铁路轨距挡板选材与数值模拟分析,该文是关于选材方面本科论文范文跟数值模拟和轨距和数值模拟分析方面论文写作参考范文.
选材论文参考文献：
轨距挡板是轨道扣件系统的重要组成部分,它用于与螺旋道钉、金属弹条和挡板座配合固定钢轨,阻止钢轨的横、纵向位移,防止钢轨倾翻,对铁路的安全运行至关重要.我国作为铁路大国,轶路网络四通八达,轨道挡板的质量好坏直接影响轶路运输的安全,从而影响到我国经济的发展.
现有的轨距挡板一般采用金属材料如Q235,一方面轨距挡板长期在户外使用时容易发生点腐蚀和应力腐蚀裂纹,且在应力集中的地方裂纹容易延伸,锈蚀也会沿着裂纹向内延伸；另一方面,使用金属材质轨距挡板会导致轨道绝缘等级下降,对轨道信号的传输产生不利影响.腐蚀的轨距挡板必须更换,否则会引起安全事故,而更换轨距挡板对于庞大的轶路网络来说是一项庞大的工程.另外,由于金属轨距挡板的刚性高,在列车运行过程中钢轨与各部件之间会产生强烈的震动,影响到轨道的稳定性和舒适性,因此研究新的材料来代替传统的金属轨距挡板是十分必要的.
本文选取2种新颖的材料——各向同性材料长碳纤增强环氧树脂（B M C）和各向异性材料连续碳纤增强环氧树脂（CFRSP）,建立轨距挡板的静力学模型,通过有限元分析软件Abaqus作数值模拟分析,判断其是否可以满足在极端载荷下的应用.
一、Abaqus 简介
A b a q u s被广泛地认为是功能最强的有限元软件[1],可以分析复杂的固体力学和结构力学系统,特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题.A b a q u s可以做单一零件的力学和多物理场的分析,同时还可以做系统级的分析和研究.A b a q u s系统级分析的特点相对于其他的分析软件来说是独一无二的.Abaqus以其优秀的分析能力和模拟复杂系统的可靠性而被各国的工业实践和科学研究广泛采用.Abaqus在大量的高科技产品研究中都发挥着巨大的作用.
本文的数值班模拟分析是基于A b a q u s对各向同性材料和各向异性材料展开.
二、分析讨论
1. 材料参数
本文分析选取的BMC和C F R S P,材料性能分别见表1和表2所示.
CFRS P材料的辅层信息为〔[0/90/90/90/0]5/90/0S〕, 共54层,单层厚度0.15mm,0 ° 方向为沿着轶轨的方向.90°方向辅层数量约占整个辅层数的60%,此设计目的是为了抵抗轶轨对轨距挡板最大60k N的横向载荷.所用碳纤维为T700级,强度达4 900M P a,模量达230G P a,保证了材料具备足够的强度和刚度.
2. 静力学模型的建立
如根据图1（a）所示的实物,根据实物图通过三维建模软件S o l i d w o r k s分别建立轨距挡板、弹条、挡肩和轶轨的三维模型并组装起来,得到的模型图如图1（b）所示.其中轨距挡板和弹条为3D实体模型,而挡肩和轶轨为刚体壳模型（忽略其变形的影响）.轨距挡板外形和尺寸严格按照中国铁路总公司企业标准Q/CR564-2017来建模,板厚8m m.模型建完后保存为S T E P通用格式,再导入Abaqus里作分析.
边界条件与载荷如下：挡肩为全约束,轶轨只保留横向自由度并对轨距挡板施加横向极限载荷60kN,弹条只保留竖向自由度并对轨距挡板施加10kN的压紧力[2],轨距挡板与挡肩、弹条和轶轨之间均为有摩擦的接触,摩擦系数为0.3.边界条件与载荷的示意图见图2所示,为了更清晰表达,图中轨距挡板被隐藏.
3. 网格划分与单元选择
网格划分就是把模型分成很多小的单元,作为有限元分析前处理的重中之重,网格划分与计算目标的匹配程度、网格的质量好坏,决定了后期有限元计算的质量.网格质量是指网格几何形状的合理性.质量好坏将影响计算精度.质量太差的网格甚至会中止计算.直观上看,网格质量可用细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等指标度量.
为了得到高精度的计算结果,本文对轨距挡板进行多次分割,最终全部划分为结构化六面体网格,如图3所示,单元选择一阶单元C3D8R,共13 135个单元.
