不同辐板车轮温度场与应力场分析
基于ADINA的轮胎力场和温度场研究的开题报告
基于ADINA的轮胎力场和温度场研究的开题报告
一、研究背景
汽车轮胎在行驶过程中，承受着很大的载荷和较高的温度，对其力场和温度场的研究具有重要的意义。
ADINA作为一种常用的FEA软件，在轮胎力学和热学领域也有广泛的应用。
因此，基于ADINA的轮胎力场和温度场研究具有现实意义和科学价值。
二、研究内容
本研究将采用ADINA软件，建立轮胎力学和热学的有限元模型，分析轮胎在行驶过程中的力场和温度场变化情况，具体研究内容包括：
1. 探究轮胎受载过程中的力学特性，包括接地面积、接触压力等，对轮胎的磨损和寿命产生影响的因素进行分析。
2. 分析轮胎在高速行驶过程中的温度分布特性，研究轮胎材料的热传递及其对轮胎性能的影响。
3. 借助ADINA软件的非线性和动态分析功能，分析轮胎在各种路面情况下的受力响应和变形情况。
三、研究意义
1. 对于轮胎制造厂商而言，研究轮胎的力场和温度场分布规律，有助于提高轮胎的设计制造水平，减少轮胎的磨损和寿命，提高轮胎的性能。
2. 对于车辆制造厂商而言，研究轮胎的力场和温度场变化对车辆性能的影响，有助于提高汽车的安全性和稳定性。
3. 对于轮胎力学和热学领域的研究者而言，本研究结果有助于深入了解轮胎的力学和热学特性，为相关领域的研究提供有力的支撑。
重载货车踏面制动时车轮温度场与应力场研究
踏 面制 动是 我 国重 载 货 车 的 基 本制 动 方 式 ， 实 其 质就 是在 制 动过 程 中将 货 车动 能转 换 为 闸瓦与 车轮 踏 面之 间 的摩 擦 热 能 ， 通 过 热 传 导 、 流换 热 、 并 对 热辐 射 等形式 耗 散 。随着 我 国提 速货 车与 重载 货 车的进 一步 发 展 ， 动热 负荷 问题对 车 轮 的影 响 日趋 增 大 ， 重载 制 对 货 车制 动 系统 的要 求亦 将 日趋严 格 。在 货车 速度 与载 重 不 断提 高 的情 况 下 ， 当列 车实 行踏 面制 动后 ， 时 间 短 产 生 的大 量热 量使 踏 面 温度 急剧 升高 ， 轮制 动性 能 车 降低 、 磨耗 增 大或 产生 裂纹 ， 严重 时 甚至 导致 车轮 踏面 失效 ， 大大 增 加 了车 轮 因 制 动 而 产 生 的 损 伤 比例［ 。 １ ］ 因此 ， 研究 车轮 在不 同制 动 工 况 下 的 温度 场 与应 力 场
足制 动 距离要 求 的 同时 ， 车 基 础制 动 装 置 热 负 荷 问 货
题也 变得 日益 严 峻 。本 文 对 轴 重 为 ２ 、 ３ ｔ ２ 、 １ｔ ２ 、 ５ ｔ ２ 、 ０ ｔ 制 动 初 速 度 为 ８ ｍ／ 、 ０ ｋ ｈ １ ０ ７ｔ ３ ， ０ ｋ ｈ ９ ｍ／ 、 ０ ｋ ｈ １ ０ｋ ｈ 制 动减 速 度 为 ０ ５ｍ／ ０ ６ｍ／。 ｍ／ 、 １ ｍ／ ， ． ｓ、 ． ｓ 、 ０ ７ｍ／ ０ ８ｍ／ ０ ９ｍ／ １ ０ｍ／ 工 况 下 重 ． ｓ、 ． ｓ、 ． ｓ、 ． ｓ等 载货 车 踏面制 动 时车轮 温度 场与 应力 场进 行分 析 。
机械工程中的温度场与应力场分析
机械工程中的温度场与应力场分析机械工程是一门应用学科，研究机械结构的设计、制造和维护等方面的知识。
而在机械工程中，温度场与应力场分析是非常重要的一部分，它们直接影响着机械结构的性能和寿命。
本文将介绍机械工程中的温度场与应力场分析，探讨其原理、应用以及相关技术。
一、温度场分析1. 温度场的定义与意义温度场是指在空间中不同位置的温度分布情况。
在机械工程中，温度场对于材料的热胀冷缩、热变形以及热应力等方面的影响非常重要。
通过对温度场的分析，可以确定机械结构在不同温度条件下的性能，进而进行合理的设计和优化。
2. 温度场分析的方法温度场分析可以通过数学建模和计算机仿真两种方法进行。
数学建模方法包括一些传统的热传导方程求解技术，如分析法、二维和三维有限元法等。
计算机仿真方法则是通过建立数学模型，并运用计算机软件进行数值计算，得到温度场的分布情况。
3. 温度场分析的应用温度场分析在机械工程中有着广泛的应用。
例如，在锻造、焊接、铸造等工艺过程中，温度场分析可以帮助工程师确定材料的热历史，预测材料的变形情况，从而指导工艺参数的选择。
此外，在机械结构的设计中，温度场分析可以帮助工程师确定合理的材料选择、结构改进，提升机械结构的耐高温性能。
二、应力场分析1. 应力场的定义与意义应力场是指在机械结构内部不同位置的应力状态。
应力是材料内部的力学性质，对于机械结构的强度、刚度、耐久性等方面具有重要影响。
通过对应力场的分析，可以确定机械结构在工作载荷下的应力分布情况，进而进行合理的设计和优化。
2. 应力场分析的方法应力场分析可以通过数学建模和计算机仿真两种方法进行。
数学建模方法包括一些传统的力学方程求解技术，如静力学、弹性力学等。
计算机仿真方法则是通过建立数学模型，并运用计算机软件进行数值计算，得到应力场的分布情况。
3. 应力场分析的应用应力场分析在机械工程中具有广泛的应用。
例如，在机械结构的设计中，应力场分析可以帮助工程师确定机械结构的合理尺寸、形状和材料，确保机械结构在工作载荷下不会发生失效。
轮胎磨耗及其温度场的理论与实验研究
轮胎磨耗及其温度场的理论与实验研究磨耗是由于机械作用或化学反应在接触物体表面产生的一种材料逐渐损耗的现象,磨耗发生在有摩擦力存在条件下任意二个物体之间相互作用相对滑移的过程中,二个接触面都有材料损失和几何形状的改变,是具有时变特征的渐进的动态过程。
轮胎与地面的摩擦作用和力的传递提供了汽车运动所需的各项力和力矩,汽车行驶过程中必然会造成轮胎的磨耗。
轮胎是由橡胶及纤维或钢丝增强材料组成的壳结构体,具有黏弹性、大变形、非线性及温度、形变、速度敏感性特征,其磨耗是一个相当复杂的过程。
目前,对轮胎磨耗的研究仍然缺乏系统的理论成果可资应用,仍然面临诸多挑战。
本研究立足应用、力求实效,聚焦轮胎磨耗研究的关键难点,进行了理论和实验研究,从橡胶摩擦磨耗影响要素的解析、数学建模到轮胎的热力学分析与磨耗迭代计算,形成了一套比较系统的轮胎磨耗分析方法。
1.橡胶磨耗影响因素的解析利用LAT100磨耗试验研究了胎面橡胶磨耗对滑移角度、速度、负荷的依赖关系。
磨耗对负荷存在幂函数关系。
磨耗对角度则存在二种不同的函数关系:在角度较小时,磨耗与角度表现为幂函数关系,但角度较大时,采用指数函数拟合磨耗量与角度的关系比幂函数具有更高的精度,反映出磨耗对角度具有强烈的依赖性。
速度对磨耗的影响主要体现为橡胶温度的变化,速度对磨耗的影响可以用温度来表征。
基于Akron磨耗试验机,开发了对橡胶轮加热的高温磨耗测试辅助装置,研究了温度对橡胶磨耗的影响规律,温度对磨耗的影响可以用二次多项式来表征。
橡胶磨耗是角度、温度、负荷、速度多因素交互作用的复杂过程。
建立磨耗对多因素的综合解析式是困难的,各因素对于磨耗的重要程度一直是令人着迷而又困惑的问题。
