本發(fā)明涉及鐵道工程輪軌關(guān)系，具體地說，涉及一種考慮沖擊動力學(xué)與材料安定的鋼軌不平順限值確定方法。

背景技術(shù)：

1、隨著列車運行速度的提升與列車載重、車輛軸重的不斷提高，輪軌之間相互作用也隨之加劇，而鋼軌表面幾何不平順會加劇輪軌間的沖擊作用，影響列車安全運行、旅客乘坐舒適性，長期作用下還可能會造成波磨、裂紋、斷軌等病害，嚴(yán)重制約著鋼軌的服役壽命與行車安全。鋼軌病害產(chǎn)生一方面與鋼軌表面幾何不平順下輪軌的強(qiáng)沖擊有關(guān)，另一方面則與鋼軌材質(zhì)和材料局部響應(yīng)有關(guān)，在循環(huán)往復(fù)載荷作用下材料響應(yīng)共分為四種：彈性、彈性安定、塑性安定及棘輪效應(yīng)。影響輪軌局部材料響應(yīng)相互轉(zhuǎn)換的原因主要有接觸載荷大小、輪軌材料硬化特性、殘余應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)以及由于塑性變形引起的輪軌接觸狀態(tài)的變化等。

2、細(xì)致描述軌面幾何不平順激擾作用下輪軌動態(tài)作用規(guī)律應(yīng)充分考慮車輛系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)及其相互作用的影響，車輛-軌道耦合動力學(xué)是在研究鋼軌幾何不平順限值過程中常采用方法之一。對于車輛模型，車輛通常被模擬為由剛體、彈簧與阻尼組成的多剛體系統(tǒng)，鋼軌被視為euler梁或timoshenko梁，軌下基礎(chǔ)沿縱向被模擬為具有連續(xù)或離散支撐的1～3層結(jié)構(gòu)。車輪與軌道之間的相互作用是耦合系統(tǒng)的關(guān)鍵，其通常由hertz線性或非線性彈性接觸理論模擬。有學(xué)者應(yīng)用車輛-軌道耦合動力學(xué)模型與仿真分析軟件ttisim，研究了鋼軌焊接區(qū)不平順對輪軌動力響應(yīng)的影響特征，在此基礎(chǔ)上提出鋼軌焊接區(qū)不平順幅值的安全限值。有學(xué)者以單一諧波的方式模擬軌道單波不平順，應(yīng)用車輛-軌道耦合動力學(xué)理論與simpack軟件，研究了不同軌道幾何不平順條件下列車動力性能及不平順指標(biāo)的限值。有學(xué)者以實際道岔為研究對象，通過建立車輛-道岔系統(tǒng)剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)模型，提出各管理等級下道岔區(qū)軌道幾何不平順限值。

3、量化鋼軌幾何不平順限值是保障鐵路安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運營的一種十分快捷的方法。其中，確定鋼軌平直度與幾何梯度變化是兩種較有代表性的評定參數(shù)。平直度常通過不平順波深來表征鋼軌幾何不平順的損傷程度。為更全面考慮鋼軌不平順幾何形狀對輪軌動態(tài)響應(yīng)的影響，有學(xué)者提出了利用幾何梯度評估不平順限值的方法，其假定鋼軌不平順幾何梯度與其激發(fā)輪軌垂向力的最大波動幅值間存在線性關(guān)系。

4、對于輪軌滾動接觸問題而言，輪軌接觸界面上的應(yīng)力反復(fù)作用易使輪軌材料受到疲勞破壞，而這種破壞并不能簡單地通過車輛-軌道耦合垂向動力學(xué)進(jìn)行評定，但其對車輛正常運行的平穩(wěn)性與安全性均會造成極大的影響。因此，需要一種同時考慮沖擊動力學(xué)與材料安定行為的鋼軌幾何不平順限值確定方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的內(nèi)容是提供一種考慮沖擊動力學(xué)與材料安定的鋼軌不平順限值確定方法，其能夠克服現(xiàn)有技術(shù)的某種或某些缺陷。