其余组件的网格划分如图4所示,弹条为结构化六面体网格,单元为一阶单元C3D8R,共3 003个单元；挡肩为四边形网格,单元为一阶单元R3D4,共1 045个单元；轶轨为四边形网格,单元为一阶单元R3D4,共770个单元.
4. 结果分析
（1）BMC 材料轨距挡板的分析结果如图5所示,在轶轨的极限横向载荷60k N作用下,轶轨和轨距挡板都发生了0.96m m的横向位移,小于3m m,这表明轨距挡板的弹性变形满足EN13481-2规范的要求[2].
目前,较为常用的材料破坏准则主要有:V o n Mi s e s准则、极限强度准则、极限变形准则等.其中V o nMises准则基于第4强度理论,适用于判断构件开裂[3].图6所示为B M C材料轨距挡板的M i s e s应力云图,从图中可以看到最大应力发生在左端弹条压紧轨距挡板的地方,最大应力为541M P a已经超过B M C材料的强度极限300M P a,轨距挡板存在开裂的可能.
（2）CFRSP 材料轨距挡板的分析结果在轶轨的极限横向载荷60k N作用下,轶轨和轨距挡板都发生了0.86m m的横向位移,小于3m m,表明轨距挡板的弹性变形满足E N13481-2规范的要求[2].图7展示了CFRSP材料模型位移云图.C F R S P材料轨距挡板的最大变形比B M C材料轨距挡板的最大变形小0.1m m,表明前者刚度比后者刚度要大约10%.
对于连续纤维增强复合材料层合板的失效形式有很多,目前正交各向异性层合板的强度理论主要有以下几种：最大应力理论、最大应变理论、Hill-蔡（S.W.Tasi)强度理论、蔡-吴(E.M.Wu)张量理论和Hashin失效准则等[4].一般认为纤维拉坏、纤维压坏、基体拉坏和基体压坏是4种基本的失效形式.本文根据最大应力理论判断4种失效模式.如图8所示的是轨距挡板纤维方向应力云图,从图中可以看到纤维方向的最大拉应力发生在轨距挡板与挡肩接触的地方,最大拉应力为439M P a,小于CF R S P材料纵向拉伸强度1 750MP A,纤维不会被拉坏；纤维方向最大压应力发生在弹条与轨距挡板接触的地方,最大压应力为106MPa,小于CFRSP材料纵向压缩强度1 030MPA,纤维不会被压坏.
图9所示的是轨距挡板基体方向应力云图.从图中可以看到基体方向的最大拉应力发生在轨距挡板与挡肩接触的地方,最大拉应力为28M P a,小于C F R S P材料横向拉伸强度49MP a,基体不会被拉坏；基体方向最大压应力发生在弹条与轨距挡板接触的地方,最大压应力为39MPa,小于CFRSP材料横向压缩强度138MPA,基体不会被压坏.
综上所述,CFRSP材料轨距挡板满足强度和刚度的要求,可替代现有的金属轨距挡板和尼龙轨距挡板.图10所示为用C F R S P材料做的轨距挡板,已通过静强度测试和300万次疲劳测试.
三、结语
本文针对现有轨距挡板的不足,选取2种新颖材料BMC和CFRSP建立轨距挡板的静力学模型,通过有限元分析软件A b a q u s作数值模拟分析,得出如下结论：B M C材料轨距挡板虽满足刚度要求,但不满足强度要求,在最大载荷作用下有可能会发生开裂,因而不能用于替代现有的轨距挡板产品；CFPRSP材料轨距挡板满足强度和刚度的要求,可以弥补普通绝缘轨距挡板在应用中刚度和强度不足的问题,能够解决普通金属轨距挡板长期户外使用容易引起点腐蚀和应力腐蚀裂纹的问题,可作为新一代轨距挡板的材料.
参考文献
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[2] 杨吉忠,韩义涛,潘自立,等.WT-1型扣件轨距挡板受力分析及试验研究[J].高速轶路技术,2013,4（4）：74-77.
[3] 王强,宋雪迪,郝中华,等.基于ABAQUS纤维梁单元的钢筋混凝土柱受力破坏全过程数值模拟[J].土木工程学报,2014,47（12）：16-18.
[4] .复合材料层板高速倾斜冲击损伤的研究[D].南京：南京航空大学,2013 ：21-23.
此文总结：本文是关于选材方面的大学硕士和本科毕业论文以及数值模拟和轨距和数值模拟分析相关选材论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料.
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