基于ABAQUS有限元方法的轮对横移量影响分析
摘要：文章首先介绍了基于Hertz理论的轮轨滚动接触理论，通过ABAQUS有限元软件相结合从不同轮对横移量对滚动接触状态下轮轨的滚动接触特性进行分析。结果表明：轮对横移量主要影响轮轨滚动接触的法向特性；最大Mises应力以及最大法向接触应力出现在无横移量的工况下。
关键词：轮轨滚动接触特性；多体动力学仿真；有限元+
1 基于Hertz理论的轮轨滚动接触理论
Hertz运用弹性力学理论对两个弹性体接触问题进行了研究，并提出了弹性接触Hertz理论[1]。
Hertz还阐述了物体表面的法向位移必须满足式（1）的条件： （1）
式中，δ=δ1+δ2为两个物体内部距离较远处点的移动位移；uz1，uz2为两个物体的表面法向位移； Ax2+By2为接触面初始的间隙。
轮轨接触的曲面初始间隙的函数常数A和B可由下列方程确定：
（2）式与（3）式中，R1′-轮圆的半径；R1″-踏面横
断面的外形的半径；R2′-钢轨纵向曲率半径值；R2″-钢轨横断面外形的径值。
2 基于ABAQUS有限元的轮轨滚动接触分析 2.1 ABAQUS有限元模型
为了协调计算的效率和计算的精度，模型对钢轨轨头部分单元进行了细化。最后形成结点总数为37118、单元总数为24844的钢轨模型和结点总数为8064、单元总数为5832的车轮模型。
采用库伦摩擦模型定义切向关系，定义“硬”接触作为法向关系；从面的选择上，将轮圆面定义为主面，将轨头顶面定义为从面；轮轨的接触类型定义为面面接触；将轮轨接触对之间定义为“小滑移”且设置接触滑动容差为0.006，以满足轮轨滚动接触而产生的弹性变形，会引起轮轨接触对在接触面上出现小滑动。 2.2 不同车轮横移量的影响
横移量是指轮对的垂向中心线偏离轨道中心线的距离。对轮对在30.920kN作用下、车轮角速度为129.2rad/s的轮轨接触的特性随轮对的横移量变化的情况进行分析，此时摩擦系数取为0.2，轮对冲角取为0mard，横移量取值分别为0、1、2、3、4、5mm。轮轨接触斑内单元节点上接触斑形状、接触斑面积、最大应力和最大法向接触应力如表2所示。 由表2我们可以得出，轮轨滚动接触的特性与轮轨横移
量有较大的关系，随着轮对横移量的逐渐增大，接触位置随之迁移，接触斑的面积逐渐增大，接触区域上的最大Mises应力整体趋势上随着轮对横移量的增加而减小；接触区域上的最大法向接触应力整体趋势上随着轮对横移量的增加而减小；Mises应力、法向接触应力、接触斑内横向剪切应力、纵向剪切应力在无轮对横移量时出现最大值。
从图1、2和3中可以看出，最大Mises应力出现于钢轨接触面的表层，随着轮轨横移量的增大，最大Mises逐渐减小，Mises应力分布区域范围也趋于减小。不难发现的是，轮轨发生横移时，轮轨接触斑的位置、尺寸以及轮轨滚动接触的法向特性各应力、切向特性各应力的应力值都会发生变化。
3 结束语
文章利用ABAQUS有限元软件，对轮轨滚动接触中钢轨表面接触特性进行了分析，并实现了有关结果的三维立体显示，最终主要获得了以下结论：（1）最大Mises应力以及最大法向接触应力出现在无横移量下。（2）最大Mises应力出现于钢轨接触面的表层，且钢轨接触斑上的最大Mises应力随着轮轨横移量的增大逐渐减小，且应力分布区域范围也趋于减小。 参考文献
[1]Gladwell G M L.经典弹性理论中的接触问题（中译本）
[M].北京理工大学出版社，1991.
[2]郭俊.轮轨滚动接触疲劳损伤机理研究[D].西南交通大学，2006.
[3]金学松，刘启跃.轮轨摩擦学[M].中国铁道出版社包钢科技，2004.
[4]阎国臣，何庆复.车轮滚动接触疲劳研究[J].铁道机车车辆，2002，11（004）：18-19.
[5]金学松，沈志云.轮轨滚动接触疲劳问题研究的最新进展[J].铁道学报，2001，23（002）：92-100.
基于ABAQUS有限元方法的轮对横移量影响分析