2、根據(jù)本發(fā)明的考慮沖擊動力學(xué)與材料安定的鋼軌不平順限值確定方法，其包括以下步驟：

3、步驟1：建立任意鋼軌表面幾何不平順模型，結(jié)合車輛-軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型，求解鋼軌表面不平順處輪軌沖擊力；

4、步驟2：建立輪軌滾動接觸數(shù)值模型，計算輪軌接觸時的法向、切向應(yīng)力分布；

5、步驟3：確定材料本構(gòu)模型，建立滾動接觸二維有限元模型，計算鋼軌應(yīng)力應(yīng)變時程數(shù)據(jù)并明確其材料安定狀態(tài)；

6、步驟4：綜合考慮鋼軌材質(zhì)、牽引系數(shù)、摩擦系數(shù)、輪軌接觸狀態(tài)，兼顧沖擊動力學(xué)與材料安定服役行為，形成鋼軌表面幾何不平順限值數(shù)表。

7、作為優(yōu)選，步驟1中，具體為：

8、1.1)將引起劇烈機(jī)車車輛振動的鋼軌幾何不平順形成二維幾何數(shù)據(jù)，建立鋼軌表面短波幾何不平順模型；

9、1.2)建立車輛-軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型，其中，車輛模型中考慮車體、構(gòu)架、輪對和懸掛裝置部件，軌道模型中包括鋼軌、扣件系統(tǒng)和道床；車體和轉(zhuǎn)向架考慮為剛體，懸掛裝置和扣件系統(tǒng)采用彈簧-阻尼單元模擬；

10、根據(jù)hertz非線性彈性接觸理論計算輪軌垂向力p(t)為：

11、

12、式中，g為鋼軌接觸常數(shù)，δz(t)為輪軌間彈性壓縮量；

13、車輛-軌道耦合動力學(xué)方程表示成如下基本形式：

14、[m]{a}+[c]{v}+[k]{x}＝{p}?(2)

15、式中，[m]、[c]、[k]分別為車輛-軌道耦合系統(tǒng)的質(zhì)量、阻尼與剛度矩陣；{x}、{v}、{a}則分別為耦合系統(tǒng)的廣義位移矢量、速度矢量與加速度矢量；{p}為車輛-軌道耦合系統(tǒng)的廣義載荷矢量；

16、1.3)將鋼軌表面短波幾何不平順模型寫入車輛-軌道耦合系統(tǒng)動力學(xué)模型，即得到幾何不平順下輪軌動力學(xué)響應(yīng)。

17、作為優(yōu)選，步驟1.1)中，鋼軌幾何不平順包括余弦不平順、正弦不平順和三角形不平順。

18、作為優(yōu)選，步驟2中，具體為：

19、2.1)車輛運行時，當(dāng)車輪與軌道在靜態(tài)車輪載荷作用下接觸時，假設(shè)輪軌接觸斑上的法向壓力為赫茲分布，法向壓力分布p(x,y)為：

20、

21、

22、式中，a、b分別為x和y方向上接觸斑半寬，p0為接觸斑上的最大接觸壓力，p為總法向接觸力；

23、圓柱體車輪滾動時b遠(yuǎn)大于a，此時的法向壓力分布p(x)與接觸斑半寬為：

24、

25、

26、

27、式中，pz為橫向單位長度上的法向作用力，r1、r2為曲率半徑，e1、e2和u1、u2分別表示材料的彈性模量與泊松比；

28、2.2)將步驟1中車輛通過不同鋼軌幾何不平順時產(chǎn)生的輪軌垂向力寫入輪軌滾動接觸計算模型，得到運行過程中輪軌接觸斑處的法向、切向應(yīng)力分布。

29、作為優(yōu)選，步驟3中，具體為：

30、3.1)采用chaboche非線性各向同性-硬化模型作為鋼軌的材料本構(gòu)模型，該模型考慮了材料的屈服準(zhǔn)則、流動準(zhǔn)則與硬化準(zhǔn)則；