为此采用xgboost数据挖掘技术,对LAT100测试的三种TBR胎面胶的1000多组数据进行了整合分析,给出了角度、温度、速度、负荷及胎面胶配方5种因素对磨耗的影响权重,定量描述了各因素对磨耗的重要性。
2.橡胶的摩擦特性自制了摩擦系数测试装备和多种路面,测试分析了低速下不同路面、不同负荷的摩擦系数,负荷对橡胶在粗燥表面的摩擦系数影响很小。
货车车轮踏面损伤有限元分析
货车车轮踏面损伤温度场与应力场的有限元分析货车车轮踏面损伤温度场与应力场的有限元分析摘要：本文通过对21t轴重、120km/h的货车车轮在一次紧急制动过程中的温度场和应力场分布进行有限元模拟，探讨分析了温度场和应力场分布与货车车轮踏面损伤的关系，为车轮的热疲劳损伤机理研究提供了技术储备和参考。
关键词：货车车轮，温度场，应力场，有限元模拟，热疲劳损伤。
正文：提速和重载是提高铁路运输能力的有效措施，已成为铁路货车发展的趋势。
我国货车目前制动方式仍然是踏面制动，列车车轮在强摩擦、高热负荷以及大轮轨作用力等恶劣条件下工作。
列车在制动过程中，动能逐渐转变为制动装置产生的热能，对于采用踏面制动的高速重载铁路货车，这样的制动过程非常严苛，由此产生的热疲劳损伤已成为车轮失效的主要形式之一。
车轮经过多次制动后，会在车轮与铁轨的接触踏面上产生均匀分布的横向裂纹，周围会伴随剥离、掉块等现象。
因此，在国家倡导货运列车提速的前提下，现有的踏面制动正面临的严峻的挑战，也对车轮的抗热损伤能力和疲劳寿命提出了更高的要求。
由于热损伤和疲劳损伤都与车轮在紧急制动过程中的温度场和应力场分布有密切的关系，本文以21t轴重、120km/h的货运列车车轮为研究对象，拟结合具体货车车轮的结构，利用建模软件对其建模，通过有限元模拟其紧急制动过程中的温度场和应力场分布，并针对实际踏面损伤情况对其模拟准确性给予评估，为进一步研究车轮的热疲劳损伤提供技术参考。
1、车轮紧急制动温度场模拟货车车轮的轮径为840mm，轮辋内侧内径为710mm，轮毂孔直径为170mm，轮辋外径为273mm，理论重量351 kg。
车轮材料为CL60，材料各项物热参数如下：弹性模量E =2.05×105 MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800 kg/m3，热膨胀系数α=10.3×10-6℃-1，比热容c=470 J/(kg·K)，热传导率k =51W/(m·K)，对流换热系数h=40W/(m2·K)。
铝合金汽车轮毂压铸模具温度场及热应力数值分析研究的开题报告
铝合金汽车轮毂压铸模具温度场及热应力数值分析
研究的开题报告
一、研究背景和目的
随着汽车工业不断发展，越来越多的汽车零部件采用铝合金材料制造。
铝合金轮毂是一种常见的汽车零部件，其轻量化、强度高、耐磨损
等特点使其得到广泛应用。
铝合金轮毂的制造需要使用压铸模具进行生产，因此压铸模具的研究对于提高铝合金轮毂的质量和生产效率具有重
要意义。
压铸模具的温度场及热应力分析是模具设计的关键问题，需要
进行深入研究。
本研究旨在通过分析铝合金汽车轮毂压铸模具的温度场及热应力，
探索优化模具设计和制造工艺的方法，提高铝合金轮毂的制造效率和质量。
二、研究内容和方法
1. 收集铝合金汽车轮毂压铸模具的相关资料，了解模具的结构和使
用情况。
2. 通过ANSYS等有限元软件对铝合金轮毂压铸模具的温度场进行数值模拟分析，得到温度场分布图。
3. 根据模拟数据，分析温度场分布的规律，探究温度场对模具的影响。
4. 通过热应力分析，研究模具在使用过程中可能出现的热应力情况，并探讨方法减缓热应力对模具的损害。
5. 针对研究得到的数据，对模具结构和使用工艺进行改进，提高铝
合金轮毂的制造效率和质量。
三、预期成果和意义
1. 研究得到铝合金汽车轮毂压铸模具的温度场分布规律和热应力情况，为模具设计和制造提供参考和依据。
2. 发现并探索减缓热应力的方法，在一定程度上保护模具，延长模具使用寿命。
3. 提高铝合金轮毂制造的效率和质量，推动汽车工业的发展。
考虑轮胎空气耦合传热的轮胎温度场分析
考虑轮胎空气耦合传热的轮胎温度场分析轮胎是机动车重要的组成部分之一，是车辆行驶中承受传递起动、制动以及横向力等负荷的部位，因此轮胎对于车辆的安全性和行驶性能有着至关重要的影响。
空气压力和温度变化是影响轮胎使用寿命和性能的两个主要因素。
因此，了解轮胎内部的空气耦合传热规律和温度场分布对于轮胎寿命和性能预测具有极其重要的意义。
轮胎内部的空气耦合传热过程是一个复杂的物理过程。
轮胎内部的空气由于轮胎受到外部荷载而发生紧缩变形，不可避免地产生了热量。
同时，由于气体的热膨胀，轮胎内部温度会不断升高。
轮胎外层的温度受到轮胎内部温度、道路摩擦力和空气阻力的影响而发生变化，因此，轮胎表面与道路之间的热传递和空气流动都是需要考虑的因素。
此外，轮毂和刹车盘等部位的传热也会对轮胎内部和外部温度产生重要影响。
对于轮胎温度场的分析，目前主要采用数值模拟方法。
通过数值模拟可以得到轮胎内部空气的流动和传热规律，进而预测轮胎的温度场分布。
数值模拟的主要方法包括有限元法和计算流体力学方法。
其中，有限元法主要用于模拟轮胎内部的温度场分布，而计算流体力学方法则主要用于模拟轮胎外表面的空气流动和热传递过程。
这些模拟方法可以为轮胎设计和制造提供重要参考。
在轮胎的设计和制造过程中，轮胎内部的空气压力和温度分布是需要考虑的参数之一。
特别是在高速行驶和车辆长期运行条件下，轮胎内部温度的升高会对轮胎的使用寿命和性能产生重要影响。
因此，必须采取措施确保轮胎内部的空气流通和散热，以维持轮胎内部温度的稳定。
同时，在轮胎的选择和使用过程中，也需要根据行驶条件和车辆负荷等因素，选用适当的轮胎型号和规格。
综上所述，轮胎内部空气耦合传热和温度场分析是轮胎设计和制造中的重要研究方向。
通过数值模拟等手段，可以获得轮胎内部和外部的温度场分布和空气流动规律，为轮胎的设计提供重要参考。
此外，车主在选择和使用轮胎时，也应该注意轮胎内部的空气流通和散热条件，以确保轮胎的使用寿命和性能。
紧急制动下货车车轮温度场和应力场的数值仿真研究
高速重载是当今铁路技术发展的两个重要方 向. 随着车辆速度的不断提高和轴重的增加 ,车轮 的热应力不断增加. 当前 ,货车的制动方式仍普遍 采用踏面制动 ,列车的制动过程实质上是将列车 的动能通过闸瓦和车轮踏面转换为摩擦热能热量 的转换过程 [ 1 ] . 车辆动能的增加必然导致车轮制 动热负荷的恶化 ,对车轮的热损伤和疲劳寿命带 来重大的影响. 车轮经过若干次制动后 ,在踏面周 向分布有较均匀的横向刻度状裂纹 ,并伴有局部 剥离掉块 ,或者在车轮踏面有椭圆状局部损伤或 剥离 ,这些热损伤和车轮制动中的温度和热应力 是密切相关的. 目前 ,铁路经几次大提速后 ,车轮 踏面的损伤越来越严重 ,已经严重影响了铁路运 输的高速化发展. 本文以 21t轴重货车车轮踏面 制动的温度场和热应力场数值模拟为题来研究紧 急制动情况下车 轮各部位的温度 场与应力场分 布 ,以期为进一步进行车轮的疲劳分析和车轮形 状的优化提供参考.
