輪軌滾動(dòng)的案例
ABAQUS---輪軌瞬態(tài)滾動(dòng)接觸有限元模型(直線半輪對(duì)) ￥888
<p class="ql-align-justify"> <span style="color: rgb(25, 27, 31);"> </span>目前，輪軌瞬態(tài)滾動(dòng)接觸有限元模型日漸成熟，尤其針對(duì)直線半輪對(duì)情況。利用該模型已經(jīng)詳細(xì)開展了大量的輪軌滾動(dòng)仿真，比如：1）輪軌不平順（鋼軌波磨、焊接接頭、硌傷、隱傷；車輪多邊形、擦傷、凹磨）；2）道岔瞬態(tài)沖擊振動(dòng)；3）單點(diǎn)-兩點(diǎn)接觸；4）輪軌低黏著；5）熱機(jī)耦合，并分析了各種情形下的輪軌滾動(dòng)接觸力學(xué)行為、磨耗和疲勞損傷問題。然而，該成熟的模型大多都是基于ANSYS軟件建立，而ABAQUS軟件本身在模擬強(qiáng)非線性接觸、材料塑性本構(gòu)、CAE界面操作等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但是當(dāng)下基于ABAQUS軟件建立的輪軌瞬態(tài)滾動(dòng)接觸模型仍存在很多問題，比如：<strong>輪軌力不穩(wěn)定、車輪網(wǎng)格沙漏引起畸變、牽引/制動(dòng)模擬困難、一系耦合約束和扣件模擬不當(dāng)?shù)?lt;/strong>，使得該模型推廣受阻。本文旨在從作者經(jīng)驗(yàn)角度，分享輪軌滾動(dòng)接觸有限元建模時(shí)可能面臨的問題，如有不當(dāng)，還歡迎批評(píng)指正。</p><p><span style="color: rgb(25, 27, 31);"> </span>輪軌瞬態(tài)滾動(dòng)接觸有限元模型中，由于車輪具有較高的滾動(dòng)速度，使得車輪瞬態(tài)滾動(dòng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)激擾較大，輪軌接觸力穩(wěn)定困難。因此，采用<strong>隱式-顯式方法模擬瞬態(tài)滾動(dòng)接觸行為</strong>，其中隱式模型可得到車輪在重力場(chǎng)下的輪軌靜態(tài)位移和應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果，然后將其導(dǎo)入至顯式模型中，再在顯式模型中模擬車輪滾動(dòng)。以下分別介紹這兩個(gè)模型及其之間的關(guān)聯(lián)。
展開 ABAQUS車輪滾動(dòng)接觸附加軌道不平順動(dòng)力學(xué)模型 ￥299
1.通過MATLAB進(jìn)行改進(jìn)后的鋼軌如圖所示
2.通過單輪單鋼軌進(jìn)行模擬車輪在鋼軌上滾動(dòng)，效果如圖
3.輪軌滾動(dòng)細(xì)節(jié)圖
有需要的小伙伴可購買，本模型包括ABAQUS/CAE文件+配套的軌道不平順編輯器
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如何精確定位和量化高鐵外部噪聲？
設(shè)計(jì)改進(jìn)指導(dǎo)：基于上述數(shù)據(jù)，工程師可確定“最優(yōu)改進(jìn)位置”——例如若車廂間通道是高頻噪聲主要來源，可針對(duì)性優(yōu)化通道密封結(jié)構(gòu)；若輪軌滾動(dòng)噪聲占比高，可改進(jìn)輪軌材質(zhì)或打磨工藝，從而高效降低整體噪聲輻射
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全新《HBK聲學(xué)與振動(dòng)產(chǎn)品簡明目錄》
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展開 精確模擬軌道車輛噪聲以實(shí)現(xiàn)靜音行駛和出行
工程師如何測(cè)量車輛噪音
軌道車輛產(chǎn)生的主要噪聲源包括設(shè)備、輪軌滾動(dòng)、空氣動(dòng)力學(xué)特性和轉(zhuǎn)向架。為了實(shí)現(xiàn)有效的聲學(xué)設(shè)計(jì)，需要評(píng)估和限制每個(gè)聲源。
VA One
軟件中的專業(yè)模塊可以幫助工程師設(shè)計(jì)對(duì)噪聲敏感的車輛
ESI
