铁轨热应力分析

文章来源：WeChat Official Account:仿真社     

南方的夏天，高温天气强势来袭，铁轨温度可高达70°C。铁轨在高温下会发生膨胀现象，进而引起热应力。铁轨在热应力作用下发生变形，这为铁路行车设备带来了极为不利的影响。为了更好的维护铁轨安全，了解其热应力产生过程尤为重要。鉴于此，本文建立了如图1所示铁轨模型，考虑了铁轨温度从20°C变化到70°C产生热应力的过程，其热膨胀系数为1.2e-5。图2为热应力图，最大Mises应力为885.7MPa，位于底平面的角上。

图1 铁轨模型

图2 热应力图

       考虑到结构受力和几何的对称性，建立了如图3所示的有限元模型。在热分析中，忽略传热过程，材料参数只需要线膨胀系数和弹性模量，图4展示了这两个参数的详细取值。其中弹性模型为210GPa,泊松比为0.3，线膨胀系数设为1.2e-5。图5展示了模型所施加的温度载荷，初始温度为20°C，在step-1后温度为70°C。温度的设置在预定义场中完成。模型的对称面设置成对称约束，其底面为固定约束。由于温度的升高，构件发生膨胀，而施加在构件上的约束限制了其自由膨胀，故而产生了热应力。图6呈现了在温度变化下的铁轨最大和最小主热应力的云图，由图可知，最大热压应力为1180MPa，而钢轨的屈服强度一般为450MPa,远远超过了该阈值。

图3 有限元模型

图4 材料参数

图5 温度载荷

图6 最大/最小主热应力云图