4, 5分别对应踏面上距车轮外侧距离为 0, 16, 39, 67, 93 mm 的五个点的 温度随时间的 变化 ,其中 2, 3, 4三点在闸瓦和踏面的接触区域中 , 1, 5两点 在接触区域之外. 图 7和图 8中 ,曲线 1, 2, 3, 4分 别对应距踏面深度为 0, 12, 24, 35 mm 的四点 ,且 它们距离车轮外侧均为 39 mm.
1 车轮瞬态温度场有限元数值仿真
111 有限单元法计算格式
温度场计算依据下列有限单元本构方程 [ 2 ] :
[ K ] { T} + [N ] { 55Tt } = { P }.
( 1)
式中 [ K ]为温度的刚度矩阵 ; [ N ]为变温矩阵 ,它
是考虑温度随时间变化的一个系数矩阵 ,是瞬态 温度场计算特有的一项 . 采用向后差分法就可以 得到各个时刻的温度场.
汽车轮胎稳态温度场的数值模拟分析_王泽鹏
作者简介:王泽鹏(1976-),男,山东胶南人,青岛科技大学讲师,博士,从事轮胎热力学研究及有限元分析工作。
汽车轮胎稳态温度场的数值模拟分析王泽鹏1,2,高 峰2,粟定华3(1.青岛科技大学机电工程学院,山东青岛 266061;2.北京航空航天大学汽车工程系,北京 100083;3.中橡集团曙光橡胶工业研究设计院,广西桂林 541004)摘要:利用轮胎力学场的数值分析结果,采用傅立叶级数拟合单元在轮胎滚动一周内的应力-应变变化,并根据拟合后的傅立叶系数计算轮胎单元损耗应变能和生热率,分析了轮胎在不同速度时的温度场。
计算结果与试验值基本一致。
关键词:轮胎;有限元;温度场;傅立叶级数中图分类号:T Q336.1+1;O241.82 文献标识码:B 文章编号:1006-8171(2008)01-0015-05轮胎主要由橡胶及橡胶基复合材料组成。
橡胶材料具有粘弹性,轮胎在运行过程中反复屈挠,使橡胶产生滞后损失并转化为热量,导致轮胎各部位温度升高,胶料强度以及界面粘合强度下降,易产生肩空、肩裂甚至爆胎。
因此,生热和升温对轮胎的使用寿命和行驶安全性都有很大影响。
文献[1]和[2]在计算轮胎生热率时,只获取轮胎接地部分中间断面节点的应力和应变,并将节点应力和应变随时间的变化曲线简化为三角形,将橡胶材料简化为线性粘弹性材料,这与橡胶材料的特性以及应力-应变实际变化情况存在一定的差异。
实际上,轮胎在滚动过程中的应力-应变变化是典型的非线性、非谐变响应。
本研究利用谐余弦傅立叶级数拟合的轮胎单元应力-应变变化更接近轮胎滚动过程的实际变化状况,并在此基础上计算轮胎的生热率和分析稳态温度场。
1 单元损耗应变能数学模型由于粘弹性,橡胶应变相位角比应力相位角延迟,即频率相同,角度延迟。
应力(R )和应变(E )的傅立叶级数如下:R =E Mm=0R m cos(2P mt /T +D )E =ENn=0E n cos(2P nt/T)(1)式中,t 为时间,T 为周期,D 为应力与应变相位角之差。
不同热流加载方式下车轮踏面制动温度和应力场模拟分析
ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｃ ｌｃ ａ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ｍｏ ｖ ｉ ｎ ｇ ｈ ｅ ａ ｔ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｅ ｖ ｅ ｎ ｌ ｙ ｈ ｅ ａ ｔ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｉ ｓ ｓ ｍａ ｌ ｌ ，ｔ ｈ ｕ ｓ ｉ ｔ ｉ ｓ ｍｏ ｒ ｅ ｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ ａ — ｂ ｌ ｅ ｔ ｏ ｕ ｓ ｅ ｔ ｈ ｅ ｅ ｖ ｅ ｎ ｌ ｙ ｈ ｅ ａ ｔ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｔ ｏ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ３－ Ｄ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｅ ｎ ｔ ｔ ｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ａ ｎ ｄ ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｗｈ ｅ ｅ ｌ ｔ ｒ ｅ ａ ｄ
摘要 ：利用有 限元软件 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 建立车轮三维有限元模型 ，计算分析移动热源和均布热源 ２种不 同热流密度 加载方
式下 ，车 轮 在连 续 两 次 紧急 制 动下 的三 维 瞬态 温 度 场和 应 力 场 。结 果 表 明 ，采 用移 动 热 源法 计 算 的车 轮 温度 场 分 布更 接
Ｔｅ ｍｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ Ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ Ｆｉ ｅ ｌ ｄ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ Ｗ ｈ ｅ ｅ ｌ Ｔｒ ｅ ａ ｄ Ｂｒ ａ ｋｉ ｎ ｇ Ｐｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ Ｕｓ ｉ ｎ ｇ Ｄｉ ｆｅ ｒ ｅ ｎ ｔ Ｈｅ ａ ｔ Ｆｌ ｕ ｘ Ｌｏ ａ ｄ ｉ ｎｇ Ｍｏ ｄ ｅ ｓ
紧急制动下重载货车车轮温度场和应力场分析
紧急制动下重载货车车轮温度场和应力场分析本文研究了25吨轴重的重载货车在紧急制动条件下车轮的瞬态温度和应力变化情况，建立了HESA型货车车轮的三维有限元模型，分析了货车车轮的温度场和应力场。
通过踏面部分加载热流密度，整体车轮加载对流换热、热辐射，得到了紧急制动过程中踏面的温度和应力的变化趋势，同时得到了车轮整体最高温度、最高应力及其各自出现的时间，为车轮的使用寿命和疲劳分析提供了理论基础。
标签：铁路货车；紧急制动；车轮；温度场；应力场车轮是铁路货车走行部的重要组成部件之一，它不但承受着货车的自重与载重，而且还与钢轨、闸瓦及环境介质有着非常复杂的作用，承受着极其复杂的应力和踏面制动所产生的热负荷[1-3]。
随着货物列车的提速和轴重的增加，特别是25t轴重的货车车轮的服役运行和货车运行速度达到120km/h，列车的动能也会急剧上升。
由此，依靠闸瓦和车轮踏面的机械摩擦来实现制动，必然在车轮踏面部位产生大量的热量，这种热载荷和机械载荷的联合作用，将使得货车车轮踏面受到较为严重的破坏[4]。
因此，对于货车车轮在踏面制动情况下的温度场和应力场进行深入研究具有重要的经济价值和理论意义。
有学者曾经对货车车轮热损伤问题进行了研究，并对21t和23t轴重车轮的温度场和热应力场进行了模拟计算。
王京波曾使用有限元分析软件MARC建立快速货车车轮二维有限元模型，并分别用数值方法和实验方法研究合成闸瓦对车轮的热影响[5]。
刘云曾对提速货车车轮的温度场及热应力场进行了数值模拟，但其模型为二维模型，且只考虑了热传导[6]。
侯耐在2011年曾对重载货车踏面制动热负荷进行了分析研究，对紧急制动工况和长大下坡道制动工况下的温度场以及热应力场进行了模拟[7]。
等等。
本文从我国铁道车辆的实际情况出发，选取了转K6转向架所使用的HESA 型辗钢车轮进行建模，全面考虑了现今铁路货车不断向“高速重载”发展的趋势。
通过实际紧急制动过程的模拟分析，得到了车轮所承受的机械载荷和热载荷，为车轮的疲劳分析提供了理论依据，有利于预防车轮损害，增长车轮使用寿命，减少经济损失。
高速动车组车轴的温度场分布及其热应力分析
高速动车组车轴的温度场分布及其热应力分析一、引言高速动车组作为现代铁路交通的重要组成部分，其重要部件之一就是车轴。
车轴在高速行驶过程中会受到较大的温度变化和热应力的影响，因此对车轴的温度场分布以及热应力进行分析是非常重要的。
本文旨在通过对高速动车组车轴的温度场分布和热应力的分析，为相关工程设计和实际运行提供一定的参考。
二、高速动车组车轴的温度场分布1. 温度场分布的影响因素高速动车组车轴的温度场分布受到许多因素的影响，主要包括列车行驶速度、列车负载、车轴材料、环境温度等。