集團(tuán)的振動(dòng)聲學(xué)專家Robert Fiedler指出，由于車輪/導(dǎo)軌界面的不完善和粗糙度而產(chǎn)生的噪聲特別引起人們的關(guān)注。的確，工程師無法控制導(dǎo)軌，但他們可以通過減少振動(dòng)的方式設(shè)計(jì)車輪、外殼和組件。但是，首先他們需要測(cè)量或表征聲音。
Fiedler
說：“您可以通過用聲學(xué)陣列或聲像儀進(jìn)行測(cè)量來研究輻射噪聲，但是這很困難，因?yàn)槟枰嘿F的測(cè)量設(shè)備，而且很難將設(shè)備和環(huán)境噪聲分開記錄。”
Fiedler
建議的另一種方法是使用靠近車輛底部的一組麥克風(fēng)記錄噪音。這更易于執(zhí)行，同樣能通過測(cè)量捕獲設(shè)備和環(huán)境的噪聲。
Fiedler
補(bǔ)充說：“第三種方法是通過仿真來表征來自輪/軌噪聲的輻射功率。”“我使用的方法是Remington方法。這包括一種分析方法，您可以將鋼軌和車輪分成具有慣性、質(zhì)量和彈性體的正方形網(wǎng)格。或者，您可以使用FEM/BEM（有限元/邊界元）方法。”
換句話說，為了快速、準(zhǔn)確且能負(fù)擔(dān)得起的方式表征組件噪聲，工程師可以采用噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度（NVH）模擬的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件。
Skoda
交通運(yùn)輸項(xiàng)目的CAD設(shè)計(jì)專家Sergej Italjancev解釋說，當(dāng)他們第一次設(shè)計(jì)地鐵列車進(jìn)行投標(biāo)時(shí)，他的團(tuán)隊(duì)無法滿足和完成招標(biāo)要求的噪音標(biāo)準(zhǔn)。在應(yīng)用了VA One并進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)變更后，他們贏得了訂單。目前，他們正在為八個(gè)列車單位各自提供六輛貨車。
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ABAQUS中橢圓形移動(dòng)載荷DLOAD和UTRACLOAD子程序詳解：從定義到實(shí)現(xiàn) ￥288
在有限元模擬中，重復(fù)移動(dòng)載荷（Repeated moving pressure）是結(jié)構(gòu)受力分析中用于等效模擬接觸載荷的一個(gè)重要手段，尤其在輪軌接觸、滾珠接觸、焊接熱源移動(dòng)等問題研究中極為常見。本文主要介紹ABAQUS中橢圓形移動(dòng)載荷定義、法向和切向載荷模擬、子程序DLOAD和UTRACLOAD編程實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)建議與注意事項(xiàng)。
1、橢圓形移動(dòng)載荷定義
移動(dòng)載荷指的是隨時(shí)間或空間位置變化而不斷變化施加位置的載荷，其典型例子包括：1）行駛車輛對(duì)橋梁的作用力；2）火車車輪與軌道之間的接觸力；3）滾動(dòng)體在接觸面上滑移產(chǎn)生的局部接觸載荷；4）焊接過程中熱源的沿路徑移動(dòng)。這些載荷不是固定不動(dòng)的，而是隨時(shí)間在接觸體上“移動(dòng)”，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的動(dòng)態(tài)變化。在應(yīng)力應(yīng)變分析、疲勞壽命評(píng)估等方面，考慮載荷的移動(dòng)性尤為關(guān)鍵。
在滾動(dòng)體的接觸中，Hertz型橢圓形接觸斑較為常見，其形狀可根據(jù)Hertz接觸理論表示為：
其中，P為總法向力，a和b分別為橫向x和縱向z上的接觸斑半寬，p0為最大接觸壓力。
2、法向和切向移動(dòng)載荷模擬
在ABAQUS中，模擬移動(dòng)載荷的兩種典型方法分別對(duì)應(yīng)法向載荷和切向載荷。
2.1 法向移動(dòng)載荷
法向載荷定義見式(1)所示。在給定總法向力P或者軸重，以及接觸斑長半軸和短半軸大小后，即可確定出來p(x,z)空間分布。其中，P、a和b可以通過Hertz接觸理論或者有限元法計(jì)算得到，也可以通過一些網(wǎng)站去快速計(jì)算，比如：https://www.tribology-abc.com/sub10.htm以及https://www.pecms.cn/hz/hzb2p。
