1、北京科技大学硕士学位论文摘要高速铁路用轨一个最重要的指标就是要求钢轨要平直达到标准和残余应力要小于254MPa。目前，国内钢轨生产厂家在没引进钢轨矫直机之前，是不能生产高速铁路用轨。为达到铁道部门要求，各钢轨生产厂在钢轨生产工艺、设备上都不断地进行改进，以满足用户要求。为满足铁路部门对钢轨平直度的要求，包钢从德国SMS公司引进了先进的平、立双平面矫直技术，以改善高速钢轨的矫直质量，提高高速钢轨的使用寿命。由于钢轨的矫直质量受钢种、矫前弯曲度、断面形状等因素的影响，加之缺乏成熟的复合矫直变形理论，如何将引进设备与现行的矫直工况结合起来，把钢轨的平直度和残余应力控制在理想的状态，却成了一个难题。为
2、了分析研究钢轨在矫直变形过程中的残余应力的变化规律及各种矫直工艺对残余应力的影响，本文采用了有限元模拟结合试验测量的方法对钢轨残余应力进行研究。本文针对现有的矫直工艺，采用四因素三水平的正交试验方案，选定水平矫直辊中R2#, R4 # , R6 # , R8#的矫直规程作为四个主要变化因素。在钢轨曲率半径为185mm的前提条件下，制定出9种矫直变形规程，采用显式有限元软件ANSYS/LS-DYNA，对钢轨的矫直变形过程进行了弹塑性有限元模拟。在模拟分析的过程中，几何模型均采用实际尺寸，为提高计算效率，采用了质量放缩的方法。模拟计算结果与现场实测残余应力值进行相互的比较，得出应用有限元软件进行矫
3、直变形的实验模拟是可行的。运用数值模拟方法，采用不同的矫直方案，模拟分析了9种方案矫直工艺对钢轨轨底残余应力影响，通过与现场的矫直工艺比较，计算结果表明:在钢轨曲率半径为185mm的条件下，采用第三、第五矫直规程对钢轨进行矫直时，其轨底残余应力值均小于现场矫直工艺对应的残余应力值。说明水平矫直辊中R2#, R4#, R6#, R8#的矫直规程的设计参数对重轨钢的残余应力影响较大。这为将来进一步降低重轨钢轨底残余应力提供了解决的方向。关键词:钢轨残余应力有限元模拟(1)北京科技大学硕士学位论文Analysis on the residual stresses and the straight d
4、egree of the rail bystraighteningAbstractOne important target of the rapid transit steel rail is that obtain the standard and want theresidual stress smaller than 250NVa.recently,local steel rail production plant home Can notproduce rapid transit steel rail before introduce steel rail straightening
5、machine .for Obtainingthe railroad section requires, each steel rail production plant make constantly improvements inSteel rail production technics, equipment to satisfy the requires of the users .For satisfying therailroad section versus the request of the straight degree, Baotou steel introduce th
6、e advancedsmooth and stand double plane surface straightening technique form the German SMScompany .to improve the straightening quality of the top speed steel rail and increase the servicelife of the top speed steel rail.Because the steel strain, bend degree and sectional form have effects on the s
7、traighteningquality and less Of the combination straightening strain theory .how to combine the introducedequipment with the recent Straightening condition to control the straight degree and theremainder stress in ideality condition has become a hard question.To analyze and study the variance law of
