CN108664707B - 基于有限元模拟的车轮轨道接触循环加卸载仿真分析方法 - Google Patents

基于有限元模拟的车轮轨道接触循环加卸载仿真分析方法 Download PDF

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Abstract

一种基于有限元模拟的车轮轨道接触循环加卸载仿真分析方法，主要步骤如下：(a)利用有限元软件ABAQUS，建立单轴拉压轴对称模型；(b)进行单轴拉压循环试验模拟，并根据室内试验结果和Chaboche模型，对材料非线性硬化参数进行校正；(c)建立车轮‑轨道接触模型，对材料参数和接触参数进行设置；(d)将单次循环分解为加载阶段、平稳滚动阶段和卸载阶段等3个阶段，并分别设置加载条件、约束条件、接触条件和边界条件；(e)利用restart机制，导入上一次计算结果，在此基础上对轮轨接触加‑卸载模拟，并保存卸载阶段结果，以作为下一次循环的初始条件。本发明基于非线性有限元模拟方法和接触力学理论，可对轮轨疲劳、损伤等循环加、卸载行为进行仿真分析。

Description

基于有限元模拟的车轮轨道接触循环加卸载仿真分析方法
技术领域
本发明涉及轨道交通安全研究领域，涉及车轮-轨道接触的理论与实践计算机仿真方法。
背景技术
当前，地铁、高铁等轨道交通体系在我国得到了快速发展和大规模建设。如何评估服役期轮轨体系的安全性和可靠性，是我国轨道交通安全领域所面临的主要问题。经过参数校正后的有限元模拟技术，可以实现各种工况下的轮轨接触仿真计算，已被国内外广泛用于轮轨摩擦、断裂及损伤分析，因而可作为服役期轮轨安全评估及磨损分析的可靠预测手段。由于软、硬件计算性能及存储性能的限制，轮轨接触模拟尚存在大规模、复杂模型难以运行、循环加-卸载难以实现等缺陷。
借助于大型非线性有限元软件ABAQUS，利用其优异的接触处理性能和模型变换技术，可实现对复杂受力条件下的轮轨相互作用进行仿真分析，并大规模降低物理试验的成本，有助于推动轨道交通科技的发展。轮轨接触分析需针对车辆平稳运行状态进行评估，此前的有限元轮轨循环模拟尚未考虑到加、卸载引起的边界效应影响，因而难以消除误差。此外，尚未见轮轨循环作用实施方法的相关描述。
发明内容
本发明的目的是针对现有研究的不足，提供了一种能够消除加、卸载边界效应影响，准确描述循环荷载作用下轮轨接触的计算机仿真分析方法。
技术方案：本发明提供的一种基于有限元模拟的车轮轨道接触循环加卸载仿真分析方法，包括以下步骤：
(1)利用有限元软件ABAQUS，建立单轴拉压轴对称模型；
(2)进行单轴拉压循环试验模拟，并根据室内试验结果和Chaboche模型，对材料非线性硬化参数进行校正；
(3)建立车轮-轨道接触模型，对材料参数和接触参数进行设置；
(4)将单次循环分解为加载阶段、平稳滚动阶段和卸载阶段等3个阶段，并分别设置加载条件、约束条件、接触条件和边界条件；
(5)利用restart机制，导入上一次计算结果，在此基础上对轮轨接触加-卸载模拟，并保存卸载阶段结果，以作为下一次循环的初始条件。
所述的步骤(1)中，采用常规狗骨式(dog-bone type)光滑圆柱试样模型，其圆柱直径为14mm，圆柱长度25.4mm；
所述的步骤(2)中，对单轴循环加压载荷试验模拟，基于唯象理论和Chaboche拟合模型，利用相同条件下的室内试验结果，即应力-应变曲线校正材料的屈服强度、硬化参数力学参数；
所述的步骤(3)中，选取车轮模型和轨道模型，并设置车轮参考点及其耦合刚性面，以模拟车轴刚性体；
所述的步骤(4)中，在加载阶段，需休眠无关部件和约束关系及接触关系，仅保留本次循环所必须的车轮、轨道部件和接触关系；在平稳滚动阶段，设置所关心的监测部位和变量，以做分析所用；在卸载阶段，需保留计算结果，以做下一轮分析所用；
