【摘 要】
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轮轨接触关系问题是进行车辆动力学计算以及研究轮轨磨耗的关键问题,而经典的赫兹理论无法准确地反应轮轨间真实的接触行为,因此一系列接触计算方法应运而生。本文以六种简化的非赫兹接触算法为中心,研究不同接触模型对计算轮轨接触行为、动力学仿真以及预测车轮磨耗的影响。(1)首先梳理总结了国内外轮轨滚动接触计算的发展过程以及介绍前后提出的接触计算模型,明确研究轮轨间相互作用的意义以及明确用于计算分析的接触模型。
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轮轨接触关系问题是进行车辆动力学计算以及研究轮轨磨耗的关键问题,而经典的赫兹理论无法准确地反应轮轨间真实的接触行为,因此一系列接触计算方法应运而生。本文以六种简化的非赫兹接触算法为中心,研究不同接触模型对计算轮轨接触行为、动力学仿真以及预测车轮磨耗的影响。(1)首先梳理总结了国内外轮轨滚动接触计算的发展过程以及介绍前后提出的接触计算模型,明确研究轮轨间相互作用的意义以及明确用于计算分析的接触模型。(2)接下来,本文系统研究了六种用于法向接触计算的简化接触模型,包括早些年提出基于虚拟表面变形法的KP模型、STRIPES模型、采用近似表面变形法的ANALYN模型,以及近四年新发展的考虑摇头角的EKP、MKP、MSHM模型。以Kalker完全理论程序CONTACT作为标准对比,分析其对法向接触计算的精度以及稳定性。结果表明:除极端非赫兹接触工况外,六种简化接触模型均能获得令人满意的接触斑形状以及法向接触应力分布结果,其中KP模型以及改进后的MKP模型能够兼顾准确性与稳定性,且摇头角并不会对法向计算产生很大影响。(3)第三章实现了FASTSIM、Fa Strip两种切向接触算法,通过等效椭圆法或局部椭圆法将其分别适配于以上六种简化接触算法进行局部切向接触对比计算。在完成法向以及切向计算的基础上,本文选择USFD模型对不同简化接触算法预测车轮磨耗的精度进行计算。结果表明:采用Fa Strip作为切向算法的ANALYN、MKP、EKP模型可以获得更加准确的切向应力分布,而FASTSIM算法会错误估计剪切应力以及黏滑分布。EKP、MKP、MSHM这几种改进模型能够提高车轮磨耗的预测精度,摇头角则会造成接触斑内能量指数增大,从而可能使车轮产生较大的磨耗。当摇头角较大接触斑处于全滑动状态时,不宜采用MSHM模型进行磨耗预测。(4)本文采用两种策略分析简化算法在动力学计算中的稳定性及其适用性。结果表明:在动力学分析中,衡量接触斑非赫兹程度的形状数是影响接触计算精度的主要因素,仅就本文的计算结果,形状数小于0.4时,建议选用Hertz模型,即可满足计算精度要求;而形状数大于0.4时,建议采用始终能够兼顾精度与效率的MKP模型。
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