8、 the remainder stress in the course of the railstraightening and The effects of all straighten technics to the remainder stress .the articleadopted the limited simulation Combining the way of the experiment measure to study theremainder stress of the rail.The text aims at the on hand straight techni
9、cs .it adopts the four agent three levelexperiment project. Making selection the level straightening roller inside R2#, R4 #、R6#、R8 # as four main variances agent Under the steel rail radius at bend in the prior condition ofthe 185mms,it establishes out 9 kinds straightening Strain gauge and adopts
10、show type limitedsoftware ANSYSI LS- DYNA to simulate the course of the straightening strain with plastic andslastic way. In the course of the simulate analysis the geometric Model all adopts the size ofpractice .to improve the compute efficiency it adopts the way of quality Enlarge and reduce.Compa
11、re the simulation calculation result with the locus measure the results, we can know thatthe experimental simulation is feasible to proceed the straight strain.Using the way of the value simulation, it simulates and analyses 9 kinds projects ofstraightening technics To study the effect of the steel
12、rail roller bottom residual stress .accordingto the comparing to the locus Straightening technics we can know that the roller bottom residual(2)北京科技大学硕十学位论文stress is less than locus one when we use the third and the fifth straight projects under thecondition of the rail radius is at 185mm.it says th
13、at the design parameter of the straight agent ofthe level straight roller R2#, R4 #、R6#、R8 # make Greater effect than others. It provideddirection to solve problem that reduce the residual stress in future.Key Words: steel rail residual stressliability一(3)独创性说明本人郑重声明:所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽
14、我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。签名:黛到乙期:r_r叫关于论文使用授权的说明本人完全了解北京科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即:学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论(保密的论文在解密后应遵循此规定)师签名-L -k。期:2,21-_7。乙名文签北京科技大学硕士学位论文引言随着各国铁路部门采取高速、重
