轨道结构强度有限元分析

郜永杰; 翟婉明

轨道结构强度有限元分析

西南交通大学列车与线路研究所, 四川成都 610031

基金项目:

铁道部科技研究开发计划项目 2002G038

详细信息

作者简介:
郜永杰(1979-), 男, 河南郾城人, 西南交通大学硕士研究生, 从事轨道强度研究

中图分类号: U213.211
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出版历程
- 收稿日期: 2003-11-27
- 刊出日期: 2004-06-25

Finite element analysis of track structure strength

Train and Track Research Institute, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China

More Information

Author Bio:
GAO Yong-jie(1979-), male, graduate student, 86-13688335952, gaoyongjie585@sohu.com

摘要

摘要: 应用有限元方法及ANSYS软件建立了有碴轨道结构有限元分析模型, 计算了几种工况下轨道结构各部件的位移、应力等强度指标。结果表明模型计算位移值与试验实测值接近, 强度指标计算值比传统方法计算值稍小, 考虑到传统方法偏于保守, 说明模型是合理、可靠的。
- 铁道工程 /
- 有碴轨道 /
- 强度 /
- 有限元分析
Abstract: This paper established a finite element model of track structure with the finite element method and ANSYS software, calculated the displacement and stress of track structure. It is pointed that the displacement from the model is little less than those from the traditional method. The results indicate that the model is more reliable and accurate for the strength calculation of track structure.
- railway engineering /
- ballasted track /
- strength /
- finite element analysis

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图 1 有碴轨道结构总体有限元模型

Figure 1. Finite element model of ballasted track structure

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图 2 钢轨有限元模型

Figure 2. Finite element model of rail

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图 3 轨下基础结构有限元模型

Figure 3. Finite element model of foundational structure under rail

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图 4 钢轨四分之一模型横向应变云图

Figure 4. Strain contour plot of demisemi rail model

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图 5 主应力云图

Figure 5. Stress contour plot

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表 1 轨道结构材料性质

Table 1. Material characters of track structure

材料参数	弹性模量E/MPa	泊松比υ	密度ρ/ (kg·m^-3)
钢轨	2.06×10⁵	0.30	7800
轨枕	3.45×10⁴	0.20	2400
道碴	150	0.27	1900

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表 2 计算采用的四组实测载荷工况

Table 2. Load data of test for calculation

工况	轮轨垂向力/kN	轮轨横向力/kN
1	150.67	86.23
2	152.71	91.62
3	156.21	93.25
4	171.49	107.75

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表 3 模型计算值与试验实测值的比较

Table 3. Comparison of calculation value and test value

计算项目	工况一		工况二		工况三		工况四
计算项目	计算	试验	计算	试验	计算	试验	计算	试验
钢轨垂向位移/mm	2.02	1.91	2.10	2.01	2.17	2.09	2.28	2.08
钢轨横向位移/mm	2.74	3.02	2.78	3.04	2.92	3.23	3.19	3.45
轨枕垂向位移/mm	1.54	1.49	1.71	1.63	1.79	1.62	1.90	1.83
轨枕横向位移/mm	0.32	0.40	0.36	0.45	0.40	0.48	0.41	0.49

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表 4 仿真计算四组载荷工况

Table 4. Load data of simulation calculation

工况	轮轨垂向力/kN	轮轨横向力/kN
1	115	28.75
2	155	38.75
3	255	63.75
4	300	75.00

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表 5 轨道强度计算结果的比较

Table 5. Calculation result comparison of track strength

计算项目	工况一		工况二		工况三		工况四
计算项目	有限元法	传统方法	有限元法	传统方法	有限元法	传统方法	有限元法	传统方法
轨头应力/MPa	82.18	88.42	112.79	119.17	182.27	196.05	206.54	230.65
轨底应力/MPa	74.03	75.69	98.25	102.02	159.83	167.84	175.17	197.45
轨枕轨下截面弯矩/ (kN·m)	4.91	5.77	6.58	7.77	10.69	12.79	12.75	15.04
轨枕中间截面弯矩/ (kN·m)	0.51	1.29	0.69	1.74	1.08	2.86	1.26	3.37
道床顶面应力/MPa	0.17	0.25	0.24	0.34	0.36	0.56	0.42	0.66

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参考文献(8)

[1]	翟婉明. 车辆-轨道耦合动力学(第二版)[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2002.
[2]	郝赢. 铁道工程[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2000.
[3]	雷晓燕. 铁路轨道结构数值分析方法[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1998.
[4]	雷晓燕. 轨道力学与工程新方法[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2002.
[5]	西南交通大学列车与线路研究所. 山区铁路小半径曲线轨道强化技术的试验研究[R]. 成都: 西南交通大学, 2003.
[6]	张军. 基于有限元法的轮轨蠕滑理论研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2003.
[7]	王福天. 车辆系统动力学[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1994.
[8]	中华人民共和国铁道部. 既有线提速技术条件[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2002.