轮轨接触有限元分析在ANSYS Workbench中的应用

轮轨接触是铁路工程中最核心的力学问题之一。车轮与钢轨之间的接触面积小、应力集中严重，直接决定了轨面疲劳、车轮磨损和车辆运行安全性。

在ANSYS Workbench中，轮轨接触分析通常采用Static Structural模块，接触对设置为Frictional，摩擦系数取03～05。网格在接触区域需要局部加密，单元尺寸控制在1mm以内，才能捕捉到接触应力的峰值。

分析结果主要看接触压力分布、Von Mises应力云图以及轨面等效塑性应变。这些数据可以直接用于评估轨面伤损风险和预测车轮使用寿命。

Workbench的优势在于前后处理一体化，建模到出结果不用切换软件，对工程师来说效率高不少。

1.问题描述

如图所示给出了轮-轨接触模型，该模型由圆形钢质轮和钢质平板组成，轮和轨道的材料都为结构钢。完全固定约束轨道底面，在钢质轮子的内孔施加运动副载荷，包括垂直压力1000N和旋转速度，旋转速度在0到1s之间由0RPM加速到100RPM，摩擦系数为0.1。

2.软件的基本设置方法

启动Workbench，双击Workbench工具箱中的用户系统Transient Structural，弹出如图所示的瞬态结构动力学分析系统。

图 导入模型

单击Connection>Contacts>Frictional-SolidTo Solid，弹出如图所示接触细节设置面板，设置接触类型（Type）为Frictional，摩擦系数为0.1，具体设置如图所示。

图 接触细节设置面板

右击Connection>Insert>Joint，在弹出的如图所示的运动副设置细节面板，设置连接类型（Connection Type）为体-地面连接（Body-Ground），设置类型（Type）为通用运动副（General），释放X和Y方向的平动自由度，释放绕Z方向的转动自由度，选择作用位置为轮子的内孔表面。

图运动副设置细节面板

弹出如图所示的网格划分细节设置面板，设置Relevance Center为中级（Medium），其他保持默认设置，然后右击Mesh，选择Generate Mesh，生成的网格如图所示。

图网格划分细节设置面板

单击Analysis Settings，弹出如图所示的结构瞬态动力学分析设置面板，将自动时间步（Auto Time Stepping）设置为On，定义方式（Define By）设置为Substeps，初始子步为（Initial Substeps）100，最小子步（Minimum Substeps）为50，最大子步为2000，将Large Deflection设置为On，表示打开了大变形分析。

图分析设置细节面板

右击Transient，选择Insert>Fixed，在细节窗口弹出如图所示的位移约束细节设置面板，选择轨道的底面，单击Apply。

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