基于热—机耦合的大轴重车轮踏面制动热负荷仿真分析

第34卷第2期铁道机车车Vol 34 No. 22014年4月RAILWAY LOCOMOTIVE & CARApr.2014文章编号:1008-7842(2014)02-0025-06基于热一机耦合的大轴重车轮踏面制动热负荷仿真分析李兰,常崇义(中国铁道科学研究院铁道科学技术研究发展中心,北京100081)摘要重载列车车轮踏面制动是…个复杂的动态接触热一机耦合问题。文章利用有限元分析软件 ABAQUS建立了重载车轮踏面制动的瞬态热一机耦合有限元模型,对单闸瓦踏面制动过程进行了紧急制动工况的数值仿真并利用重载货车车轮制动热负荷试验结果对模型进行验证。利用该模型分析了不同工况下重载车轮紧急制动过程中的热负荷及热应力情况,为研究大轴重车轮踏面制动热负荷极限和热损伤问题提供了理论技术支持关键词大轴重;制动;热负荷;热一机耦合;圆周应力中图分类号:U272文献标志码:Adoi:10.3969/.issn.1008-7842.2014.02.06我国重载货运列车正朝着快速大轴重的方向发展。形和应力分布对热传导的影响,以及瞬态温度对结构材在货车提速、轴重增加以后,列车的动能急剧增加,制动料的影响。车轮踏面在制动过程中,车轮产生变形的同时所产生的热量也大大增加。我国的重载列车主要采时还伴随着温度的变化。准确分析温度和应力变化不用车轮踏面制动的形式,在紧急制动停车时,由动能转应把温度场的求解和应力场的分析分解开来,因为除了换成的热能几乎全部被摩擦副所吸收。高摩合成闸瓦温度变化对结构变形和材料性质产生影响外,结构变形是重载及提速货车配套制动技术之一,由于合成闸瓦导也会反过来改变热边界条件,进而影响温度变化。温度热性差,因此使用合成闸瓦同采用铸铁闸瓦时相比,车与位移两种不同场变量之间存在很强的相互作用轮在制动过程中要吸收更多的热量,从而更易受到热损完全的热一机耦合有限元模型则可以考虑结构变形和伤。2003年王京波使用MARC有限元软件建立快速货车车轮二维有限元模型,采用数值和试验方法对合成影响应力分布对热传导的影响,以及瞬态温度对结构材料的闸瓦对车轮的热影响进行了研究。2006年西南交通大学刘俊红采用三维模型分析了重载车轮的温度场和对于热弹性变形的材料本构关系为应力场21。但以往的这些车轮热负荷计算初始条件都如a+DE(1)在25t轴重以下,一般也没有考虑热载荷和机械载荷相其中,0=T-T,T为当前绝对温度,T。为初始绝对温互作用的影响。近年来的实践表明,随着轴重及速度的度。提高,车轮由于制动产生损伤的比例大大增加。在货物a=(1,1,10,0,0)列车提速到120km/h,轴重从现在的25t增加到27t,0代表了温度变化;D为弹性常数;E为应变常数。甚至32.5t时,紧急制动工况下,在规定的制动距离内β为温度应力模量停车,所产生的制动热负荷能否满足车轮不失效的要=E2/(1-2y)求,以及对车轮安全性的影响是急需研究和解决的问E为材料的杨氏模量;a为热膨胀系数;γ为泊桑题比1车轮踏面制动的热一机耦合有限元理论热传导的基本能量平衡方程为在车轮踏面制动时,车轮的温度场和热应力场属于(ac+Bk。-|hd)ddr-rdo=0两种不同性质的物理场,相关的计算涉及到对这两种物理场的耦合。耦合分析方法分为直接耦合法和间接耦(4)合法。传统的热一机分析采用间接耦合分析方法,对于其中,c比热容,q是物体边界面上法向的热流密度,r结构或物体先进行热传导分析,然后将热传导的结果作为物体内部的热源密度。为边界条件再进行应力分析,这种分析无法考虑结构变中国煤化工*铁道部科技项目(」2012J09)CNMHG李兰(1980-)女,助理研究员(收稿日期:2013-08-28)26铁道机车车辆第34卷通过物体的热流密度(通过单位面积的热流量)是KL由傅里叶定律控制L-M-E△」L△0△p+△g(t-△)h=-kv6(5)其中k为热传导系数;h为热流密度。其中,0≤ε≤1(21)TPea为热一机耦合过程的机械能,在传统的热一这里采用更新拉格朗日方法求解热一机耦合问题。机非耦合分析中被忽略。温度变化<