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树脂合成轨枕的强度有限元分析

发布于:2020-04-18 20:48
有限元分析

       目前在我国钢析梁桥上大量使用木枕作为轨道结构的一部分。木枕主要是弹性好;易加工;运输、铺设、养护维修方便;与钢轨连接比较简单;有较好的绝缘性等。但木枕要消耗大量优质木材,资源有限,不利于环保,此外木枕易腐朽、磨损,使用寿命短,强度、弹性不完全一致。针对木枕的一些缺点,一些国家尝试研究以高分子为原材料的合成轨枕,并取得了一定的成果。其中日本铁路使用铺设合成轨枕比较广泛,且运营效果良好;我国一些城市地铁也有铺设合成轨枕的先例。合成轨枕的主要优点有:质量轻、强度高、不易腐蚀;施工方便、易于维修;使用寿命长且环保。缺点主要有:价格高、国内产品尚未成熟;应用于不同运营条件下的扣件系统需要再开发等。国内已经有厂家对合成轨枕进行了一系列的研究,并已经生产出成品。国内生产的树脂合成轨枕。对于以高分子材料为主的合成轨枕的研究有着重要、深远的意义。本文是论文结论在钢析梁上铺设树脂合成轨枕的合理尺寸为:长度3000 mm、宽度取值范围为260-300 mm、厚度取值范围为220-280 mm (以下简称论文结论)与《中华人民共和国城镇建设行业标准-聚氨酷泡沫合成轨枕》相关实验规范基础上,根据圣维南原理简化模型;并基于结构力学有限元分析法对国内某厂家新开发的以玻璃纤维合成树脂为主要材料的合成轨枕的强度分析,作为合成轨枕在钢析梁桥上推广使用的一个参照。
       合成轨枕材料参数见表,定义X方向为沿玻璃纤维的方向,Y方向为合成轨枕的横向,Z为合成轨枕的垂直方向;合成轨枕强度限值见表。由合成轨枕材料的参数列表可以看出:合成轨枕材料属性为各向异性;其X方向与Y,Z方向的弹性模量、泊松比及剪切弹性模量均不同;Y,Z方向上具有相同的属性。在进行合成轨枕各工况下强度理论分析时,要分别对合成轨枕顺玻璃纤维方向(X方向)和垂直玻璃纤维方向(Y或Z方向)的应力强度进行分析(对合成轨枕材料的X,Y,Z方向分别进行理论应力强度分析)。由表可以看出,合成轨枕沿玻璃纤维方向的极限强度要比垂直玻璃纤维方向的极限强度大得多,尤其是其沿玻璃纤维方向的抗拉性能远大于混凝土轨枕与木枕。
       采用有限单元法建立合成轨枕与螺栓的实体模型。其中,合成轨枕与螺栓均采用实体单元solid45模拟。采用合成轨枕上配套设计的一种小阻力扣件系统作为模型的实际原型,扣件系统组成为:弹条、轨距挡板、挡板座、轨下垫板、铁垫板、调高垫板、T型螺栓及锚固螺栓等。依据实际情况与合理的简化,建立4个螺栓锚固在合成轨枕上的计算模型,据此模型采用不同的荷载工况并改变模型尺寸,分别分析合成轨枕的横向强度、纵向强度及其抗拔强度随着轨枕尺寸变化的规律。合成轨枕的计算模型见图。模型中,合成轨枕与螺栓的接触面共面,即合成轨枕与螺栓间采用glue命令粘接。
       根据结论,在轨枕合理尺寸范围内分别改变合成轨枕的宽度与厚度,分析其各向强度随宽度和厚度变化的规律;荷载工况均采用实际情况下可能会发生的最不利荷载;根据实际情况模拟轨枕受到的约束,全约束轨枕底面。由于合成轨枕有无底槽对本文所研究的轨枕强度没有影响,所以本模型中忽略了轨枕底槽的影响,模型中轨枕没有底槽。钢析梁桥上合成轨枕长度较长,建模时建立一半的轨枕进行受力分析;经过检算,对合成轨枕底面全约束与同时全约束合成轨枕底面和两端面;两种约束方法对应的计算结果值相差均小于0.5 MPa,因此取一半的合成轨枕进行受力分析较为合理,这也说明了全约束合成轨枕底面较为合理。


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