所述的步骤(5)中，在加载阶段Model-Edit Attributes选项中设置restart数据，在卸载阶段Output-Restart requests选项中保留计算结果。
有益效果：本发明基于车轮-轨道接触理论进行计算机仿真分析，能够消除加、卸载边界效应影响，可实现对复杂受力条件下的轮轨相互作用进行仿真分析，可解决当前轮轨接触研究难以对循环荷载作用进行描述的缺陷，适用于大规模轮轨接触疲劳、损伤等循环加、卸载行为仿真分析。
附图说明
图1为本发明的总体流程示意图。
图2为本发明的单轴拉压循环试验模拟模型图。
图3为本发明的三维轮轨接触有限元模型图。
图4为本发明的载荷幅值曲线(载荷放大系数-时间关系图)。
图5为本发明的模型变更及接触设置示例。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。
本发明提供了一种基于有限元模拟的车轮-轨道接触循环加-卸载仿真分析方法，其操作流程如图1所示，具体步骤如下：
(1)利用有限元软件ABAQUS，建立狗骨式(dog-bone type)光滑圆柱试样模型，其圆柱直径为14mm，圆柱长度25.4mm，如图2(a)所示；对圆柱体内部单元的竖向应力、应变进行监测，并绘制真实应力应变曲线。进行多次加载的竖向应变云图如2(b)所示。
(2)进行单轴拉压循环试验模拟，并根据室内试验结果和Chaboche模型，对材料非线性硬化参数进行校正。循环加、卸载曲线拟合的关键在于根据唯象理论进行的棘轮效应拟合。基于Chaboche非线性随动硬化模型，首先需要确定backstress(反力)α的数量和大小，然后将其叠加，可获得循环加-卸载试验结果的棘轮效应拟合。其拟合公式如下：
Figure GDA0002946653850000031
其中，K为backstress的编号，εp为单轴塑性应变，CK和γK为需要校正的Chaboche参数，α为反力，αk为反力的分量，N为反力的数量。
(3)建立车轮-轨道接触模型，利用已校正好的材料参数和接触参数对车轮、轨道模型进行赋值。图3所示为直径860mm，踏面形态为LMA的车轮模型和钢轨型号为CHN60的轨道模型装配图。循环加-卸载试验需要考虑加、卸载引发的边界效应的影响，因而需要设置足够长的平稳滚动区域。本例所示的轨道模型长1.5m，由12万个C3D8单元组成；车轮由4万个C3D8单元组成。
(4)需要在车轮中心参考点上施加法向荷载P、切向荷载Q和以边界条件形式施加的转角R。单个循环P、Q、R的幅值曲线如图4所示。在0.5ms内，逐渐对车轮中心施加法向荷载至设定值；在0.5ms-3.843ms内，保持竖向荷载不变；在3.843-4.0ms内，将法向荷载逐渐减小至零。在法向加载完成后，进行切向加载和滚动加载；同时，在法向卸载完成前，进行切向卸载和滚动卸载。
(5)多次循环加载需要利用ABAQUS的model change功能和restore机制。图5所示为5个循环的轮轨接触设置示例。对于单个循环，需要休眠无关部件和约束关系、接触关系；同时激活相关部件及其约束关系、接触关系。从图中可以看到，每个循环均包含3个分析步，分别对应于加载阶段、平稳滚动阶段和卸载阶段。在加载阶段，需休眠无关部件和约束关系及接触关系，仅保留本次循环所必须的车轮、轨道部件和接触关系；在平稳滚动阶段，设置所关心的监测部位和变量，以做分析所用；在卸载阶段，需保留计算结果，以做下一轮分析所用，及在Output-Restart requests中保留计算结果。对于下一个循环的加载阶段，则需在Model-Edit Attributes中选择读取上一轮循环的结果数据作为起点进行分析。理论上，本方法可适用于无限次数车轮-轨道滚动接触模拟，并可单独提取特定循环次数的结果进行分析。
上文中，Chaboche拟合模型即Chaboche非线性随动硬化模型。材料参数包括材料硬化参数和材料的屈服强度；接触参数指轮轨接触面的参数，包括切向、法向接触面滑动设置和摩擦设置。

