【励讲堂】高铁刹车瞬间，关于车轮的小秘密！！

大家好，我是小励，一个酷爱用技术说话的“严谨Girl”！

今天，让我们一起来聚焦一个“大家伙”

——高铁

随着现代经济社会的不断发展与进步，高铁无疑成了我国的一张亮眼名片！

“复兴号”列车在京沪高铁实现350公里时速运营，标志着我国成为：世界上高铁商业运营速度最快的国家。而我们的“百足怪”高铁，能够平稳跑出350公里的时速，离不开高质量车轮的支撑。

说到这您一定会好奇：高铁的车轮在哪里呢？

如上图所示：高铁的每节车厢下都有两个转向架，也就是一个构架 两对车轮组成的“小车”。火车车厢就趴在这个“小车”上，通过“小车”实现一定程度的转动。众多这样的“小车”，共同托起大火车，奔驰在铁轨上。

高铁车轮就像一双“跑鞋”，为高铁飞腾插上了翅膀。

而在刹车的一瞬间，又会发生哪些神奇的现象呢？

今天，小励带你用有限元软件揭秘，

“高铁刹车瞬间车轮的秘密”

首先：我们来认识一下什么叫 “有限元法”和“有限元分析”  

 有限元法 从上个世纪50年代至今，经过几十年的发展不断开拓新的应用领域，其范围已由杆件结构问题扩展到了弹性力学乃至塑性力学问题；由平面问题拓展到空间问题；由静力学问题拓展到动力学问题、稳定问；由固体力学问题拓展到流体力学、热力学、电磁学等问题。如今它已经成为广大科技工作者的有力工具，解决了大量的实际问题。

 有限元分析 （FEA，Finite Element Analysis）用比较简单的问题替代复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多被称为“有限元”的小的互连子域组成，对每一个单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解的个域总的满足条件，从而得到问题的解。

在大多数人的印象里高铁的车轮是这样的

在大家对“有限元法”有了一个基本的认识之后，我们具体分析一下高铁刹车时的车轮的状态：

在刹车后，假设车轮立即抱死，但是由于惯性作用，车轮会继续往前运动。利用建模软件，我们就可以建立出：高铁车轮与轨道的简化模型

在有限元软件中，通过定义“杨氏模量”、“泊松比”等参数，选择车轮与车轨的单元类型并完成网格划分；从而可以建立的有限元模型如下：

随后，对车轮和车轨施加载荷并求解就可以得到车轮和车轨在刹车时的受力状态如下图：

在工业设计当中，我们可以通过利用软件模拟，设计不同的结构形式、参数，以改变应力分布的方式最终达到改进车轮设计和性能的目的。

名词小注解：

1、杨氏模量：

杨氏模量是表征固体材料性质的一个重要的物理量，是工程设计上选择材料时常需要涉及的一个重要参数之一，一般只与材料的性质和温度有关，和其几何形状无关。

2、泊松比：

也叫横向变形系数，是材料的一个弹性常数。当材料进入弹塑性变形阶段后，泊松比不再是一个常量，而成为应变的函数。常用钢材料的泊松比在0.25-0.35之间。

科普小贴士：

以上的案例仅仅只是冰山一角，有限元法的作用还远不止于此。随着市场竞争的加剧，产品更新周期愈来愈短，企业对新技术的需求更加迫切，而有限元数值模拟技术是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一项有效手段，所以，随着计算机技术和计算方法的发展，有限元法在工程设计和科研领域得到了越来越广泛的重视和应用。已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器、国防军工、船舶、铁道、石化、能源和科学研究等各个领域的广泛使用，已使研发设计水平发生了质的飞跃。