15、载运输方案，使钢轨使用条件日趋恶化，必须对生产的钢轨提出更严格的要求。钢轨的重型化、合金化、热处理化是提高钢轨质量的重要途径。通常人们只注意化学成分、冶炼因素、轧制工艺，而忽略了矫直过程对钢轨整体质量的影响。钢轨断面几何尺寸、钢轨平直度、残余应力对铁路的寿命已产生巨大的影响。为保证重轨有较大的纵向、横向抗弯强度，不断增加轨底宽度、轨腰高度，增加钢轨单重，如生产60kg/m重轨，研制75kg/m重轨等;采用轨端淬火和钢轨全长淬火，进而显著提高钢轨的耐磨性。欧盟EN标准对钢轨轨底残余应力的大小范围和性质作出了具体的规定，钢轨轨底纵向应力最大不能超过250MPa。为适应现代铁路对钢轨质量的新要求，生
16、产厂家必须改进和提高钢轨的质量。由于电子计算机的普及和发展，数值计算方法的进步，有限元在金属塑性加工成型分析中的应用也越来越广泛。如工作辊轴承座的有限元分析，有限元模拟调整优化钢轨孔型系统，还有计算车轮与钢轨接触的应力场与温度场等等。这些金属成形过程或结构校核工作通过计算实现，且使用中得到许多我们通过实验方法很难得到的结果，如轧件变形区的行为，轧制时应力、应变的分布和状态;同时，选择对于同一钢轨采用几种矫直规程的最优方案，以及矫直后钢轨内部的应力状态等等。本文通过有限元软件ANSYS/LS-DYNA模拟分析了9种方案矫直工艺对钢轨轨底残余应力影响，采用动态矫直力学模型模拟现场矫直工况能够反映目
17、前的矫直状态，通过计算机的模拟值和实测值的对比分析，验证动态矫直力学模型的准确性和可靠性。通过与现场的矫直工艺比较表明:在同一矫直规程的条件下，不同弦高对应的主要因素不同;在弦高相同的条件下，不同的矫直规程对应的残余应力不同。北京科技大学硕士学位论文1课题的来源、目的和意义1.1课题的来源随着各国铁路部门采取高速、重载运输方案，使钢轨使用条件日趋恶化，必须对生产的钢轨提出更严格的要求。钢轨的重型化、合金化、热处理化是提高钢轨质量的重要途径1, 21。通常人们只注意化学成分、冶炼因素、轧制工艺，而忽略了矫直过程对钢轨整体质量的影响。但钢轨断面几何尺寸、钢轨平直度、残余应力对线路的寿命已产生巨大的
18、影响。这已引起铁路部门的极大关注，对钢轨提出了更严格的使用要求31。例如:平直度和残余应力都有更严格的要求。为达到铁道部门要求，各钢轨生产厂在钢轨生产工艺、设备上都不断地进行改进，以满足用户要求41。表1.1不同的标准对钢轨矫直精度的要求5. 6. 7. 8. 91分类 国标GB2585-81包钢企标QBG507-95攀钢企标QB/PH01.038-91QJ/PG02.1038-91国际铁路联盟UIC860-86EN钢轨标准(99年)断面弯曲mm八nm向上0. 5/10000. 7/15000. 5/1500向下0.5/10002/10000.5/10000左右0.5/10000.7/1500
19、0.7/1500全长平直度钢轨经矫直后应平直，不得有波浪弯和硬弯，均匀弯曲不得超过全长0.5/1000，全长扭转不得超过1/10000钢轨经矫直后应平直，不得有波浪弯和硬弯，均匀弯曲不得超过全长0.5/1000，全长扭转不得超过1/10000钢轨经矫直后应平直，不得有波浪弯和硬弯，均匀弯曲不得超过全长0.5/1000，全长扭转不得超过1/10000钢轨必须通长平直，断部扭转不允许超过0.4/1000全长最大扭转1500m残余应力没要求没要求没要求没要求上上上上Pz Ps Pa Ps Pe Pa(2.2)结果得出:叭从V5 V6叭(2.3)速度差可以通过两种途径补偿:一是认为钢轨为连续刚体，钢轨
20、与矫直辊之间完全打滑;二是认为钢轨处于弹塑性状态，由于存在塑流使变形抗力减小，在钢轨与矫直辊之间的摩擦力作用下(摩擦力得方向是压缩钢轨的)，钢轨产生轴向压缩变形以弥补速差。(2)残余应力测定大量实测数据表明，立矫时轨头踏面及轨底中央三分之二处均为拉伸残余应力4, 15.23。拉应力的形成过程可以通过突然停矫然后卸载，再测定各矫直辊处的钢轨残余应力，见图2.2.北京科技大学硕十学位论文轨底中心，轨头踏面，腿尖处确+40+200-20-40动川臼乏01只侧水邵865号4辊3气告图2.2矫直某瞬间各矫直辊钢轨残余应力分布由图可以得出:1)第3辊开始各应力均为拉应力。2)第3到第6辊，轨底与踏面应力交
21、替变化，反映了反复弯曲变形的特点。3)残余应力逐渐向拉应力方向移动。4)第8辊处的残余应力为最终值。5)腿尖应力反向，这是由于附加变形造成的。(3)鲍辛格效应(Bauschinger)金属材料在冷变形时，与变形方向相反的材料屈服极限会明显降低17. 241。也就是说，若钢轨在矫直时受到轴向压缩，则沿轴向取样的拉伸0s值应下降。某些数据表明，矫直时钢轨的确在轴向受到一个相当大的压缩力并使钢轨产生了缩短。变形量愈大，缩短愈严重，as值也降愈多13. 25. 261以上述事实为依据，可以推论:在摩擦力的轴向压缩作用下(并叠加弯曲力矩的作用)，钢轨轴向产生弹塑性压缩变形(同时在、轨底叠加反复拉压弹塑性