Claims (2)

1.一种基于有限元模拟的车轮轨道接触循环加卸载仿真分析方法，特征在于包括以下步骤：
(1)利用有限元软件ABAQUS，建立单轴拉压轴对称模型；
(2)进行单轴拉压循环试验模拟，基于唯象理论和Chaboche拟合模型，利用相同条件下的室内试验结果，即应力-应变曲线校正材料的屈服强度、硬化参数力学参数，对材料的屈服强度以及硬化参数进行校正；
(3)建立车轮-轨道接触模型，对材料参数和接触参数进行设置：选取车轮模型和轨道模型，并设置车轮参考点及其耦合刚性面，以模拟车轴刚性体；
(4)单次循环：将单次循环分解为加载阶段、平稳滚动阶段和卸载阶段3个阶段，并分别设置加载条件、约束条件、接触条件和边界条件；在加载阶段，需休眠无关部件和约束关系及接触关系，仅保留本次循环所必须的车轮、轨道部件和接触关系；在平稳滚动阶段，设置所关心的监测部位和变量，以做分析所用；在卸载阶段，需保留计算结果，以做下一轮分析所用；
(5)多次循环：利用restart机制，导入上一次计算结果，在此基础上对轮轨接触加-卸载模拟，并保存卸载阶段结果，以作为下一次循环的初始条件；在加载阶段Model-EditAttributes选项中设置restart数据，在卸载阶段Output-Restart requests选项中保留计算结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于有限元模拟的车轮轨道接触循环加卸载仿真分析方法，其特征是，所述单轴拉压轴对称模型采用常规狗骨式dog-bone type光滑圆柱试样模型，其圆柱直径为14mm，圆柱长度25.4mm；
对圆柱体内部单元的竖向应力、应变进行监测，并绘制真实应力应变曲线；
所述步骤(2)中，循环加、卸载曲线拟合的关键在于根据唯象理论进行的棘轮效应拟合；基于Chaboche拟合模型，首先需要确定backstress反力α的数量和大小，然后将其叠加，获得循环加-卸载试验结果的棘轮效应拟合；其拟合公式如下：
Figure FDA0002946653840000011
其中，K为反力的编号，εp为单轴塑性应变，CK和γK为需要校正的Chaboche参数，α为反力，αk为反力的分量，N为反力的数量；
所述步骤(3)中，利用已校正好的材料的屈服强度和硬化参数对车轮模型和轨道模型进行赋值；车轮模型为直径860mm，踏面形态为LMA，轨道模型的钢轨型号为CHN60；循环加-卸载试验需要考虑加、卸载引发的边界效应的影响，因而需要设置足够长的平稳滚动区域；轨道模型长1.5m，由12万个C3D8单元组成；车轮由4万个C3D8单元组成；
所述步骤(4)中，需要在车轮中心参考点上施加法向荷载P、切向荷载Q和以边界条件形式施加的转角R；在0.5ms内，逐渐对车轮中心施加法向荷载至设定值；在0.5ms-3.843ms内，保持竖向荷载不变；在3.843-4.0ms内，将法向荷载逐渐减小至零，在法向加载完成后，进行切向加载和滚动加载；同时，在法向卸载完成前，进行切向卸载和滚动卸载；
所述步骤(5)中，多次循环加载需要利用ABAQUS的model change功能和restore机制；对于单个循环，需要休眠无关部件和约束关系、接触关系，同时激活相关部件及其约束关系、接触关系，在加载阶段，需休眠无关部件和约束关系及接触关系，仅保留本次循环所必须的车轮、轨道部件和接触关系；在平稳滚动阶段，设置所关心的监测部位和变量，以做分析所用；在卸载阶段，需保留计算结果，以做下一轮分析所用，及在Output-Restartrequests中保留计算结果；对于下一个循环的加载阶段，则需在Model-Edit Attributes中选择读取上一轮循环的结果数据作为起点进行分析。
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