列车行驶速度越高，摩擦热量就越大，车轴的温度就越高。
而列车负载越大，车轴受到的应力就越大，从而对温度场分布产生影响。
此外，车轴材料的导热性能以及环境温度也会对温度场分布产生一定的影响。
2. 温度场分布的特点高速动车组车轴的温度场分布呈现出一定的规律性。
通常情况下，车轴温度从车轮辐射侧向车轴中心逐渐上升，再从车轴中心向车轮另一侧逐渐下降。
这是因为车轮传导辐射热量到车轴上，导致温度场分布呈现出这样的变化。
三、高速动车组车轴的热应力分析1. 热应力的来源高速动车组车轴的热应力主要来源于温度差异造成的热应变。
当车轴由低温区域向高温区域传导热量时，车轴会发生热膨胀，从而产生热应力。
此外，由于车轴结构的不均匀性，不同部位的温度差异也会导致局部的热应力。
2. 热应力的分布特点高速动车组车轴的热应力分布通常呈现出两个特点。
首先，热应力沿车轴轴向呈现出非线性变化的趋势。
即车轴的两端和中间部位的热应力大小不同。
其次，热应力沿着车轴横向呈现出集中分布的趋势。
这是由于车轮辐射热量主要传导到车轴上，导致车轴表面热应力集中在车轮的接触面附近。
四、高速动车组车轴温度场分布与热应力的关系车轴的温度场分布直接影响着热应力的大小和分布。
一方面，车轴温度场分布的不均匀性会导致局部热应力的不均匀分布。
另一方面，温度场分布的大小也会影响热应力的大小。
当温度差异较大时，车轴产生的热应力也会相应增大。
热锻模温度场、应力场模拟及优化
时长设为２ｓ［３４ｊ５硐。
引用资料Ｉ邶ｌ的结论：锻件的热量传给上模很少，它损失的热量大部分传给了下模，下模的工况恶劣程度远远超过上模，而且实践证明，下模的寿命远低于上模，故只需将下模做为分析研究对象。
图３．５工件与模具的模型图３．３第一次工作循环时的温度场如图３－６所示为第一次锻靠阶段开始时的温度场。
可以看出，此时工件和模具的温度基本没有变化，模具的温度为３００℃，工件的温度为１１００℃。
锻压过程开始前，工件仅和下模很少的部分接触，仅存在工件和模具与空气之问的热量交换，并且持续时间也较短，所以温度变化不大。
图３．７为第一次锻靠过程结束后的温度场。
从图中可以看出，由于持续时间很短，此时锻模的温度变化也不是很明显，锻模大部分区域的温度仍然没有受到影响。
从图中基本看不到锻模温度的变化．下模局部放大的云图可以较为清武汉理工大学硕士学位论文晰的看出金属变形过程结束后的温度场，如图３．８所示。
由图可看出，此时仅模膛表面层和近表面层发生了温度变化，模具其它部分的温度基本没有发生变化，基本保持锻模开式的预热温度。
如果将模膛近表面层温度发生变化的区域叫做温度变动区，而将模具上温度没有发生变化的区域叫做温度稳定区，则终锻模第一次工作循环锻靠阶段完成时的温度场具有以下一些特点：３－６第一次锻压开始时的温度场３－７第一次锻压过程结束时的温度场图３－８第一次锻靠后下模温度场图３－９第二次锻靠后下模温度场１）温度变动区是由模膛表面及近表面构成，此时温度变动范围最小，温度稳定区范围最大。
２）在温度变动区，模膛表面温度最高，从表面向远离表面方向温度急剧降低，表层与近表层的温度梯度很大。
模膛表面上温度最高点为模膛表面的Ｂ点。
航空发动机双辐板涡轮盘温度场与应力场分析
航空发动机双辐板涡轮盘温度场与应力场分析金琰;郝艳华;黄致建【摘要】基于ANSYS软件，研究了双辐板涡轮盘的温度场和应力场，通过划分各个区域的换热模型，较精确地计算了温度分布，再通过间接热－结构耦合计算出双辐板涡轮盘的应力分布．结果表明，双辐板涡轮盘最大平均径向应力、最大平均周向应力、盘心平均周向应力分别为702．35 MPa，679．68 MPa和880．98 MPa，不仅可满足规范设计要求的安全系数，还远小于材料的屈服强度1070 MPa，其结构完全满足了强度要求，并具有很大的发展空间．%The temperature field and stress field of the twin-web turbine were studied based on the ANSYS. Through dividing different parts of the turbine disk into different heat transfer model,the temperature field distribution was accurately calculated.And then the stress field distribution of the twin-web turbine disk was calculated by using the method of the indirect heat-structure coupling.The results showed that the maximum average radial stress,the maximum average circumferential stress and the average circumferential stress of plate heart were 702.35 MPa,679.68 MPa and 880.98 MPa,respectively.It not only met the re-quirement of the safety sactor,but also was less than the value of the yield strength,1 070 MPa.So the structure completely met the requirements of strength,and had the large development potential.【期刊名称】《郑州轻工业学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)001【总页数】4页(P81-84)【关键词】航空发动机;双辐板涡轮盘;换热边界;温度场;应力分布【作者】金琰;郝艳华;黄致建【作者单位】华侨大学机电及自动化学院，福建厦门 361021;华侨大学机电及自动化学院，福建厦门 361021;华侨大学机电及自动化学院，福建厦门 361021【正文语种】中文【中图分类】V232.3涡轮是航空发动机核心部件之一，主要作用是为发动机提供动力，由于它一直处于高温、高转速的恶劣工作环境，其可靠性直接关系到发动机的性能和寿命[1].双辐板涡轮盘是一种新型涡轮盘结构，仅有很少的文献报道其相较于传统的单辐板涡轮盘，可以提高转速和减轻质量[2].涡轮盘在工作时主要受到温度载荷和离心载荷的作用，为了得到涡轮盘的温度载荷，需精确地计算涡轮盘的温度场，但目前鲜有文献对此进行研究，文献[3]对空心盘的换热做了研究，具有借鉴作用.准确地计算双辐板涡轮盘温度场不仅可以为其结构强度分析和寿命估算提供可靠的数据，还可以根据温度分布来改进其结构以达到更好的散热效果.本文拟研究双辐板涡轮盘的温度场与应力场，针对不同部位给出不同的换热模型，并分别计算涡轮盘不同部位的温度分布，把获得的换热系数应用于涡轮盘的有限元分析，以说明双辐板涡轮盘这种结构在降低质量方面具有很大优势.对于各项同性及无内热源的结构体，二维轴对称稳态热传导方程可表示为[4]式中,T为温度场函数；kr，kz为结构体导热系数;r，z分别为结构体的径向方向和轴向方向.涡轮盘与周围流体的换热按第三类边界条件来考虑，在盘面温度Tw，周围流体温度Tf及盘面和周围流体的对流换热系数h已知的情况下，边界条件表示为式中，k为结构体导热系数，n为结构体与流体接触边界的外法线方向.由于双辐板涡轮盘是一个回转体，在不考虑其安装边和一些通孔的情况下，可以简化为二维轴对称模型来分析.温度场计算采用PLANE77单元，对应的应力场计算采用PLANE82单元，都是四边形八节点单元.划分网格后的模型如图1所示，共生成846个单元和2 821个节点.双辐板涡轮盘在工作状态时，盘缘受到来自叶片的热传导，盘的侧面和盘腔与压气机出来的高压冷却气体进行对流换热.根据结构特点和换热机理，将双辐板涡轮盘划分为有外部供气的转静系、自由盘和旋转盘腔.双辐板涡轮盘各个区域的换热模型如图2所示.3.1 有外部供气的转静系模型为了使涡轮盘更安全可靠地工作，一般是提供一定数量的冷气对其进行冷却.这些冷气有两个作用：一是冷却涡轮盘，二是阻止高温燃气从转静结合处侵入腔内.