22、变形)。卸载后，沿轴向产生回弹(叠加与中性轴的反对称回弹)。一个轴向纯压缩变形再叠加一个反复弯曲变形，就好象一个直流分量叠加一个交流分量而变为颤动直流一样。整个钢轨的变形向压缩方向“平移”。由于钢轨本身有保持“平面不变”的特性，回弹后必定新的平衡状态，塑性变形区与弹性变形区互相牵扯，最后共存于同一平面。压缩区产生拉伸残余应力，拉伸区压缩残余应北京科技大学硕士学位论文力。因为钢轨轨头踏面与轨底均产生压缩变形，故产生拉应力，其余中间部分由于塑性变形未渗透一一弹性变形区应产生压缩残余应力，与拉应力保持平衡(2飞把矫直过程看成为纯三点弯曲是无法解释上述现象的钢轨矫后缩短与钢轨原始曲率及矫直压下变形量有
23、关。图2.3表示变形程度的弹性变形区高度Zo与钢轨缩短率、残余应力的关系。鉴溯斜02.(事)5L504030，且曰11.1d山芝。1一三1201101.0100SZn仪艺囚除书只创书傲150 200 250 300图2.3变形程度、残余应力与钢轨缩短率的关系E Z,一矫直时各次弯曲断面zo之和，它愈小，变形程度愈大;El。一断面各点纵向残余应力绝对值之和，用来表示残余应力水平。2.2.3钢轨矫直时的振动过程钢轨咬入后，未进入矫直机的那部分将产生振动。振动方向大致垂直于长度方向，振动原因可能是咬入时的冲击及反复弯曲造成的。在矫直开始阶段，钢轨振动的振幅达到最大值，而振动频率较低;随着矫直过程进行
24、，振幅逐渐减小而频率增加I281可以用振动强度E表示这一过程:Z =Acpn (m/s)(2.4)式中:Acv-M轨行程为1米时的平均振幅;北京科技大学硕十学位论文n一钢轨行程为1米时所完成的振动次数。振动强度沿钢轨长度分布见图2.4.图2.4表明，振动强度与钢轨原始曲率及淬火有关。原始曲率愈大，振动强度愈大，淬火轨较普通轨大。在3-7m内，钢轨有较大的振动强度。实测表明，矫直过程的振动与钢轨在矫直时产生的弯曲及波浪形不平度有关。在第7-12m范围内，弯曲较大;在7m以前波浪形不平度显著增加。振动强度大，将伴随有较大的应力，矫直时轨底裂纹的扩张可能与此有关。1.41 1.2扮分全谈1.00.8
25、侧燃得辑“0 0.62o-.-一一普通轨淬火轨0.40.20 1 2 3 4 5后端钢轨长度/m图2.4振动强度沿钥轨长度分布(矫直速度1.2m/s, f-弯曲挠度)f l00mm,_一一f 150mm，一一一一f 200mm2.2.4钢轨矫直后的残余应力一般说来，并不希望钢轨内有残余应力，因为它总是降低尺寸及外形的稳定性。但当生产工艺中不可避免地要产生残余应力时，就必须认真对待它了。苏联某厂从1968年开始经常地测定钢轨残余应力，以监控产品应力水平，并采取措施使残余应力水平逐年降低。钢轨中残余应力绝对值最大可达到3060 kg/mm(钢轨。s值波动在4555 kg/mmz范围内)。与05值相
26、比，是相当大的了。北京科技大学硕士学位论文钢轨使用中产生的严重塑性变形是影响寿命的主要原因。踏面亚表产生的加工硬化层的深度与。S值直接相关。硬化层内的硫化物、硅酸盐等夹杂通常为裂纹源。在交变载荷下会纵横方向发展，浅者成为剥落，深者发展成为纵向或横向裂纹。裂纹的成核及扩展与残余应力的性质有关。残余应力对钢轨磨耗的影响，由于实验条件不同，其结论各说不一，甚至完全相反。14. 151残余应力对钢轨疲劳寿命的影响意见是一致的。压应力可以提高钡轨的疲劳寿命。由于常规机械性能检验必须破坏钢轨的完整性，使残余应力释放，故无法反映残余应力对它们的影响。用实物钢轨(尽可能保持轨头内的残余应力)制成紧凑拉伸试样，
27、直接测得残余应力对断裂韧性的影响是值得借鉴的。但残余应力是不稳定的，随着加载循环次数增加，将发生衰减并重新平衡。只有当循环次数超过10%的极限循环次数时，残余应力的变化才可能趋于平稳。对于正在使用中的钡轨，当磨损量达到1.5-2mm时，残余应力可能不再变化。2.2.5影响钢轨残余应力的诸因素17. 221矫直过程是钢轨产生残余应力的主要原因。大致受下列因素影响:原始曲率、压下量、屈服极限、热处理方祛、矫直方式及矫直次数等。(1)矫直变形量变形量与残余应力大小直接相关，变形量愈大，塑性变形深度愈大，变形方式愈复杂，残余应力也愈大29. 301。原始曲率是通过变形量起作用的。(2)屈服极限钢轨的。
28、S值与反弹内力矩有关，反弹内力矩愈大，残余应力愈大。(3)矫直方式不同的娇直方式残余应力分布亦不同，见图2.5.卧矫后钢轨总残余应力水平较立矫低得多，因此断面尺寸及长度变化也很小，矫直时的噪音也低14db左右。这说明卧矫时的振动、打滑现象都显著减少。这些明显的差别主要决定于它们的断面几何力学因素。一般可用S/W值表示，其中S一塑性断面系数，W一弹性断面系数311北京科技大学硕士学位论文石，8910仪一之夕份洲时。侧只创架寒1234567891011121314图2.5立矫与卧矫残余应力分布比较5, W值通过计算矫直力矩Ms, Mw求得。卧矫时的S/W值计算:为了计算方便，将钢轨断面简化如图2.
