[发明专利]一种简化轮轨非赫兹切向接触计算的等效方法

说明书

本发明涉及铁道工程轮轨接触计算领域，具体为一种简化轮轨非赫兹切向接触计算的等效方法，其包括以下步骤：S1、已知两个接触体的弹性模量和泊松比分别为E和v，纵向曲率接触斑纵向边界a(y)，法向接触应力分布psubgt;0/subgt;(y)，将接触斑划分为若干沿滚动方向的条带，假设每个接触条带位于局部椭圆的中心，求解局部接触椭圆的短半轴b(y)和横向曲率B(y)；S2、定义两个函数和S3、定义c＝1esupgt;‑9/supgt;，得到hsubgt;1/subgt;与hsubgt;2/subgt;，hsubgt;1/subgt;＝fsubgt;1/subgt;(c)·fsubgt;1/subgt;(1‑c)，hsubgt;2/subgt;＝fsubgt;2/subgt;(c)·fsubgt;2/subgt;(1‑c)；S4、如果hsubgt;1/subgt;＜0，则a＞b，根据公式得到e和b值；如果hsubgt;2/subgt;＜0，则a＜b，根据公式得到e和b值；S5、共形接触时，设定b＝10a。本发明将基于赫兹假设的切向接触算法应用于非赫兹工况，从而大幅度提升非赫兹切向接触的计算效率。

技术领域

本发明涉及铁道工程轮轨接触计算领域，具体是一种简化轮轨非赫兹切向接触计算的等效方法。

背景技术

轮轨系统是连接车辆与轨道的重要纽带，其中，宏观的轮轨蠕滑力是计算车辆-轨道耦合动力学的重要参量，轮轨滚动接触力学行为则为求解轮轨滚动接触疲劳和磨损问题提供必要的基础解。目前在铁路行业中得到广泛应用的接触模型主要有FASTSIM，沈氏理论与Polach方法以及CONTACT。然而，这些模型仍存在两点不足：一方面，如FASTSIM，沈氏理论和Polach方法等简化模型均是基于赫兹假设建立，无法更为准确地描述轮轨非赫兹接触斑；另一方面，如CONTACT等准确的计算模型需要大量的迭代过程，其计算效率难以满足如车辆动力学、轮轨磨损预测等大规模计算要求。

现有技术中较高效的模型为STRIPES模型，STRIPES模型采用的是局部椭圆法。STRIPES使用改进的FASTSIM来进行轮轨切向接触分析。首先将接触斑沿纵向划分为若干条带，并假设每个条带位于局部椭圆的中心，如图1所示，STRIPES模型针对每个条带计算出局部椭圆，基于局部椭圆计算每个条带上局部的Kalker线性蠕滑系数Cij和FASTSIM柔度系数，其求解局部椭圆的步骤如下：

首先通过法向接触得到每个条带对应的局部接触椭圆长半轴a(y):式中，g(y)为轮轨间隙函数，A(y)为修正后的轮轨纵向组合曲率。根据轮轨实际型面求解轮轨横向组合曲率式中，Cw和Cr分别是车轮和钢轨型面的横向曲率。

B(y)需要进行平滑和修正，平滑是由于某些位置的轮轨型面曲率半径变化剧烈，修正的原因是根据轮轨型面曲率得到的B(y)有可能为负值，但是根据Hertz方法中，B(y)必须恒为正，因此需要将B(y)中的负值替换掉。根据a(y)与B(y)求解局部接触椭圆短半轴：式中δ为刚性渗透量，ε为渗透量修正系数，依据刚性接触点处的轮轨曲率确定：式中，n和r由赫兹理论计算得到。依据每个条带的a与b值，可得到每个条带对应的Kalker线性蠕滑系数Cij和FASTSIM柔度系数，进而求解非赫兹工况下的切应力。