有外部供气的转静系努赛尔数[5]为其中，为转静系努赛尔数，为自由盘努赛尔数，r0和rin为盘的半径和进气口半径,Cw为进气系数，Rew为旋转雷诺数.3.2 自由盘模型理想的自由盘模型是指轮盘周围的空气是静止的，轮盘与周围空气之间只有旋转引起的相对运动，且周围空间无限大.发动机涡轮盘中有些地方属于这种情况，自由盘的努赛尔数为[5]其中,n为盘温度分布的系数,Rew为旋转雷诺数，Pr为普特数.3.3 旋转盘腔模型对于轴向贯通流的旋转腔，中心射流在腔内产生诱导性涡环，其强度随进气流速的增加而增大，随转速的增加而减小.所研究的涡轮盘因为转速很大，浮升力起主导作用，所以呈自然对流状态，其努赛尔数为[5]其中，Gwr为旋转格拉晓夫数.3.4 外缘与叶片根部的换热系数外缘与叶片根部的换热系数，通过转换可以换算成外缘与热流之间的第三类边界条件[6].将热流和涡轮盘外缘之间建立直接的等效换热关系,等效的第三类边界条件为式中，he为等效对流换热系数,Tw和Tg分别为盘外缘温度和热流温度.4.1 材料参数双辐板涡轮盘采用的是GH4169合金，材料属性如表1所示.4.2 温度场计算结果进入ANSYS热分析模块，加上边界条件和载荷计算出的双辐板涡轮盘温度场分布情况如图3所示.由图3可以看出，双辐板涡轮盘的温度按盘缘到盘心呈梯度分布，其最高温度在盘缘为600 ℃，在盘心为350 ℃.由于进气温度不同，左右两侧的辐板温度是不同的，同时根据涡轮盘结构特点，各个换热模型也是不同的，符合实际情况.计算完成的温度场会以节点温度的形式保存在一个文件中，用于强度分析. 4.3 应力场计算结果双辐板涡轮盘在工作状态中，受到温度载荷和离心载荷的作用[7].笔者采用间接热-结构耦合，双辐板涡轮盘采用1个轴向(即y向)约束，在两辐板之间的进气口还有轴向位移耦合，盘缘拉力为169 MPa，轮盘转速为13 000 r/min，计算出的应力分布如图4和图5所示.通过ANSYS软件的后处理方法得到双辐板涡轮盘的辐板最大平均径向应力、最大平均周向应力、盘心平均周向应力，如表2所示.其中圆柱截面辐板最大平均径向应力和最大平均周向应力是按一定的间距沿轮盘径向选取若干个截面，在每个截面上建立路径并按路径进行应力平均得到的[8].盘心平均周向应力是先选取盘心的所有单元,提取每个单元的周向应力，然后乘以各自的面积再除以所选单元的面积和得到的.规范设计要求的应力水平见表3.通过对照可知，双辐板涡轮盘的安全系数均大于规范设计要求的安全系数，说明双辐板涡轮盘满足了结构强度要求.本文结合航空发动机传热学相关知识，研究了双辐板涡轮盘的温度场和应力场，将涡轮盘划分成不同的区域，给出各个部分的换热模型并计算对流换热系数，再利用有限元分析软件ANSYS热分析模块对双辐板涡轮盘的温度分布进行数值模拟，最后计算在这种温度载荷下的应力分布情况.通过后处理的结果分析，可以看出双辐板涡轮盘最大平均径向应力、最大平均周向应力、盘心平均周向应力分别为702.35 MPa，679.68 MPa和880.98 MPa，不仅可满足规范设计要求的安全系数，还远小于材料的屈服强度1 070 MPa，说明其在降低质量方面具有很大的潜力.通过进一步的优化,相信可以达到更好的结构.这种方法可以应用于其他类似盘的研究.【相关文献】[1] 陈光.航空发动机结构设计分析[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.[2] 陆山,李伦未.航空发动机高负荷涡轮盘双辐板结构优化设计[J].推进技术,2011,32(5):35.[3] 赵熙，徐国强，罗翔.等重量空心盘冷气布置方案[J].北京航空航天大学学报,2009,35(5):527．[4] 龚曙光，黄云清.有限元分析与ANSYS APDL编程及高级应用[M].北京:机械工业出版社,2009.[5] 曹玉璋，陶智，徐国强,等.航空发动机传热学[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.[6] 张艳春,施丽铭.燃气轮机涡轮盘结构应力有限元分析[J].燃气轮机技术,2007,20(3):49.[7] 栾永先.双辐板涡轮盘结构强度分析[J].航空发动机,2012,8(4):42.[8] 李伦未，陆山.基于ANSYS的多辐板风扇盘结构优化设计技术[J].航空动力学报,2011,28(10):2246.。
辐板型式对车轮强度和声辐射性能影响的对比分析
辐板型式对车轮强度和声辐射性能影响的对比分析杨广雪;张燕;李强【摘要】为了对比不同的辐板型式对车轮强度和声辐射性能的影响，建立具有相同质量、轮毂轮辋结构的直辐板、曲线型辐板和波浪型辐板车轮进行分析。
建立三种车轮的数值计算模型，分析在直线、曲线和过道岔三种工况下三种车轮的机械应力场。
利用有限元模型结合大秦线实际运营情况计算三种车轮在长大坡道制动时的热应力场，并得到热机组合工况下的应力场。
通过模态计算和频率响应计算，将车轮外表面的位移响应处理成声学边界元输入，计算得出车轮的声辐射功率。
通过结果对比分析，得出三种车轮的强度性能和声辐射性能，为车轮设计中根据不同需求选择合理的车轮辐板型式提供参考。
%In order to investigate the effects of different web shapes on the strength and sound radiation of rail‐way wheels ,analysis was made on three kinds of wheels ,with straightplates ,curve plates and corragated plates ,with same quality ,same hub and rim structure .Firstly ,the numerical model for the three types of wheels was created to study the mechanical stress field of the three types of wheels when they run on tangent line ,curve and switch .Based on the actual operation of Datong‐Qinhuangdao r ailway line ,the finite element model was used to calculate the thermal von‐misses equivalent stresses under ramp breaking and the stress field under the thermos‐mechanical coupling condition was obtained .By calculating model and frequency responses of the wheels ,the displacement response of the outer surface of the wheel was processed as the acoustic bound‐ary element input to obtain the radiation sound power of the wheels .By comparing the resultsof analysis ,the strength characteristics and sound radiation characteristics of the three types of wheels were revealed ,which can provide a certain reference for the selection of the right w heel plates during w heel design .【期刊名称】《铁道学报》【年(卷),期】2016(038)012【总页数】7页(P34-40)【关键词】辐板型式;机械应力场;热应力场;辐射声功率【作者】杨广雪;张燕;李强【作者单位】北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044;北京交通大学机械与电子控制工程学院，北京 100044【正文语种】中文【中图分类】U260.3311;U270.16随着高速铁路和重载运输技术的迅速发展，车辆的可靠性和声辐射性能备受关注。
不同地铁车轮结构几何参数下踏面制动热负荷分析