29、60b,=70b2=132hi=37h2=19h=97t=15.5图2.6 50公斤重轨断面简化示意图矫直时的弹性弯曲力矩Mw= Was(此时假定不产生塑性变形)mw= 2厂v,kzdz十(b。脚 rr1U24zdz+ 163hzdz(2.5)北京科技大学硕士学位论文断面各部应力分布是线弹性的，其最大值为。5，故得出各部应力变化为2zb,2z“=丁“s 1A(z.-)Yk Oa22-姚 - Omw一4as 怜2rbi2d+ -0一4o, f h2泞zdz+h泞 一b2-0 b,-0矛hz,dztf一*=与h,6? +h,b,2 +ht21a_6一“得到:w=生lh,b? +hb +ht216一
30、“将各值代入式2.7得W=89 cm 3 0矫直时塑性弯曲力矩Ms=S0s(全部塑性变形)。(2.6)(2.7)Ms= 2广a,h,zdz十广a2h,动十护a3hzdz(2.8)因为全断面塑性变形状态，故。，=。2=。、=。、，代入(2)式并整理可得:Ms一青(bzh2+h,b; +ht2，一(2.9)得S一4 (h, b + h,b+“”(2.10)将各值代入得S=134 cm3，故卧矫时S/W =134/89- 1.5。用同样方法可以计算立矫时的S/W值S/W=351/278- 1.26 ePD工轨。s值约为50 kg/mmz，所以，可算出两种矫直方法的全弹性与全塑性弯曲力矩。臣卜矫时MW
31、=5000 kg/mm2 X 89 cm =4.55t-m,Ms=5000 kg/mmz X 134 cm3 =6.70t-m;北京科技大学硕士学位论文立矫时MW =5000 kg/mm2 X 278 cm3 =13.9 t-m,MS=5000kg/mm2X351 cm3 =17.6t-mo计算结果表明立矫时的MW, MS值要比卧矫约大三倍。(4)矫直次数当钢轨第一次辊矫后，未能得到满意的平直度能否进行二次矫直，一直是一个有争议的问题。从残余应力观点出发，我们在文献中曾详细阐述过。二次矫直不会增加钢轨内的残余应力值，二次卧矫反而有所减低。现将1976, 1980两年所测数据列入表2.1.(5)
32、热处理钢轨残余应力及矫直方式对它的影响钢轨表面全长淬火(加热、冷却回火)的差异对残余应力分布及大小均有影响，可以大致归纳如下特点:1)踏面或接近踏面的轨头测面均为压缩残余应力，其值在2060 kg/mm范围内;2)底中央多为接应力，其值为10-20 kg/mm2;3)轨头下颗部位(淬火区与非淬火区)交界处有一拉应力峰值约为10.19 kg/=Z;4) S-Q型淬火方法不仅因获得微细珠光体组织而使综合性能优越，而且残余应力分布也比通常采用的Q-T型淬火方法更为合理，除踏面压缩应力比Q-T型大一倍以外，下领拉应力峰值也阳氏25%左右。全长淬火轨必须再次矫直以消除淬火过程中产生的弯曲，采用不同的矫直
33、方式其最终应力分布绝然不同，见图2.7(测量点位置同图2.5)。表2.1二次矫直后残余应力变化情况丫1976年1980年二次立矫+1.8-0.4%士0%二次卧矫一15.7一59.0%-20%北京科技大学硕士学位论文只一未矫，全淬.一八八。一卧sf.全淬1了概丫才一广V V目臼泛01、只侧架寒钡9量点位置图2.7全长淬火轨经立矫、卧矫后应力分布立矫后、钢轨踏面原来经淬火产生的压缩应力全部转变为拉应力，而卧矫后仍保留很高的压应力值，而且下颗拉应力峰值可降低到原来的1/40攀钢全长淬火轨全部采用卧矫工艺己见良好经济效果。当全长淬火后钢轨变形不大时，则采用压力矫，这种矫直方法使钢轨踏面压应力降低很少。
34、2.3有限元法在金属弹塑性加工模拟过程的应用利用有限元法可在计算机上模拟分析塑性加工时从坯料到制件的成形过程，可以求出应力场、应变场、变形所需的载荷和能量，可以给出成形过程中坯料几何形状、尺寸和性能的改变，预测缺陷的产生和分析成形质量等。有限元法目前已成为研究塑性成形规律、材料变形行为及各种物理场的强有力的工具之一，并得到了广泛的应用。有限元数值模拟方法的优点是:功能强，精度高，解决问题的范围广，可以用不同形状、不同大小和不同类型的单元来描述任意形状的变形体，适用于任意速度边界条件，可以方便合理地描述模具形状，处理坯料与模具间的摩擦，考虑材料硬化效应，温度等各种工艺参数对成形过程的影响，可以获