展開 高鐵為什么長這樣？力學(xué)，力學(xué)，還是力學(xué)！
列車高速運(yùn)行時(shí)受到的空氣阻力
列車正常運(yùn)行時(shí)，行駛阻力一般包括輪軌滾動(dòng)阻力、空氣阻力、坡道阻力和加速時(shí)的慣性阻力，在低速運(yùn)行時(shí)，輪軌阻力占主要部分，但隨著列車運(yùn)行速度提高，空氣阻力將增加，當(dāng)列車速度超過200公里/小時(shí)后，其將成為列車運(yùn)行阻力的主要部分。
日常生活中，我們都有這種經(jīng)歷：在微風(fēng)中逆風(fēng)行走，我們幾乎不會(huì)意識(shí)到風(fēng)的阻力存在。然而，若是在5級(jí)以上的大風(fēng)中逆風(fēng)而行，風(fēng)的阻力之大，就會(huì)讓我們體會(huì)到什么叫寸步難行了。
列車運(yùn)行時(shí)受到的空氣阻力與速度的平方成正比，因此，中、低速“綠皮”列車運(yùn)行就好比我們?cè)谖L(fēng)中行走，設(shè)計(jì)人員基本上不用專門去考慮空氣阻力的影響。
可是，對(duì)于時(shí)速200公里以上的高速列車，情形可就不一樣了，空氣阻力可以占列車行駛阻力的75%以上，設(shè)計(jì)者通常需要利用空氣動(dòng)力學(xué)原理，通過流線化車頭、車身、車體附屬部分來盡量減少空氣阻力。
空氣阻力由三部分組成：一是列車車頭迎風(fēng)受到的正面壓力，列車尾部由于空氣尾流引起空氣稀薄而產(chǎn)生的向后的拉力，這樣由于頭部及尾部壓力差形成的阻力稱為壓差阻力；二是由于空氣粘性而引起的作用于車體表面的摩擦阻力；三是有車輛轉(zhuǎn)向架、車頂設(shè)備、門窗、車廂間鏈接風(fēng)擋等車輛表面凹凸結(jié)構(gòu)引起的干擾阻力。
高速列車車頭設(shè)計(jì)成流線型的主要目的是為了減小壓差阻力。這個(gè)設(shè)計(jì)思想和飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)差不多。然而，流線型也是各種各樣的。到底什么樣的車頭形狀更合適？設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真模擬和模型實(shí)驗(yàn)，測(cè)試車體周圍的氣流、列車表面壓力、氣動(dòng)力等參數(shù)，來決定最佳的車頭流線型。
只要在站臺(tái)上稍微注意過高速列車車體，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)它有很多和普通列車不一樣的地方：車體側(cè)壁幾乎沒有凹凸不平的地方，車廂底部的各種裝置全被光滑平整的“車裙”——裙板罩住，車廂頂部的受電弓也用專門為它制作的導(dǎo)流罩保護(hù)起來。
展開 西南交通大學(xué)金學(xué)松教授團(tuán)隊(duì)：基于地鐵車內(nèi)噪聲的鋼軌粗糙度接受/驗(yàn)收準(zhǔn)則| CJME論文推薦
目前主要從事輪軌關(guān)系問題研究，其中包括輪軌滾動(dòng)接觸理論、輪軌粘著、輪軌接觸表面波浪形磨損和滾動(dòng)接觸疲勞、輪軌噪聲、脫軌和輪軌型面設(shè)計(jì)。先后主持、主研和參加了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)、面上項(xiàng)目、科技部項(xiàng)目、省部級(jí)項(xiàng)目、橫向課題四十多項(xiàng)，發(fā)表和合作發(fā)表論文200多篇，合作出版著作3部：《固體接觸力學(xué)》（鐵道出版社出版，1999）、《輪軌摩擦學(xué)》（鐵道出版社出版，2004）和《輪軌蠕滑理論及其試驗(yàn)研究》（西南交通大學(xué)出版社出版，2006）。曾獲得“滾動(dòng)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)”國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（1999），西南交通大學(xué)黃袁創(chuàng)新獎(jiǎng)（2000），西南交通大學(xué)指導(dǎo)優(yōu)秀碩士論文獎(jiǎng)（7人次），西南交通大學(xué)和四川省優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)（2001），國家百篇優(yōu)秀博士論文獎(jiǎng)（2002），教育部優(yōu)秀骨干教師獎(jiǎng)（2002），四川省突貢專家（2002），四川省學(xué)術(shù)帶頭人（2003），享受國務(wù)院政府津貼（2005），省優(yōu)秀博士論文特別獎(jiǎng)（2006），省優(yōu)秀博士論文指導(dǎo)獎(jiǎng)（2007），省優(yōu)秀碩士論文指導(dǎo)獎(jiǎng)（2007）、鐵道部科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)（2008）。