應(yīng)用ANSYS分析軌道板溫度力

■ 楊娜 吳明

楊娜：南京鐵道職業(yè)學(xué)院蘇州校區(qū)，助教，江蘇 蘇州，215137

吳明：南京鐵道職業(yè)學(xué)院蘇州校區(qū)，講師，江蘇 蘇州，215137

1 概述

無(wú)砟軌道結(jié)構(gòu)主要分為板式和枕式結(jié)構(gòu)。板式結(jié)構(gòu)中的混凝土軌道板直接受大氣影響而產(chǎn)生溫度變化。混凝土是敏感性材料，熱傳導(dǎo)性能差，其溫度變化導(dǎo)致軌道板出現(xiàn)伸長(zhǎng)、收縮和翹曲變形。這些變形受到軌道板上部結(jié)構(gòu)的鋼軌和扣件、板下基層和接觸面的摩擦阻力、基層反力、板自重和相鄰板等約束作用時(shí)，板內(nèi)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力是軌道板產(chǎn)生裂縫、影響軌道結(jié)構(gòu)功能的重用因素之一。溫度驟降產(chǎn)生收縮應(yīng)力可使早期強(qiáng)度較低的軌道板開裂，持續(xù)升溫則可使軌道板或毗鄰結(jié)構(gòu)受到高壓應(yīng)力。正溫度梯度下產(chǎn)生的溫度翹曲應(yīng)力可接近或者超過(guò)列車荷載應(yīng)力。軸向拉應(yīng)力和翹曲應(yīng)力的共同作用往往是軌道板出現(xiàn)開裂的主要原因。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的研究甚少，設(shè)計(jì)人員主要是參考國(guó)外的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和國(guó)內(nèi)相關(guān)專業(yè)的做法進(jìn)行設(shè)計(jì)，但其合理性和實(shí)際情況相差多少是個(gè)未知數(shù)。應(yīng)用ANSYS有限元軟件分析溫度荷載對(duì)軌道結(jié)構(gòu)的受力影響，以P4930型軌道板為例，分析溫度荷載作用下的應(yīng)力分布及變形情況，為板式結(jié)構(gòu)無(wú)砟軌道設(shè)計(jì)提供參考。

2 軌道板有限元分析模型建立

2.1 幾何模型

選取P4930型軌道板進(jìn)行溫度分析，其為平板型軌道板，尺寸為4 930×2 400×l90 mm。軌道板上層結(jié)構(gòu)分為2層：軌道板，厚度190 mm ；CA砂漿層，厚度50 mm。材料參數(shù)見表1。

在熱與結(jié)構(gòu)的耦合分析中，主要考慮溫度相對(duì)穩(wěn)定時(shí)的翹曲應(yīng)力，可利用對(duì)流系數(shù)直接求出溫度分布。ANSYS軟件中對(duì)熱應(yīng)力分析推薦采用順序耦合分析，先進(jìn)行熱分析計(jì)算，將計(jì)算所得的節(jié)點(diǎn)溫度施加到結(jié)構(gòu)單元上的節(jié)點(diǎn)，再求解溫度應(yīng)力。

2.2 計(jì)算步驟

（1）熱分析。選定單元類型，建立三維模型，軌道板和CA砂漿層選用solid70；設(shè)置參數(shù)，輸入回彈模量、泊松比、密度及導(dǎo)熱系數(shù)。三維模型中層間完全連續(xù)，采用體（volume)與體的黏結(jié)（glue）；將材料屬性施加到體上后劃分網(wǎng)格，采用掃略網(wǎng)格。按對(duì)流系數(shù)施加溫度荷載，即溫度沿板垂向均勻變化；求解得到各節(jié)點(diǎn)的溫度分布。

（2）計(jì)算溫度應(yīng)力。將熱單元轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，加入熱膨脹系數(shù)，讀入熱分析結(jié)果。施加約束，模型中設(shè)置的CA砂漿層底面節(jié)點(diǎn)的各個(gè)自由度為零，在X、Y、Z方向分別進(jìn)行耦合，進(jìn)行求解。

（3）后處理。利用通用后處理器，求得最大拉（壓）應(yīng)力、最大位移和其位置，通過(guò)彩色云圖了解任意橫截面上某一方向應(yīng)力的分布情況。上下板溫差為10 ℃時(shí)的翹曲位移見圖1。

表1 材料參數(shù)

2.3 分析溫度應(yīng)力

通過(guò)ANSYS計(jì)算，得到最大溫度翹曲拉應(yīng)力約在軌道板縱橫向邊緣。上下板溫差為10 ℃時(shí)的板縱向應(yīng)力見圖2。

3 模型驗(yàn)證

溫度力作用下軌道板應(yīng)力極值及位移量見表2。

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]給出的溫度力計(jì)算方法，計(jì)算軌道板上下表面溫度差為10 ℃時(shí)，P4930型軌道板的溫度力，得到板中最大拉應(yīng)力為：

圖1 翹曲位移

圖2 板縱向應(yīng)力

表2 軌道板應(yīng)力極值及位移量

軌道板的板端最大縮短量為：

板中最大壓應(yīng)力為：

軌道板的板端最大伸長(zhǎng)量為：

軌道板上下表面溫度差為10 ℃時(shí)，ANSYS模型應(yīng)力計(jì)算結(jié)果比上述方法略大，而變形略小，這是因?yàn)榻r(shí)只選擇對(duì)軌道板和CA砂漿層進(jìn)行分析，沒(méi)有考慮基層墊板作用對(duì)軌道板和CA砂漿層應(yīng)力產(chǎn)生的影響。另外，模型尺寸、材料參數(shù)的選取也對(duì)結(jié)果有一定影響。

4 結(jié)論

（1）采用有限元軟件ANSYS，通過(guò)其耦合功能，求出最大溫度應(yīng)力及其位置。

（2）利用模型求出的溫度應(yīng)力與理論計(jì)算值有一定出入，是由于網(wǎng)格劃分、約束條件、參數(shù)選取、模型尺寸等因素造成，可通過(guò)施加約束方程、調(diào)整邊界條件、建立接觸單元等得到更接近的真實(shí)值。

[1]王榮森. 板式無(wú)砟軌道溫度力研究[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2007

[2]高俊英. 土質(zhì)路基上CRTS-Ⅰ型板溫度力分析[D]. 成都：西南交通大學(xué)，2008

[3]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

[4]何小高，盧先榮，徐海. 應(yīng)用ANSYS分析剛性路面的溫度應(yīng)力和荷載應(yīng)力[J]. 公路與汽運(yùn)，2004(6)