不同地铁车轮结构几何参数下踏面制动热负荷分析摘要：针对频繁踏面制动产生的热负荷易导致地铁车轮损伤失效的问题，从制动热负荷分析的角度研究车轮设计.采用有限元法建立地铁车轮的踏面制动热负荷分析的数值模型，分析闸瓦宽度、轮辋厚度和辐板形式等结构参数对车轮的三维瞬态温度场及热应力场的影响，提出基于较小制动热负荷的车轮结构几何参数设计建议.关键词：地铁；车轮；闸瓦宽度；辐板形式；运营模拟；有限元；温度场；应力场中图分类号：U270.2；TH117.1文献标志码： BAbstract：The thermal load generated by frequent tread braking is the main factor resulting in the damage failure of subway train wheel，it is necessary to study the wheel design by analyzing braking thermal load. A numerical model is built for the subway train wheel tread braking thermal load analysis using finite element method. The effect of brake-shoe width，rim thickness and web shape on the 3D transient thermal field and thermal stress field of the wheel is studied. The suggestions about the geometric parameter design of wheel structure areproposed on the basis of the smaller thermal load.Key words：subway；wheel；brake-shoe width；web shape；operation simulation；finite element；thermal field；stress field0 引言近年来我国各大中城市都在大力推进地铁建设.由于地铁车站多且站间距短，所以制动频繁，制动时的对流换热时间相对较短，若车辆的制动方式和车轮结构不合适，则车轮受力不利，容易萌生裂纹，直接威胁行车安全.因此，有必要对各种地铁车辆的车轮进行制动热负荷研究.对轨道车辆由于制动热负荷引起的车轮损伤的研究有很多.张萌[1]指出地铁车辆车轮的常见失效形式，其中车轮踏面的疲劳裂纹和热裂纹由踏面制动热负荷引起.针对此类问题，国内外很多学者对各类型车辆车轮、制动盘和闸瓦等进行制动热分析和仿真，模拟实际工况，分析制动后各自的温度场和应力场变化规律，以预防或减缓车轮失效.在货车方面，李金良等[2]考虑车轮在热处理时辐板的残余应力，对比分析车轮在制动时以及制动结束时辐板承受的热应力和残余应力.LONSDALE[3]研究手制动作用于车轮不同闸瓦位置对车轮温度场的影响，提出直辐板和未经过热处理的车轮应尽早替换的建议.在高速列车方面，马大炜[4]根据不同的制动能力，分析踏面制动方式和盘形制动方式的速度适用范围，给出重载、高速铁道车辆的有关制动热负荷的设计限界.周素霞等[5]研究高速列车制动盘，发现相对于紧急制动和常用制动的温升过程，坡道制动的温升要缓慢些.赵海燕等[6]研究表明均布制动载荷方式不利于闸片的均匀磨耗，制动盘内的瞬时温度梯度变化速率具有基于环境温差的整体平移性.从目前的研究来看，对货车车轮以及高速列车制动盘的热负荷分析较多，针对地铁车轮的热负荷分析较少.本文通过建立地铁列车踏面制动车轮热负荷分析有限元模型，研究计算采用不同车轮结构几何参数时的车轮热负荷，以期为地铁车轮的优化设计提供依据.1 车轮踏面制动热分析数值模型1.1 有限元模型以某地铁原型车轮为例，利用ANSYS有限元软件建立车轮三维有限元模型，见图1.由于车轮与闸瓦在车轮踏面上摩擦生热，对轮毂与车轴连接处的传热影响不明显，所以车轮轮毂内侧面与车轴采用共节点的方式连接.车轮制动能量通过摩擦接触生热耗散，在车轮的传热过程中，闸瓦与车轮踏面的摩擦接触宽度、轮辋的厚度和辐板的形式都对传热有不同程度的影响，因此需要建立不同结构形式的车轮模型.轮辋厚度85 mm的S型辐板车轮三维有限元模型见图1，由91 360个单元、100 960个节点组成.采用顺序耦合法计算车轮的热应力场.首先采用具有3个方向热传导能力的三维实体热单元SOLID70建立车轮三维温度场有限元模型，进行制动瞬态热分析；得到每个节点的温度值后，将SOLID70单元转化成三维固体结构单元SOLID185，建立结构有限元模型，将所得的节点温度作为载荷施加在模型上，即可仿真得到车轮热应力场.在进行热应力仿真时对车轴轴端进行位移约束.1.2 边界条件在车辆制动时，与闸瓦接触有热流输入的边界为热传导问题的第二类边界条件，除车轴和有热流输入的边界以外的车轮其他表面全部为热传导问题的第三类边界条件.在车辆非制动时，除车轴以外的车轮所有表面为热传导问题的第三类边界条件.计算踏面的热流密度值采用能量转换算法，制动产生的热能由车辆的动能转换而来，所以制动时闸瓦和车轮踏面摩擦产生的能量2 计算结果和分析2.1 闸瓦宽度的影响我国地铁车辆闸瓦常用宽度有80和86 mm.为研究闸瓦宽度的影响规律，另外再选取一种闸瓦宽度74 mm.车辆最高行驶速度为80 km/h，紧急制动加速度为-1.4 m/s2，常用制动加速度为-1.2 m/s2，列车加速的加速度为1.3 m/s2.首先计算车辆连续2次紧急制动，计算后取车轮上最高温度节点，其温度时间历程见图2.列车刚制动后车轮踏面在短时间内快速升温；达到一定温度后，由于车轮向内部传热以及与空气的对流传热，使得车轮踏面的表面温度得到较缓的暂时性降低；当再次制动时，车轮温度又迅速上升.由于是连续2次紧急制动，分别出现2个制动温度峰值，制动热量来不及在短时间内大量散发，车轮最高温度再次升高.当闸瓦宽度变大时，即车轮踏面与闸瓦接触的宽度加大，两者受热面积变大，车轮最高温度节点的温度随之降低.对于3种不同闸瓦宽度，车轮制动踏面的最高温度和最低温度出现的时间均一致，只是温度值大小有所不同.闸瓦宽度分别为74，80和86 mm时，2次紧急制动最高温度分别约为314，293和276 ℃；闸瓦摩擦宽度越大，车轮踏面的最高温度降低越明显.对于地铁车辆的热负荷计算，通常需要进行地铁线路全程运营制动条件下的模拟.闸瓦宽度分别为74，80和86 mm 时车轮在某地铁线6站往返运营的车轮踏面最高温度节点的时间历程见图3.在车辆全程往返运营过程中，车轮温度峰值随制动次数增加而升高，但当2个车站距离较长或在中间站停留时间较长时，空气对流换热作用明显，例如图3中的第6次制动，由于中间折返停留时间较长，车轮踏面的最高温度值下降.同样，在全程往返制动过程中，车轮最高温度随闸瓦宽度的加大而降低，但出现最高和最低温度的时间是一致的.全程往返运营制动条件下74，80和86 mm闸瓦宽度的车轮踏面最高温度分别约为348，319和304 ℃；与连续2次紧急制动相比，温升的变化幅度变动不大.为描述闸瓦宽度对车轮表面温度的影响，给出在连续2次紧急制动时最高温度时刻车轮踏面表面横向方向的节点温度值（见图4）.闸瓦宽度为74 mm时的车轮踏面表面节点温度值比另外2种配合偏高.从车轮外侧到轮缘内侧的横向方向，车轮表面节点温度值逐渐降低，这是由于车轮轮缘的较大厚度起到一定的导热作用，使得靠近车轮轮缘侧的车轮踏面温度降低较快.与宽度为80和86 mm闸瓦配合时，在车轮踏面表面均与闸瓦接触的区域，80 mm宽度闸瓦对应的车轮踏面始终温度较高，而与80 mm宽度闸瓦相比，86 mm宽度闸瓦的车轮表面受热面积大，受热相对分散，所以整体温度不高.为描述闸瓦宽度对车轮径向方向温度值的影响，给出最高温度时刻在踏面表面以下车轮沿径向方向20 mm内的节点温度分布（见图5）.与74 mm宽度闸瓦配合的车轮径向方向节点温度值均明显高于其他2种宽度闸瓦配合的温度值；80与86 mm宽度闸瓦配合的径向温度值较接近，但越远离车轮表面，两者的温差值越小，且与86 mm宽度闸瓦配合的车轮表面节点温度值始终较小.与74 mm宽度闸瓦配合的车轮踏面表面节点等效应力值明显较高.从车轮外侧到车轮轮缘内侧的横向方向上，节点的应力值逐渐变大，这是由于当热量传递到车轮轮缘时，轮缘的较大厚度使之与车轮踏面的高温形成一定的温度差，产生相对较大的应力值.另外，在闸瓦宽度较宽时，应力值分布较均匀.