現(xiàn)任國際雜志“The Open Mechanical Engineering Journal”、《工程力學(xué)》、《機(jī)械強(qiáng)度》、《計(jì)算機(jī)輔助工程》等雜志編委、國際“輪軌系統(tǒng)磨耗和接觸力學(xué)”會(huì)議國際組委委員。
作者介紹
劉曉龍（本文第一作者），男，1990.05出生，西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，載運(yùn)工具運(yùn)用工程在讀博士生。主要從事軌道交通噪聲與振動(dòng)控制技術(shù)，及輪軌粗糙度監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，參與了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃-全生命周期輪軌噪聲預(yù)測(cè)及控制技術(shù)研究。
展開 北京交通大學(xué)成功舉辦首屆軌道交通噪聲與振動(dòng)環(huán)境影響青年學(xué)者論壇
重慶交通大學(xué)副教授薛富春博士作了題為《輪軌三維滾動(dòng)接觸初步研究》的發(fā)言，從車輛軌道模型的簡化研究現(xiàn)況出發(fā)，介紹了精細(xì)化輪軌分析的建模研究。
同濟(jì)大學(xué)副教授李奇博士作了題為《鐵路噪聲預(yù)測(cè)中的軌道結(jié)構(gòu)力學(xué)模型和參數(shù)估計(jì)》的發(fā)言，分別介紹了車軌橋耦合分析的頻域力法原理、軌道衰減率和扣件剛度的間接測(cè)量、輪軌組合粗糙度的間接測(cè)量以及高架軌道交通振動(dòng)和噪聲的應(yīng)用實(shí)例。
東南大學(xué)副教授宋曉東博士作了題為《軌道交通橋梁噪聲預(yù)測(cè)與減振降噪研究》的發(fā)言，詳細(xì)介紹了橋梁振動(dòng)噪聲正向預(yù)測(cè)、聲學(xué)逆運(yùn)算與橋梁噪聲聲源重構(gòu)方法以及橋梁減振降噪的措施研究。
在上午的論壇演講和討論中，各位專家圍繞如何更加有效模擬列車通過振動(dòng)和噪聲、如何提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度、如何解決計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果之間的偏差進(jìn)行了激烈的討論和充分的交流。
論壇下午共安排7場(chǎng)主題演講，由西南交通大學(xué)韋凱教授和同濟(jì)大學(xué)金浩博士主持。
同濟(jì)大學(xué)副研究員李莉博士作了題為《不同剛度扣件對(duì)地鐵車輛車內(nèi)噪聲的影響研究》的發(fā)言，從實(shí)車實(shí)驗(yàn)、測(cè)試數(shù)據(jù)分析和理論計(jì)算幾個(gè)方面對(duì)該問題多年來的研究歷程進(jìn)行了闡述。
中國鐵道科學(xué)研究院副研究員劉鵬輝老師作了題為《<環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則城市軌道交通>振動(dòng)和室內(nèi)二次噪聲修訂簡介與討論》的發(fā)言，從標(biāo)準(zhǔn)適用范圍、評(píng)價(jià)范圍、振源強(qiáng)度、振動(dòng)環(huán)境預(yù)測(cè)、室內(nèi)二次噪聲預(yù)測(cè)修訂變化及存在問題進(jìn)行了詳細(xì)介紹。
中鐵二院科研院軌道所所長楊吉忠博士作了題為《鐵路穿越航站樓引起的振動(dòng)問題探討》的發(fā)言，對(duì)參考標(biāo)準(zhǔn)、模型建立、航站樓減振分析、軌道被動(dòng)減振技術(shù)等幾方面進(jìn)行了介紹。
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