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摘要：轮轨接触问题是列车稳定性与可靠性研究中的重要课题，本文基于ANSYS有限元软件，对轮轨接触问题进行了有限元分析。首先根据轮轨接触的几何特征，将问题简化成平面应变问题，然后假设轨道承受50MPa的压力，得到了轮轨等效应力云图及轨道的等效塑性应变云图。对轮轨存在水平挤压的接触问题进行了拓展分析，并探讨摩擦系数对等效应力云图和等效塑性应变图分布的影响。
关键词：轮轨接触、摩擦系数、等效应力、等效塑性应变
中图分类号：U211.5
1. 引言
铁路作为重要交通工具，其安全性十分重要。轮轨磨耗和接触疲劳问题越来越严重，直接影响铁路发展，这些问题的解决都必须以轮轨接触的研究为基础。轮轨接触属于状态非线性问题，轮轨接触时的应力应变云图可帮我们分析轨道及车轮进行安全性和可靠性。通过大型有限元软件可得到应力应变云图，故本文基于ANSYS软件，对轮轨接触进行了有限元模拟，得到其等效应力及等效塑性应变云图，并分析了不同摩擦系数对接触当中的最大等效应力及最大等效塑性应变的影响。
2. 问题描述
轮轨接触的三维实体模型如图1（a）所示，可将其简化为平面应变问题，其截面如图1（b）所示。
轮轨的材料性质如下：
铁轨：E=2.13e5MPa v=0.3 σy=483MPa TG=22.7MPa
轮：E=2.01e5MPa v=0.3 σy=550MPa σb=900 Max Strain=8%
加载及约束方式为：顶面加载压力载荷50MPa，底面约束所有自由度；在无横向挤压情况下，车轮左面约束X方向，挤压力取2.5MPa。取摩擦系数=0.2。
3 结果分析
运算结束后对应力图和塑性应变图分析发现接触面中点产生了较大的应力，但最大等效应力出现在轨道腹板的右上侧，大小为486.422MPa，最大等效塑性应变同样产生于此，大小为0.369×10-3。
4 拓展分析
4.1 探究倒圆角对计算结果的影响
对腹板与翼缘夹角处倒圆角，并保持载荷及约束不变，得到轮轨的等效应力和等效
塑性应变图。由图可知，等效应力和塑性应变最大值出现的位置并无太大的改变，最大等效应稍微增加，但等效塑性应变明显下降，结果比较如表1所示
4.2 探究存在横向挤压作用时的应力应变分布云图
对轨道腹板与翼缘夹角处倒圆角，并对车轮右面施加大小为2.5MPa的横向压力，然后再求解。在附加大小为2.5MPa的横向挤压力情况下，轮轨的最大等效应力达到502.137MPa，最大等效塑性应变达到0.004136，与没有横向挤压相比较，最大等效应力稍微增加，最大等效塑性应变明显增加，如表2所示
4.3 探究不同摩擦系数对计算结果的影响
在倒圆角及存在横行挤压力的基础上，探究摩擦系数对应力应变云图分布的影响以及对其最大值的影响，依次取=0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3，分别得到各自的等效应力和等效塑性应变云图。对于不同摩擦系数，得到不同的应力应变最大值，见表3
分别将最大von-Mises等效应力和最大等效塑性应变随摩擦系数的变化关系用曲线表示。
由曲线可知，轮轨接触问题中，在0.05～0.3的范圍内，随着摩擦系数的变大，最大von-Mises等效应力和最大等效塑性应变皆减小。
5. 结语
综上可知，处理轨道倒圆角可大幅限制其等效塑性应变；在附加横向挤压作用的情况下，轮轨的最大von-Mises等效应力略微增大，而轨道的等效塑性应变显著增加；在0.05～0.3的范围内，随着摩擦系数变大，轮轨的最大von-Mises等效应力和最大等效塑性应变皆减小。
6.参考文献
[1]《材料力学》孙训方编 高等教育出版社
关键词：轮轨接触、摩擦系数、等效应力、等效塑性应变
中图分类号：U211.5
1. 引言
铁路作为重要交通工具，其安全性十分重要。轮轨磨耗和接触疲劳问题越来越严重，直接影响铁路发展，这些问题的解决都必须以轮轨接触的研究为基础。轮轨接触属于状态非线性问题，轮轨接触时的应力应变云图可帮我们分析轨道及车轮进行安全性和可靠性。通过大型有限元软件可得到应力应变云图，故本文基于ANSYS软件，对轮轨接触进行了有限元模拟，得到其等效应力及等效塑性应变云图，并分析了不同摩擦系数对接触当中的最大等效应力及最大等效塑性应变的影响。
2. 问题描述
轮轨接触的三维实体模型如图1（a）所示，可将其简化为平面应变问题，其截面如图1（b）所示。
轮轨的材料性质如下：
铁轨：E=2.13e5MPa v=0.3 σy=483MPa TG=22.7MPa
轮：E=2.01e5MPa v=0.3 σy=550MPa σb=900 Max Strain=8%
加载及约束方式为：顶面加载压力载荷50MPa，底面约束所有自由度；在无横向挤压情况下，车轮左面约束X方向，挤压力取2.5MPa。取摩擦系数=0.2。
3 结果分析
运算结束后对应力图和塑性应变图分析发现接触面中点产生了较大的应力，但最大等效应力出现在轨道腹板的右上侧，大小为486.422MPa，最大等效塑性应变同样产生于此，大小为0.369×10-3。
4 拓展分析
4.1 探究倒圆角对计算结果的影响
对腹板与翼缘夹角处倒圆角，并保持载荷及约束不变，得到轮轨的等效应力和等效
塑性应变图。由图可知，等效应力和塑性应变最大值出现的位置并无太大的改变，最大等效应稍微增加，但等效塑性应变明显下降，结果比较如表1所示
4.2 探究存在横向挤压作用时的应力应变分布云图
对轨道腹板与翼缘夹角处倒圆角，并对车轮右面施加大小为2.5MPa的横向压力，然后再求解。在附加大小为2.5MPa的横向挤压力情况下，轮轨的最大等效应力达到502.137MPa，最大等效塑性应变达到0.004136，与没有横向挤压相比较，最大等效应力稍微增加，最大等效塑性应变明显增加，如表2所示
4.3 探究不同摩擦系数对计算结果的影响
在倒圆角及存在横行挤压力的基础上，探究摩擦系数对应力应变云图分布的影响以及对其最大值的影响，依次取=0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3，分别得到各自的等效应力和等效塑性应变云图。对于不同摩擦系数，得到不同的应力应变最大值，见表3
分别将最大von-Mises等效应力和最大等效塑性应变随摩擦系数的变化关系用曲线表示。
由曲线可知，轮轨接触问题中，在0.05～0.3的范圍内，随着摩擦系数的变大，最大von-Mises等效应力和最大等效塑性应变皆减小。
5. 结语
综上可知，处理轨道倒圆角可大幅限制其等效塑性应变；在附加横向挤压作用的情况下，轮轨的最大von-Mises等效应力略微增大，而轨道的等效塑性应变显著增加；在0.05～0.3的范围内，随着摩擦系数变大，轮轨的最大von-Mises等效应力和最大等效塑性应变皆减小。
6.参考文献
[1]《材料力学》孙训方编 高等教育出版社