综合比较温度值与应力值，车轮闸瓦宽度设计时在80～86 mm内取值较为合适.2.2 轮辋厚度的影响车轮轮辋厚度分别取85和45 mm，车轮轮辋宽度为135 mm，闸瓦宽度为80 mm，其他参数见前文.2种轮辋厚度车轮连续2次紧急制动时的温度历程曲线见图7.轮辋厚度45 mm的车轮的最高温度比轮辋厚度85 mm 的车轮高，而且第2次紧急制动时两者温差加大.第2次制动时，轮辋厚度85 mm的车轮的温度峰值约为270 ℃，轮辋厚度45 mm的车轮的温度峰值为293 ℃.轮辋厚度对车轮的温度场和应力场影响较明显.轮辋厚度较小车轮的温升范围几乎占据整个轮辋，而轮辋厚度较大车轮的温升范围还不到整个轮辋截面的1/2.在轮辋厚度较小车轮的应力场中，由于热量传递较快，车轮的辐板与轮毂交接的外圆角处出现较大的热应力.由于轮辋厚度较小车轮踏面的热量不及轮辋厚度较大车轮扩散得快，踏面的热应力最大值也比轮辋厚度较大车轮的大.由此可知：较大的车轮轮辋厚度对车轮热负荷的散热作用明显，所以在考虑车轮热负荷时，对车轮轮辋厚度的设计最好选用厚度较大的轮辋，对磨耗到限的车轮应及时更换.2.3 辐板形式的影响地铁车轮辐板有3种常用形式：直辐板、S型辐板和双S型辐板.由于紧急制动的时间较短，热量扩散时间相对较短，所以对辐板状态的影响相对较小.计算3种辐板形式车轮模拟地铁线6站往返运营过程，最高温度时刻车轮温度历程曲线见图10.不同辐板形式的车轮在此过程中温度最大值相差不大.不同辐板形式车轮的温度场分布几乎相同，见图11.这是由于车轮的热量主要集中在轮辋处来不及扩散，车轮辐板的温度仍为环境温度，所以3种形式车轮温度分布的差异不大.由于车轮辐板易产生周向裂纹，此种裂纹主要由辐板受到径向热应力所致[10]，所以有必要分析这3种不同形式的辐板最高温度时刻的径向应力场.3种辐板形式车轮全程运营制动条件下最高温度时刻车轮的径向应力场见图12.3种辐板形式的车轮最大压应力均在车轮踏面上，拉应力的最大值所在位置却不同：直辐板车轮的最大径向拉应力发生在车轮辐板的大部分位置；S型辐板车轮的最大径向拉应力位于辐板与轮毂交接的外圆角处以及辐板与轮辋交接的内圆角处；双S型辐板的最大径向拉应力发生在辐板与轮辋和轮毂交接的外圆角处，以及辐板中部的内圆角处.从整体来看，直辐板车轮的辐板处所受最大拉力的分布范围最广，这是由于直辐板形状直接导致辐板间的应力大部分向一个方向的传递，应力值较大且均匀.对于双S型辐板的情况来说则相反，双S型设计加大了车轮的径向弹性，并且双S型辐板的形状使得车轮辐板间传递拉应力时，应力方向不如直辐板形式一致，不同的拉应力方向可以自己相互抵消一部分应力，但是在圆角处应力均指向圆角一处产生应力集中，导致双S型辐板在圆角处的应力值明显变大，所以与直辐板相比更容易在局部圆角处出现裂纹.S型辐板中和前2种辐板形式的特点，其车轮的整体拉应力值不太高，但是辐板与轮毂交接处的外圆角最大拉应力分布范围稍大.所以，如果对车轮其他设计无明显要求时，选择S型辐板可以降低车轮产生热裂纹的几率. 3 结论建立地铁踏面制动车轮热负荷分析有限元模型，仿真分析闸瓦宽度、轮辋厚度和辐板形式等结构参数对地铁车轮的三维瞬态温度场及热应力场的影响，计算结果表明：闸瓦宽度对车轮制动热负荷影响较大，闸瓦宽度越大车轮制动温升和热应力降低的幅度越大；较大的轮辋厚度有利于车轮制动的散热；与直辐板和双S型辐板2种形式相比，S型辐板全程制动后的热拉应力较小，因而其产生热裂纹的几率较小.因此，进行地铁车轮结构设计时，在考虑制动系统及运营条件的基础上，应尽量选取80 mm以上的闸瓦宽度，较大的轮辋厚度以及S型辐板的车轮结构.参考文献：[1] 张萌. 北京地铁车辆车轮常见失效类型及其对策[J]. 铁道机车车辆，2013（3）：81-84.ZHANG M. Common failure types and its countermeasures of the wheel for Beijing metro vehicles[J]. Railway Locomotive & Car，2013（3）：81-84.[2] 李金良，肖楠，谢基龙. 重载货车车轮踏面制动辐板热应力分析[J]. 机械工程学报，2012，48（12）：133-138.LI J L，XIAO N，XIE J L. Thermal stress analysis of the heavy-haul freight car’s wheel web plate under wheel tread braking[J]. Journal of Mechanical Engineering，2012，48（12）：133-138.[3] LONSDALE C. 重载货车车轮热负荷问题的探讨[J]. 国外铁道车辆，2005，42（6）：32-37.LONSDALE C. Wheel thermal loading issues for heavy haul freight cars[J]. Foreign Rolling Stock，2005，42（6）：32-37.[4] 马大炜. 货车车轮热负荷的研究[J]. 铁道机车车辆，1999（5）：1-4.MA D W. Research on wheel heat load of freight car[J]. Railway Locomotive & Car，1999（5）：1-4.[5] 周素霞，杨月，谢基龙. 高速列车制动盘瞬态温度和热应力分布仿真分析[J]. 机械工程学报，2011，47（22）：126-131.ZHOU S X，YANG Y，XIE J L. Analysis of transient temperature and thermal stress distribution on the high-speed strain brake disk by simulation[J]. Journal of Mechanical Engineering，2011，47（22）：126-131.[6] 赵海燕，张海泉，汤晓华，等. 快速列车盘型制动热过程有限元分析[J]. 清华大学学报（自然科学版），2005，45（5）：589-592.ZHAO H Y，ZHANG H Q，TANG X H，et al. Thermal FEM analysis of passenger railway car brake discs[J]. Journal of Tsinghua University（Science and Technology），2005，45（5）：589-592.[7] NEWCOMB T P. Thermal aspects of railway braking[C] // Proceedings of the IMECHE International Conference on Railway Braking. New York：Mechanical Engineering Publications Limited，1979：7-18.[8] BALAKIN V A. Heat transfer in friction contact zone at engagement of disc clutches and brakes[J]. Journal of Friction and Wear，1997，18（4）：450-455.[9] 贾世平. 地铁车辆转向架制动动态温升特性研究[D]. 上海：同济大学，2007.[10] 肖楠，谢基龙，周素霞. 地铁车轮踏面制动疲劳强度评价方法及应用[J]. 工程力学，2010，27（9）：234-239.XIAO N，XIE J L，ZHOU S X. Method to assess fatigue strength of tread braking of metro vehicle wheel and its application[J]. Engineering Mechanics，2010，27（9）：234-239.（编辑武晓英）。
轿车子午线轮胎结构设计及温度场有限元分析毕设开题报告
7、建立三维模型ansys温度场分析
（1）建立有限元模型
（2）施加载荷计算
（3）后处理
（4）提出优化方案
四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明
[1].庄继德.现代轮胎技术 .[M]北京理工大学出版社 2001-03.
[2].庄继德.汽车轮胎学.[M].北京理工大学出版社 1996-02.
