基于概率有限元的鋼軌接觸表面可靠性分析.pdf

1、可靠性分析作為一個重要的研究課題，在工程領(lǐng)域已成為現(xiàn)代設(shè)計的發(fā)展趨勢。高速、重載車輪與鋼軌表面損傷嚴(yán)重，摩擦熱對其有著重要的影響，所以分析摩擦熱對輪軌接觸表面可靠性的影響具有重要的現(xiàn)實意義。以往對輪軌接觸表面的研究都著手于應(yīng)力層面，分析了大量相關(guān)因素對輪軌接觸表面應(yīng)力與安全的影響，但是都沒有得出這些影響大小的具體數(shù)據(jù)，這對于研究輪軌強度與安全就沒有具體的數(shù)據(jù)支持。
　　本文以鋼軌為研究對象，應(yīng)用ANSYS命令程序APDL創(chuàng)建輪軌滑

2、動摩擦接觸參數(shù)化模型，基于概率有限元的蒙特卡洛法，利用ANSYS可靠性分析模塊(PDS)對鋼軌結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可靠性分析，具體分析了機械載荷和熱機耦合載荷條件下材料參數(shù)、軸重和滑動速度等輸入變量對鋼軌結(jié)構(gòu)可靠性的影響。計算過程考慮了輸入變量的不確定性，得出了鋼軌結(jié)構(gòu)響應(yīng)參數(shù)（溫度、應(yīng)力等）的可靠性計算結(jié)果，并對其進(jìn)行了靈敏度分析、關(guān)系分析、逆概率分析，同時得出了鋼軌結(jié)構(gòu)響應(yīng)變量的樣本歷史曲線、柱狀圖和散點圖，并把可靠性計算和應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行比

3、較。結(jié)果表明:
　　1)輪軌相對滑動引起了顯著的摩擦熱效應(yīng)、熱影響區(qū)存在于表層局部接觸區(qū)域。由于輪軌接觸區(qū)的瞬時溫升，導(dǎo)致熱應(yīng)力的大小與接觸區(qū)域機械應(yīng)力基本相同，從而出現(xiàn)高度應(yīng)力集中現(xiàn)象，惡化了材料受力狀態(tài)，加劇了材料的破壞。
　　2)機械載荷條件下，鋼軌結(jié)構(gòu)發(fā)生了塑性變形，但結(jié)構(gòu)還處于安全狀態(tài)，即認(rèn)為此工況下鋼軌結(jié)構(gòu)是安全可靠的。因為，在置信水平0.95條件下，鋼軌結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力大于其屈服極限的概率為1，小于其強度極限的概率

4、也為1，即可靠度為1;同時鋼軌結(jié)構(gòu)強度極限狀態(tài)方程ZT＜0的概率為1和屈服極限狀態(tài)方程ZY＞0的概率也為1，即此時可靠度為1。
　　3)輪軌滑動摩擦生熱耦合載荷條件下，鋼軌材料在接觸區(qū)域發(fā)生塑性變形的概率極大為0.98，發(fā)生失效的概率極大為0.95，即此工況下鋼軌結(jié)構(gòu)不可靠。因為，在置信水平為0.95條件下，鋼軌結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力大于其屈服極限的概率為0.98，小于其強度極限的概率為0.05，即可靠度為0.05;同時強度極限狀態(tài)方程ST