轮轨接触有限元分析在ANSYS Workbench中的应用

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。

右击Transient，选择Insert>Joint Load，单击Joint Load，显示如图所示的运动副载荷设置面板，下列选择运动副为General-Ground To Solid，DOF为Y Displacement，Type为Force，然后在右侧弹出的表格中输入载荷为-1000N

图运动副载荷设置面板

右击Transient，选择Insert>Joint Load，单击Joint Load，显示如图所示的运动副载荷设置面板，下列选择运动副为General-Ground To Solid，DOF为RotationZ，Type为Rotational Velocity，然后在右侧弹出的表格中输入转速0-0；1-（-100），负号表示转动方向。

图 运动副载荷设置面板

选择Transient>Solution，右击Solution，选择Solve。

图 182e-3s时刻的等效应力云图

图 最大等效应力与时间的关系

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