[发明专利]考虑曲率过渡的三维弹塑性轮轨法向载荷快速计算方法

说明书

本发明涉及轮轨法向载荷计算领域，具体为考虑曲率过渡的三维弹塑性轮轨法向载荷快速计算方法。其包括如下步骤：分别建立车轮和钢轨接触区附近车轮和钢轨三维曲面廓形函数；计算初始接触点位置及初始轮轨间隙函数；计算每个节点处的挠度组成挠度矩阵；根据初始轮轨间隙函数得到初始轮轨间隙矩阵；计算影响系数矩阵和梯度折减矩阵卷积；计算下一步即将产生接触压力的集合；通过接触压力合力与法向外载荷之比对总体接触压力沿折减方向进行控制；计算车轮、钢轨材料的硬化模量；计算轮轨材料的等效弹性模量和等效硬化模量。本发明相比现场直接检测或实验研究而言，成本小；相比现有接触理论而言，更加接近轮轨接触的真实情形。

技术领域

本发明涉及轮轨法向载荷计算领域，特别是涉及考虑曲率过渡的三维弹塑性轮轨法向载荷快速计算方法。

背景技术

随着中国铁路技术的迅速提高，其铁路运营规模、车辆轴重、速度、运行频次不断增加，形成了交错密集的铁路网络。轮轨系统则是保证列车安全行进的关键，其接触法向接触载荷的计算是进一步分析轮轨服役性能的重要前提。得益于经典Hertz接触理论的提出，轮轨接触理论在此基础上有了很大发展，建立了一系列的弹性接触算法。但是，这些方法均在弹性假设下提出，并没有考虑材料的塑性变形带来的影响。同时，轮轨接触过程中极易发生多段曲率同时接触的情况，这将为得到更为精确的法向接触载荷分布带来更大的挑战。

目前，在相关理论的支持下，结合有限元计算进而考虑材料塑性属性进行计算是较为有效的方法。但是该方法涉及高度几何非线性、材料非线性、接触非线性等问题，其计算耗时长、收敛性差，不利于进一步的分析和计算。

发明内容

本发明目的是针对背景技术中存在的问题，提出考虑曲率过渡的三维弹塑性轮轨法向载荷快速计算方法，相比现场直接检测或实验研究而言，成本小；相比建立车轮和钢轨接触模型进行计算而言，耗时少；相比现有接触理论而言，更加接近轮轨接触的真实情形。

本发明的技术方案，考虑曲率过渡的三维弹塑性轮轨法向载荷快速计算方法，包括如下步骤：

S1、根据车轮和钢轨真实几何形貌，分别建立接触区附近车轮和钢轨三维曲面廓形函数f_车轮(x,y,z)和f_钢轨(x,y,z)，其中X轴为钢轨横向，Y轴垂直向上，Z轴沿列车行进方向，坐标原点为车轮标准轮径检测点；

S2、根据车轮和钢轨真实材料属性，获取其单调拉伸应力-应变曲线及其弹性模量E_车轮和E_钢轨、弹性泊松比v_e,车轮和v_e,钢轨、塑性泊松比v_p,车轮和v_p,钢轨、屈服强度σ_s,车轮和σ_s,钢轨、抗拉强度σ_b,车轮和σ_b,钢轨等基本材料属性；

S3、根据步骤S1建立的车轮和钢轨的曲面函数f_车轮(x,y,z)和f_钢轨(x,y,z)对接触区I_g内进行离散，车轮和钢轨接触区均在OXZ平面内离散为2ⁿ×2ⁿ的均匀矩形网格，n为正整数，即离散后车轮和钢轨上下对应节点具有相同的X、Z坐标，仅Y方向坐标不同；

S4、考虑在横移量为X₀情况下的轮轨真实接触情形，根据步骤S1建立的车轮和钢轨的曲面函数f_车轮(x,y,z)和f_钢轨(x,y,z)计算初始接触点位置M₀(x₀,y₀,z₀)及初始轮轨间隙函数h(x,y,z)；

S5、根据公式1计算车轮和钢轨每个坐标处的影响系数K(x,z)，进而根据公式2计算进一步得到影响系数矩阵K_ij：