王進(jìn)璽

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

應(yīng)用Ansys分析普通60軌的屈曲

王進(jìn)璽

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070)

利用有限元通用軟件Ansys的屈曲分析功能，建立計(jì)算機(jī)仿真模型，計(jì)算了我國(guó)普通60鋼軌在縱向力作用下產(chǎn)生屈曲(穩(wěn)定性)變形時(shí)所需的最大載荷，所得結(jié)論可以為無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)的屈曲分析提供參考。

60 鋼軌，Ansys，屈曲，模型

0 引言

伴隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，對(duì)軌道的要求也隨之提高，必須要適應(yīng)客運(yùn)快速、高速化，貨運(yùn)快捷、重載化。與普通鐵路相比較，現(xiàn)代軌道的特點(diǎn)有：高標(biāo)準(zhǔn)的路基、新型的軌下基礎(chǔ)、超長(zhǎng)的無(wú)縫線路、科學(xué)管理的軌道養(yǎng)護(hù)維修等。

軌道的穩(wěn)定性是指在各種普通、高速、重載列車的作用下，軌道必須始終保持平順狀態(tài)，確保列車運(yùn)行的安全性和舒適性。

軌道在列車運(yùn)行中受到的力一般有垂向、橫向、縱向和溫度力等，但影響軌道穩(wěn)定性的主要是橫向力和縱向力，本文主要考慮軌道在縱向力作用下，利用通用有限元軟件建立仿真模型分析軌道的穩(wěn)定性。

1 軌道有限元模型的建立

1．1 幾何模型

計(jì)算時(shí)選取普通60軌進(jìn)行研究(如圖1所示)，計(jì)算參數(shù)為彈性模量2．06 ×1011Pa，泊松比0．2，密度7 800 kg/m3。計(jì)算長(zhǎng)度取2．5 m，為了使計(jì)算簡(jiǎn)單把鋼軌簡(jiǎn)化為一段固定的懸臂梁，鋼軌受到的縱向力施加到鋼軌斷面的形心位置。

1．2 計(jì)算步驟

Ansys軟件中對(duì)于屈曲問(wèn)題提供了兩種分析方法即特征值和極值點(diǎn)分析。本文采用特征值分析方法，目的是得到在特定工況下結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的臨界載荷值，以及與此值相應(yīng)的屈曲模式。

1．2．1建模

由于Ansys截面庫(kù)中沒(méi)有鋼軌的截面形式且實(shí)體不好直接生成，所以使用自定義截面功能建立截面文件DLE．sect，供后面建模時(shí)使用。

創(chuàng)建截面文件步驟：1)進(jìn)入前處理器PREP7定義輔助網(wǎng)格單元類型MESH200。2)設(shè)置MESH200的單元屬性為四邊形八節(jié)點(diǎn)(QUAD 8-NODE)。3)創(chuàng)建鋼軌截面并劃分截面網(wǎng)格。4)寫梁截面文件。

建立模型步驟：1)進(jìn)入前處理器PREP7選擇三維梁?jiǎn)卧狟eam189。2)讀入截面文件DLE．sect。3)定義材料的彈性模量和泊松比。4)建立梁模型及劃分網(wǎng)格。5)施加邊界約束和載荷。6)顯示結(jié)果(如圖2所示)。

圖2 模型結(jié)果顯示

圖1 60鋼軌模型

1．2．2 分析求解與結(jié)果顯示

先執(zhí)行一次靜力分析，完成之后暫時(shí)退出求解器。然后指定新分析類型為Eigen Buckling設(shè)置分析選項(xiàng)選擇模態(tài)提取方法為Block Lanczos方法，模態(tài)數(shù)為6進(jìn)行求解。

進(jìn)入通用后處理器觀察特征值屈曲分析結(jié)果，在靜力分析中施加的是單位力，因此特征值等于結(jié)構(gòu)的各階屈曲臨界載荷。

結(jié)構(gòu)的前6階屈曲特征值如圖3所示。

由于篇幅，僅列出結(jié)構(gòu)的前兩階屈曲模態(tài)的變形，如圖4，圖5所示。

圖3 結(jié)構(gòu)前6階屈曲特征值

圖4 一階模態(tài)變形

圖5 二階模態(tài)變形

2 模型驗(yàn)證

由圖4可知，該屈曲模式為關(guān)于梁截面弱軸(截面坐標(biāo)系中的Z軸)的一階彎曲失穩(wěn)，根據(jù)文獻(xiàn)［1］給出的用靜力法確定臨界載荷理論值的方法計(jì)算一階臨界載荷為：

其中，p為單位載荷;E為材料的彈性模量;IZ為截面關(guān)于Z軸的慣性矩;l為梁的有效長(zhǎng)度，這里取梁的兩倍長(zhǎng)。

分別將 p=1，E=2．06 ×1011Pa，IZ=0．52 ×108mm4，l=5 × 103mm代入上式得：

理論結(jié)果與程序計(jì)算結(jié)果比較相差不大，證明程序計(jì)算正確無(wú)誤。

3 結(jié)語(yǔ)

1)在設(shè)計(jì)高速鐵路軌道時(shí)還需根據(jù)震動(dòng)及沖擊力載荷的影響對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修正與完善，在要求精度不是很高的情況下可以利用Ansys計(jì)算屈曲臨界載荷。

2)一些復(fù)雜截面不易計(jì)算其截面慣性矩的情況下，利用Ansys可以比較容易的進(jìn)行屈曲計(jì)算。

［1］李廉錕．結(jié)構(gòu)力學(xué)(下冊(cè))［M］．北京：高等教育出版社，2004．

［2］范俊杰．現(xiàn)代鐵路軌道［M］．第2版．北京：中國(guó)鐵道出版社，2004．

［3］康 熊．鐵路計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)［M］．北京：中國(guó)鐵道出版社，2010．

［4］尚曉江，邱 峰，趙海峰．ANSYS高級(jí)分析方法與范例應(yīng)用［M］．第2版．北京：中國(guó)水利水電出版社，2008．

［5］龔曙光．ANSYS工程應(yīng)用實(shí)例解析［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003．

Analysis the buckling of common 60 rail by applying Ansys

WANG Jin-xi

(College of Civil Engineering，Lanzhou University of Traffic，Lanzhou 730070，China)

The paper establishes the computer simulation model by applying buckling analysis functions of general finite element analysis software Ansys，and calculates the maximum load of common domestic 60 rail buckling(stability)deformation under vertical force，which can provide some guidance for buckling analysis of ballastless track structure．

60 rail，Ansys，buckling，model

U213．244

A

10.13719/j.cnki.cn14-1279/tu.2013.10.034

1009-6825(2013)10-0138-02

2013-01-28

王進(jìn)璽(1980-)，男，在讀碩士