UM Wheel/Rail Wear

UM Wheel/Rail Wear

istory 模块简介



Simulation of wheel wear in curve R = 400 m. Click to play animation.　　UM Wheel/Rail模块用于铁路车辆轮轨磨耗仿真预测[1]。

　　轮轨型面磨耗一直是铁路行业的一个重要科研课题。近年来，UM实验室针对此课题利用数值计算方法开展了大量研究工作。基于完整的车辆/轨道耦合模型，考虑真实的轮轨关系，应用合理的磨耗理论，设计恰当的仿真方案，再现车辆-轨道动态耦合过程，实现了轮轨型面更新演化。 

　　相关资料：UM轮轨磨耗仿真解决方案演示PPT um_wear_eng.zip(12 Mb)

istory 仿真方案



　　仿真方案确定了研究对象的工作条件及相关参数。以车轮磨耗为例，其外部条件为不同的轨道线路（直线、曲线、道岔），运行速度，钢轨型面，轨道不平顺等。每个参数应设置不同的权重系数，仿真方案应该与实际运行情况吻合。

istory 铁路车辆-轨道耦合动力学仿真



　　在UM里，车辆模型是三维的多体系统，线路可由直线、曲线和道岔组成。为保证计算结果的可靠，必须采用合理的轮轨接触模型。 

istory 接触模型



　　UM提供了两种可用于轮轨磨耗仿真的接触模型

  • 第一种是著名的FASTSIM模型[2]，它基于赫兹理论，接触斑形状为椭圆。
  • 另一种是非椭圆接触模型[3]，它基于Winkler弹性基础假设，接触斑形状为非椭圆。

Non-elliptical wheel-rail contact model.Click to play animation.

 
istory 磨耗模型



　　UM提供以下四种磨耗模型，用于计算磨耗量，更新型面：

  • Archard 模型[4]
  • Specht 模型
  • VNIIZhT-1 模型
  • Plasticity 模型 
istory 磨耗仿真的两种方法

 

　　UM支持以下两种仿真方法[5]:

  • 顺序仿真法：定义完整的线路模型，先执行全部工况的仿真计算，再评估磨耗，更新型面。
  • 并行仿真法：将完整的线路分割成多个单一特征的线路模型，采用多核并行计算，这样能大大提高仿真效率。

Simulation of wheel wear – parallel approach.Click to play animation.

　　为保证型面的平滑度，每次型面更新最大的材料去除深度为0.1mm。因此，采用顺序仿真法模拟严重磨耗的型面时，通常需要成百上千次演化，尤其对于复杂车辆模型，计算耗时较多。而并行仿真法则能更快地获得磨耗后型面，但不如顺序仿真法灵活和稳定。

istory 应用案例


车轮磨耗

　　下图的例子是某一货车通过300米半径曲线的共形磨耗仿真。该模型采用顺序仿真法，执行了80次演化。轮轨接触采用非椭圆模型，依次显示第1、20、40和 80次演化后的型面。仿真初始，接触斑非常接近椭圆，随着演化的进行，轮轨逐渐共形，接触斑形状发生明显变化。


Initial profiles and contact patches. Click to play animation. Profiles and contact patches after 20 iterations.Click to play animation.
初始型面和接触斑 演化２０次后的型面和接触斑
Profiles and contact patches after 40 iterations. Click to play animation. Profiles and contact patches after 80 iterations.Click to play animation.
演化４０次后的型面和接触斑 演化８０次后的型面和接触斑

 

钢轨磨耗

Results of rail profile wear calculation in curve R = 300.Click to play animation.

　　右图为曲线半径300米线路的钢轨型面磨耗计算，型面演化总次数为204，图中显示了每隔10次和最终的结果。


istory 参考文献


 

1. Sergey Zakharov, Irina Goryacheva, Victor Bogdanov, Dmitry Pogorelov, Ilya Zharov, Vladislav Yazykov, Elena Torskaya, Sergey Soshenkov. Problems with wheel and rail profiles selection and optimization. Wear, Vol. 265 (2008), Issues 9-10. – pp. 1266-1272.

2. J.J. Kalker: Three-Dimensional Elastic Bodies in Rolling Contact, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, (1990).

3. R. Kovalev, V.N. Yazykov, G.S. Mikhalchenko, D.Yu. Pogorelov: Railway Vehicle Dynamics: Some Aspects of Wheel-Rail Contact Modeling and Optimization of Running Gears, Mechanics Based Design of Structures and Machines, 31(3), pp. 315–335, (2003).

4. J.F. Archard: Contact and Rubbing of Flat Surface, J. Appl. Phis., 24, pp. 981–988, (1953).

5. J. Piotrowski, W. Kik: A simplified model of wheel/rail contact mechanics for non-Hertzian problems and its application in rail vehicle dynamic simulations, Vehicle System Dynamics, 46 (1), pp 27–48, (2008). 

istory 用户手册和功能演示



　　本模块的用户手册和功能演示，请到下载页面下载。