第34卷第2期鐵道機(jī)車車Vol 34 No. 22014年4月RAILWAY LOCOMOTIVE & CARApr.2014文章編號:1008-7842(2014)02-0025-06基于熱一機(jī)耦合的大軸重車輪踏面制動熱負(fù)荷仿真分析李蘭,常崇義(中國鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心,北京100081)摘要重載列車車輪踏面制動是…個復(fù)雜的動態(tài)接觸熱一機(jī)耦合問題。文章利用有限元分析軟件 ABAQUS建立了重載車輪踏面制動的瞬態(tài)熱一機(jī)耦合有限元模型,對單閘瓦踏面制動過程進(jìn)行了緊急制動工況的數(shù)值仿真并利用重載貨車車輪制動熱負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果對模型進(jìn)行驗(yàn)證。利用該模型分析了不同工況下重載車輪緊急制動過程中的熱負(fù)荷及熱應(yīng)力情況,為研究大軸重車輪踏面制動熱負(fù)荷極限和熱損傷問題提供了理論技術(shù)支持關(guān)鍵詞大軸重;制動;熱負(fù)荷;熱一機(jī)耦合;圓周應(yīng)力中圖分類號:U272文獻(xiàn)標(biāo)志碼:Adoi:10.3969/.issn.1008-7842.2014.02.06我國重載貨運(yùn)列車正朝著快速大軸重的方向發(fā)展。形和應(yīng)力分布對熱傳導(dǎo)的影響,以及瞬態(tài)溫度對結(jié)構(gòu)材在貨車提速、軸重增加以后,列車的動能急劇增加,制動料的影響。車輪踏面在制動過程中,車輪產(chǎn)生變形的同時所產(chǎn)生的熱量也大大增加。我國的重載列車主要采時還伴隨著溫度的變化。準(zhǔn)確分析溫度和應(yīng)力變化不用車輪踏面制動的形式,在緊急制動停車時,由動能轉(zhuǎn)應(yīng)把溫度場的求解和應(yīng)力場的分析分解開來,因?yàn)槌藫Q成的熱能幾乎全部被摩擦副所吸收。高摩合成閘瓦溫度變化對結(jié)構(gòu)變形和材料性質(zhì)產(chǎn)生影響外,結(jié)構(gòu)變形是重載及提速貨車配套制動技術(shù)之一,由于合成閘瓦導(dǎo)也會反過來改變熱邊界條件,進(jìn)而影響溫度變化。溫度熱性差,因此使用合成閘瓦同采用鑄鐵閘瓦時相比,車與位移兩種不同場變量之間存在很強(qiáng)的相互作用輪在制動過程中要吸收更多的熱量,從而更易受到熱損完全的熱一機(jī)耦合有限元模型則可以考慮結(jié)構(gòu)變形和傷。2003年王京波使用MARC有限元軟件建立快速貨車車輪二維有限元模型,采用數(shù)值和試驗(yàn)方法對合成影響應(yīng)力分布對熱傳導(dǎo)的影響,以及瞬態(tài)溫度對結(jié)構(gòu)材料的閘瓦對車輪的熱影響進(jìn)行了研究。2006年西南交通大學(xué)劉俊紅采用三維模型分析了重載車輪的溫度場和對于熱彈性變形的材料本構(gòu)關(guān)系為應(yīng)力場21。但以往的這些車輪熱負(fù)荷計算初始條件都如a+DE(1)在25t軸重以下,一般也沒有考慮熱載荷和機(jī)械載荷相其中,0=T-T,T為當(dāng)前絕對溫度,T。為初始絕對溫互作用的影響。近年來的實(shí)踐表明,隨著軸重及速度的度。提高,車輪由于制動產(chǎn)生損傷的比例大大增加。在貨物a=(1,1,10,0,0)列車提速到120km/h,軸重從現(xiàn)在的25t增加到27t,0代表了溫度變化;D為彈性常數(shù);E為應(yīng)變常數(shù)。甚至32.5t時,緊急制動工況下,在規(guī)定的制動距離內(nèi)β為溫度應(yīng)力模量停車,所產(chǎn)生的制動熱負(fù)荷能否滿足車輪不失效的要=E2/(1-2y)求,以及對車輪安全性的影響是急需研究和解決的問E為材料的楊氏模量;a為熱膨脹系數(shù);γ為泊桑題比1車輪踏面制動的熱一機(jī)耦合有限元理論熱傳導(dǎo)的基本能量平衡方程為在車輪踏面制動時,車輪的溫度場和熱應(yīng)力場屬于(ac+Bk。-|hd)ddr-rdo=0兩種不同性質(zhì)的物理場,相關(guān)的計算涉及到對這兩種物理場的耦合。耦合分析方法分為直接耦合法和間接耦(4)合法。傳統(tǒng)的熱一機(jī)分析采用間接耦合分析方法,對于其中,c比熱容,q是物體邊界面上法向的熱流密度,r結(jié)構(gòu)或物體先進(jìn)行熱傳導(dǎo)分析,然后將熱傳導(dǎo)的結(jié)果作為物體內(nèi)部的熱源密度。為邊界條件再進(jìn)行應(yīng)力分析,這種分析無法考慮結(jié)構(gòu)變中國煤化工*鐵道部科技項(xiàng)目(」2012J09)CNMHG李蘭(1980-)女,助理研究員(收稿日期:2013-08-28)26鐵道機(jī)車車輛第34卷通過物體的熱流密度(通過單位面積的熱流量)是KL由傅里葉定律控制L-M-E△」L△0△p+△g(t-△)h=-kv6(5)其中k為熱傳導(dǎo)系數(shù);h為熱流密度。其中,0≤ε≤1(21)TPea為熱一機(jī)耦合過程的機(jī)械能,在傳統(tǒng)的熱一這里采用更新拉格朗日方法求解熱一機(jī)耦合問題。機(jī)非耦合分析中被忽略。溫度變化<