMesh里只能定义6个自由度的完全约束，否则在导入ANSYS时会提示出现错误，所以我先将需要加约束的地方完全约束起来，到ANSYS里再删除不需要加的几个方向的约束。当然这样操作是因为我一开始对HyperMesh操作更加熟练，其实直接到ANSYS里再定义约束更加方便，就不要先加再删除了。3.7导出和版本兼容问题 需要注意的是，文件格式可能由于软件版本问题无法兼容，原本我用的三个软

36、件的版本分别是ProE5.0、HyperMesh 10和ANSYS10.0，这三个版本的配合需要在ProE中将文件导出成.igs格式，然后在其他两个软件中可以直接打开，但是后来我将HyperMesh 10换成了HyperMesh 11，文件格式就发生了变化，在ProE中将装配的组件图保存成.asm格式可以直接在HyperMesh中打开，在HyperMesh中将运行环节定义为ANSYS，做好上述工作后，最后将文件导出成.cdb格式。导出时注意只要显示3D网格和接触面定义的2D网格，其他的网格删掉，实体也隐藏起来，不用导出，最后在ANSYS里打开。需要注意的是，用这种方法导入到ANSYS中的只有网

37、格没有实体。所以后期修改约束、定义载荷都是直接在网格上操作。4 施加载荷、结果分析4.1 ANSYS功能介绍 ANSYS能够处理的问题包涵各个领域，像结果分析、流体、热力电磁学等等，这里所要用到的主要是ANSYS结构静力分析，但是如果要模拟车轮滚动时的受力，还需要用到结构动力学分析，下面分别介绍这两个功能。 4.1.1结构静力分析 用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。4.1.2 结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时

38、间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。4.2 ANSYS模块介绍 ANSYS按分析步骤来组织各个模块，因为前处理在ProE和HyperMesh里完成了，这里不需要用到，所以这里介绍ANSYS施加载荷和后处理的模块。4.2.1施加载荷 在ANSYS中，载荷包括边界条件和外部或内部作应力函数，在不同的分析领域中有不同的表征，但基本上可以分为6大类：自由度约束、力（集中载荷）、面载荷、体载荷、惯性载荷以及耦合场载荷。下面简单介绍这六种

39、载荷：1、自由度约束:是指将给定的自由度用已知量表示。2、力（集中载荷）：是指施加于模型节点上的集中载荷或者施加于实体模型边界上的载荷。3、面载荷:是指施加于某个面上的分布载荷。4、体载荷:是指体积或场载荷。5、惯性载荷:是指由物体的惯性而引起的载荷。4.2.2后处理编辑 ANSYS程序提供两种后处理器：通用后处理器和时间历程后处理器。下面简单介绍这两种后处理器：1. 通用后处理器也简称为POSTl，用于分析处理整个模型在某个载荷步的某个了步、或者某个结果序列、或者某特定时间或频率下的结果，例如结构静力求解中载荷步2的最后个子步的压力、或者瞬态动力学求解中时间等于6秒时的位移、速度与加速度等。

40、2. 时间历程后处理器也简称为PosT26，用于分析处理指定时间范围内模型指定节点上的某结果项随时间或频率的变化情况，例如在瞬态动力学分析中结构某节点上的位移、速度和加速度从0秒到10秒之间的变化规律。4.3 施加载荷 将.cdb格式文件导入ANSYS，并修改完约束后，就开始施加载荷。原本考虑施加动载，模拟车轮在滚动过程中的受力和变形，但是由于滚动速度没有给出，并且学习加动载的时间不够了，最后只加了一个垂直方向的静载，而在前面设定轴密度时已经将轴压转换成了轴重力，所以只要加载重力就可以了。4.4 结果分析 该论文目的是研究轨道塑形压展和开裂情况，因此主要针对轨道的应力和变形图进行分析。首先展示

41、的是整体应力图，可以看出轮轨的应力左右几乎对称，而微小的差别可能是因为网格没有绝对对称，并且轮子位于轨道一侧，对轨道应力也有一定影响，因此在轨道右侧出现了一小片伸出的非对称面。如下图所示：图4.1 整体应力图 下面将轨道沿垂直对称面切开，可以看出轨道较大应力出现在轨道的瘦腰处，该处截面较小，因此应力集中，特别是在腰部外侧，出现了最大应力分布。这里可能是轨道变形比较大，受损情况比较严重的区域。如下图所示：图4.2 整体截面应力图 接下来针对轨道应力图和变形图进行分析，首先针对轨道顶部应力图，轨道顶部直接与车轮接触，是主要分析点，这里图形并没有完全对称，我猜测是因为轨道网格没有与车轮对称面对称。在

42、轨道顶部，应力较大部分出现在与车轮接触的两侧，而不是在接触中心，这一点可以结合轨道变形图来分析。为了更加直观的观察变形，我将变形放大到300倍，从轨道侧面变形图可以看出，轨道在受力变形后在接触面两侧出现了最大曲率，而接触面变形后是一个平滑的平面，所以在接触中心，应力分布均匀，没有出现应力集中，而在轨道变形曲率较大处会出现应力集中。因此，同样在车轮接触面应力图的相同位置出现了较大的应力集中。但是结合运动中的车轮分析，车轮在轨道上滚过后，整个轨道接触面都会出现较大应力，因此磨损会比较均匀。 从轨道侧面应力图可以看出，应力以轨道腰部为中心，逐渐减小，出现了比较规则的应力集中分布图，而中心位置可能出现

43、较严重变形，虽然这个位置没有直接接触磨损，但是在反复的应力作用下，可能出现疲劳脱裂。 最后是轨道底部应力图，轨道底部与水泥地基等直接接触，可以看出这个面上并没有出现较大应力集中，所以比较安全。 模型应力图和变形图如下所示： 图4.3 轨道顶部应力图图4.4 轨道侧面应力图图4.5 轨道底部应力图图4.6 车轮接触面应力图图4.7 整体截面变形图图4.8 轨道侧面变形图小 结综上所述，在有限元理论的基础上，建立并分析力学模型后得出：1在轨道接触面上，出现了较大应力集中，在实际运动中，可能由于车轮的压力和摩擦损耗，出现磨损和疲劳开裂。2在轨道的腰部外侧，出现了最大应力集中，在实际运动中，可能在反复

44、的加载、去除载荷的过程中，出现疲劳开裂，并且由于长时间的积累，在腰部出现脱落、开裂，从而使应力集中更加严重，反过来加快轨道腰部的磨损。3车轮的磨损主要集中在与轨道的接触面上，表现为摩擦损耗。我的结论仅限于静载下的情况，在很多方面还可以做出优化，但是由于时间问题没有得到很好的解决。这里列出一些可以改进的构想。1.对于车轮轨道模型，我建立的只有单个车轮和轨道，如果知道车轮间距以及车轴载荷位置。最好建立两个车轮的模型，因为在加载后车轴会发生变形，车轮就会偏离垂直位置。这样轨道侧面就会与车轮轮缘内侧发生摩擦，造成接触面损伤。2.在划分网格时，我还是没有做到所有接触面的网格对齐，这样就出现了应力云图上的不对称情况。另外在划分网格时可以更小些，我为了节省计算时间，把网格画