31、屈服準(zhǔn)則是判斷材料是否進(jìn)入塑性屈服的條件，其中屈服面用來描述材料開始進(jìn)入塑性變形狀態(tài)時的應(yīng)力狀態(tài)，如式(8)：

32、

33、式中，f()為屈服函數(shù)，σ為應(yīng)力張量，α為背應(yīng)力張量，s為偏應(yīng)力張量，h為偏背應(yīng)力張量，k為屈服面的尺寸；

34、流動準(zhǔn)則是能夠確定塑性應(yīng)變增量法向的理論，將塑性應(yīng)變增量與屈服準(zhǔn)則聯(lián)系起來并建立塑性流動方程表達(dá)式，如式(9)：

35、

36、式中，dεp為塑性應(yīng)變增量，λ為塑性乘子；

37、硬化準(zhǔn)則是一種用來規(guī)定材料進(jìn)入塑性變形狀態(tài)后的后繼屈服函數(shù)在應(yīng)力空間內(nèi)的變化準(zhǔn)則；背應(yīng)力分量所對應(yīng)的硬化準(zhǔn)則為：

38、

39、總的背應(yīng)力張量α由背應(yīng)力分量αi疊加而成，表示為：

40、

41、式中：ci和γi為材料參數(shù)，m表示總數(shù)，dp是累計塑性應(yīng)變，表示為：

42、

43、對鋼軌進(jìn)行單軸拉伸試驗，得到應(yīng)力應(yīng)變曲線，最終得到chaboche非線性各向同性-硬化模型中所用的相關(guān)材料參數(shù)；

44、3.2)結(jié)合材料本構(gòu)模型，建立二維滾動接觸有限元模型；假設(shè)軌道為半無限體，對二維有限元模型外圍采取無限單元進(jìn)行定義，以考慮結(jié)構(gòu)的半無限特性，防止在邊界上產(chǎn)生的應(yīng)力波反射造成結(jié)果的不準(zhǔn)確；

45、3.3)采用步驟2中得到的法、切向應(yīng)力分布在滾動方向上的平移來模擬循環(huán)滾動過程；

46、3.4)通過有限元模型計算車輛往復(fù)滾動時鋼軌的應(yīng)力應(yīng)變時程數(shù)據(jù)，形成應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線，以此確定鋼軌的材料安定狀態(tài)。

47、作為優(yōu)選，步驟3.4)中，材料安定狀態(tài)包括彈性、彈性安定、塑性安定和棘輪效應(yīng)。

48、作為優(yōu)選，步驟4中，具體為：

49、通過改變鋼軌材質(zhì)、牽引系數(shù)、摩擦系數(shù)、輪軌接觸狀態(tài)、運行速度、幾何不平順波長與波深參數(shù)，綜合考慮步驟1與步驟3的計算方法，在滿足動力學(xué)要求的前提下，取非棘輪效應(yīng)狀態(tài)下的輪軌局部變形結(jié)果，最終總結(jié)形成考慮沖擊動力學(xué)與材料安定行為的鋼軌幾何不平順限值數(shù)表。

50、本發(fā)明提出了一種能夠同時考慮沖擊動力學(xué)與材料安定行為的鋼軌幾何不平順限值確定方法。一方面，保留鋼軌幾何不平順限值傳統(tǒng)評估方法中通過車輛-軌道耦合動力學(xué)理論等對輪軌動態(tài)接觸力的約束，使其滿足現(xiàn)有線路的維修規(guī)則；另一方面，考慮鋼軌材質(zhì)、牽引系數(shù)、摩擦系數(shù)、運行速度、幾何不平順形狀(波長、波深)等參數(shù)，建立能夠求解車輛往復(fù)滾動下鋼軌接觸應(yīng)力與變形關(guān)系的有限元模型，通過應(yīng)力應(yīng)變曲線明確鋼軌材料的安定狀態(tài)，總結(jié)非棘輪效應(yīng)狀態(tài)下鋼軌幾何不平順特征，最終形成不同參數(shù)下鋼軌幾何不平順限值數(shù)表。本發(fā)明能較佳地確定鋼軌不平順限值。