②确定技术性能
轮胎类型、规格、层级、帘布层数及胎面花纹型式；最大负荷和相应内压；轮辋规格、尺寸及轮廓曲线；充气外胎外缘尺寸等。
（2）确定骨架材料
①轮胎负荷能力计算
②轮廓设计主要结构参数的选取：模型外直径D和断面宽B的确定；断面水平轴位置确定；行驶面宽度b和弧度高h的确定。
4、胎圈间距的选取
5、 断面高与断面宽之比
（4）轮胎技术可以通过采用从这些纳米级技术到轮胎大小尺寸的复合材料的分层结构来满足各种性能要求，改善性能磨耗滚动阻力、乘坐舒适性、耐磨性等
3、研究方法
（1）有限元法（Finite Element Method）在轮胎设计中的应用
有限元法（finite element method）是一种高效能、常用的数值计算方法。科学计算领域，常常需要求解各类微分方程，而许多微分方程的解析解一般很难得到，使用有限元法将微分方程离散化后，可以编制程序，使用计算机辅助求解。有限元法在早期是以变分原理为基础发展起来的，所以它广泛地应用于以拉普拉斯方程和泊松方程所描述的各类物理场中（这类场与泛函的极值问题有着紧密的联系）。自从1969年以来，某些学者在流体力学中应用加权余数法中的迦辽金法(Galerkin)或最小二乘法等同样获得了有限元方程，因而有限元法可应用于以任何微分方程所描述的各类物理场中，而不再要求这类物理场和泛函的极值问题有所联系。基本思想：由解给定的泊松方程化为求解泛函的极值问题。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
向单 位 向量 ； ａ为 对 流换 热 系数 ， ｗ／ （ ｍ ・ Ｋ） ； ｅ 为 辐射 换热 系数 ， ｗ／ （ ｍ ・ Ｋ） ； 为斯蒂芬 一波尔兹曼常数 ，
ｗ／ （ ｍ ・Ｋ ） 。
大秦线 铁 路 地 形 复 杂 ， 长 大 坡 道 是 其 最 突 出 的 特 点， 在 Ｋ１ ４ ３ ～Ｋ１ ９ ０之 间有平 均坡 度 为 一８ ． ２ ％ ｏ 的坡道 ，
由于 车轮 与车轴 和钢轨 接触 面 的要求 ， 踏 面 和轮 毂
的设计 是几 乎不 变 的 ， 而轮辋 厚度 是 由车 轮踏 面 的磨 耗 量决 定 的 ， 所 以整体辗 钢车 轮合 理 的结 构 方案 通 常都 是 采用 不 同的辐 板 形状 或 改 变 几何 尺 寸 作 为 突 破 口。现
在仿 真计算 中， 模拟 ＨＸ。 １ ＋１万 ｔ 货 车 ＋ ＨＸ ｏ ２ ＋ １万 ｔ 货 车 的重 载 组 合［ ３ ］ ， ２ ５ ｔ 轴重货车 ， 开 启 机 车 动 力 制
动， 利 用列 车空 气 制动 系 统 循 环制 动 进 行 调 速 ， 列 车 管 减压 量为 ５ ０ ｋ Ｐ ａ ｌ ４ ］ ， 速 度控 制在 ４ Ｏ ～８ ０ ｋ ｍ／ ｈ之 间 ， 车
车 轮制动 时 ， 忽 略轮 轨 摩 擦 ， 其 初 始 温 度 为 环境 温 度， 通过 闸瓦 与踏 面 的摩 擦 ， 产 生大 量 的热 ， 车 轮温 度 上 升， 其表 面及 内部发 生传 导 、 对 流 和辐射 换 热 ， 其边 界 条 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ件 如下 确定 ：
制 动初始 时 间温度
Ｔ（ ， Ｙ， ）一 Ｔ０ （ ２ ）
所示 。假 设热量 在 车轮踏 面上 均匀 输入 ， 则 热 负荷 是轴 对称 的 ， 因此建 立 了 １ ／ ２车 轮 模 型 进行 计 算 ， 同 时模 型 考 虑 了轮轴之 间 的过盈 配合 。车轮 热 量 输 出不 仅 考 虑
了对流 ， 还考 虑 了热辐射 。 １ ． ２ 边 界 条件 的确定 １ ． ２ ． １ 热量 输入
轮材 料选 择为 Ｃ Ｌ ６ ０钢 。
１ 温 度 场 分 析
车轮 瞬态温 度场 可视 为无 内热 源三 维温 度 场 ， 其 各
相 同的情况 下 ， 确保 车 轮 的 热应 力 水 平 较 低 ， 从 而 保 证
其工 作能力 。
式中 Ｉ Ｄ 为 密度 ， ｋ ｇ ／ ｍ。 ； Ｃ 为 比热 容 ， Ｊ ／ （ ｋ ｇ・Ｋ） ； Ｔ 为 温
度， Ｋ； ｔ 为时间， ｓ ； 为导热 系数 ， ｗ／ （ ｍ・ Ｋ） 。
文献标志码 ： Ａ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ａ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ８ —７ ８ ４ ２ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ２ ． １ ６ 中图 分 类 号 ： Ｕ２ ７ ０ ． ３ ３ １ １
为提高运 营 中轮对 的使用 可靠 性 和疲 劳 寿命 ， 确 定 整体辗 钢车 轮 的合 理 几 何 形 状 是 其 中一 个 方 向＿ １ ］ 。在
在 Ｋ２ ７ ５ ～Ｋ３ ２ ５之 间 有平 均 坡 度 为 一９ ． １ ‰ 的坡 道 ｌ ２ ］ 。
１ ． １ 有 限元 计算模 型 分别 对 ５ 种 不 同辐板 车轮 ＿ ５ 新 轮进 行计 算 ， 车 轮直 径 均为 ８ ４ ０ ｍｍ， 辐 板厚度 均在 １ ９ ￣２ ５ ｍｍ 之间 ， 如图 １
今全 球铁 道 车 辆 采 用 了 多种 的 辐 板 类 型 ， 比如 俄 罗 斯 ＧＯ Ｓ Ｔ ９ ０ ３ ６中有详 细 的 车 轮 外形 图 样 和 尺 寸 ， 其 辐 板 形状 为斜 直形 辐 板 ； 国 际铁 路 联 盟 ＵＩ Ｃ标 准 规 定 的标 准 车轮 为波形 辐板 。 近些 年我 国不 断提 高铁路运 输 能力 ， 货 物列 车 的速 度 和轴 重都有 所增加 ， 但 是重载 货 车仍采 用 踏 面制 动 的 方式， 因此 闸瓦 和踏 面摩 擦 产 生 的热量 会 增 加 ， 车轮 承
不 同辐板 车轮温 度 场 与应 力 场分 析
查 泉波 ， 米彩 盈 ， 许东 日
（ 西 南交通 大学 机械 工程 学 院，四川成 都 ６ １ ０ ０ ３ １ ）
摘 要 分 析 了 ５ 种 不 同形 状 辐 板 重 载 货 车 车轮 在 长 大坡 道 中进 行 循 环 制 动 的温 度 场 和应 力 场 。运 用 ＡＮＳ Ｙ Ｓ分 别 仿 真 ５种 不 同 形状 辐板 车轮 仅 受 温 度 场 载 荷 的应 力 场 ， 仅 受 机 械 载 荷 的应 力 场 和 前 面 两 者 叠 加 情 况 的 应 力 场 ， 并 比较 计 算 结 果 。 分 析结 果 表 明在 这 ３ 种情况 中， Ｓ形 辐 板 车 轮 综 合 能 力 最 好 。 关键词 不同辐板 ； 重 载 货 车 ；温度 场 ； 应 力 场
踏 面摩擦 部 分
Ｉ ｒ
—
一 ｑ （ ￡ ）
ｏ
（ ３ ）
全 部换 热界 面
２ １ １
Ｃ Ｊ ． ｔ
一
— ａ （ Ｔ — Ｔｏ ）＋ （ — Ｔ ）
（ ４ ）
口
式中 Ｔ 。 为环 境 温度 ； ｑ为 热流 密度 ， ｗ／ ｍ。 ； ｎ为 界 面法
受 的热 负荷也 会 有 所 增加 。对不 同辐 板 车 轮 进行 热 分 析， 比较不 同几何 形 状 车 轮相 应 的热应 力结 果 ， 有 利 于
第３ ５ 卷第 ２ 期
２ ０ １ ５年 ４月
铁 道 机 车 车 辆
ＲＡＩ Ｌ Ｗ ＡＹ Ｌ０Ｃ０Ｍ ＯＴＩ ＶＥ ８ 乙Ｃ ＡＲ
Ｖ０ ｌ ＿ ３ ５ Ｎｏ ． ２
Ａ ｐｒ ． ２ ０１ ５
文章 编号 ： １ ０ ０ ８ —７ ８ ４ ２（ ２ ０ １ ５ ） ０ ２ —０ ０ ６ ６ —０ ６