35、得成形过程中任意时刻的力学信息和流动信息，如应变场、速度场、应力场、位移场、温度场，预测缺陷的生成和扩展等。并可在计算机上虚拟实现成形过程，反复演示、计算和优化，这是其它研究方法所无法比拟的。金属塑性加工的变形过程以及矫直过程是一个非常复杂的弹塑性变形过程，这时既有材料非线性，又有几何非线性。随着金属塑性成形技术的日益发展，人们对其在成形北京科技大学硕士学位论文过程中的变形规律、变形力学的分析越来越重视。有限元法321作为一种有效的数值计算方法已经被广泛应用于金属成型过程的数值模拟方面。有限元法的基本原理是将求解未知场变量的连续介质体划分为有限个单元，单元用节点连接，每个单元内用插值函数表示场
36、变量抽值函数由节点确定，单元之间的作用有节点传递，建立物理方程。将全部单元的插值函数集合成整体场变量的方程组，然后进行数值计算。应用于金属成形工程的有限元法主要有弹塑性有限元法331、刚塑性有限元法341及有限变形的弹塑性有限元法等。金属成形中，具有三维变形特征的工艺比较多，尤其是锻造、挤压、轧制等体积成形工艺更是如此。金属的体积成形问题通常是材料非线性、几何非线性和工模边界接触非线性的综合。与其它有限元模型相比，有限变形弹塑性有限元法由于考虑了变形过程中的材料非线性和几何非线性，因此能够更为真实、准确地模拟材料的变形规律351。对于金属有限变形的数值模拟泪前主要有Euler法和Lagrang
37、e法。Euler法研究对象为空间质点，以当前构形为研究起点。由于当前时刻的节点场变量值是未知的，并且不便于对变形体形状变化的描述，因此多用于流体力学和稳态问题中。Lagrang。法以前一时刻的构形出发，能够方便地描述本构关系和变形历史的联系，传统上被用于弹塑性有限元分析361近年来，三维弹塑性有限元法在轧制变形过程中被广泛应用。杜凤山3刀等运用Lagrange法，模拟了板带轧制过程;刘立忠381等运用弹塑性有限元法中的显式动力学方法对平板轧制过程中的咬入阶段的非稳定变形进行了数值模拟;王艳文【391等运用三维热力祸合弹塑性有限元法对轧制方坯进行了模拟;卜勇力401等针对轧制H型钢过程中已出现产
38、品缺陷等问题，运用更新的Lagrange法模拟了轧制过程，给出了H型钢的腹板、翼缘及其交界区3点在轧制中应力及金属流动变化情况。模拟钢轨矫直的过程属于小变形的三维弹塑性问题，王荣4i. 421采用ANSYS结构分析软件，对重轨定径小变形物理场分析。分析了在位移载荷下的弹塑性应力、应变和位移分布;巫绪涛等43. 441应用平面小变形弹塑性有限元求解断裂问题。刘炳新38. 39. 40. 45.46. 471等建立适当的有限元模型，运用ANSYS软件仿真了考虑腹板和不考虑腹板的情况，从而验证了理论结果的正确性。2.4 ANSYS有限元分析软件概况本论文是研究钢轨矫直问题，采用ANSYS/LS-DY
39、NA有限元分析软件进行计算机模拟。以下是对ANSYS以及ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件的介绍。北京科技大学硕士学位论文ANSYS有限元分析软件是一个利用计算机技术进行工程分析的大型、通用软件，可运行于巨型计算机、小型计算机、工作站以及PC机上。ANSYS程序能满足从汽车、电子到宇航、化学等大多数工业领域的有限元分析(FEA)的需要，其功能已为全世界所公认。ANSYS软件在1995年成为分析设计领域中第一个，也是迄今为止唯一一个通过IS09001质量认证的软件，是美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局(NQA)认证的标准软件之一。ANSYS软件在中国率先通过全国压力容器标准化技术
40、委员会的严格考核，成为唯一与中国压力容器分析设计标准(JB47332-95)相适应的FEA软件。ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。ANSYS多物理场祸合的功能，允许在同一模型上进行各式各样的祸合计算，如:热一结构藕合、磁一结构祸合以及电一磁一流体一热棍合，在PC机上生成的模型同样可运行于巨型机上，这样就确保了ANSYS对多领域多变工程的求解。ANSYS/LS-DYNA的前后处理器是ANSYS/PRE-POST,求解器LS-DYNA，是全世界范围内最知名的有限元显式求解程序。LS-DYNA在1976年由美国劳伦斯利沃莫尔国家实验室(Lawrence Livermore Nati
41、onal Laboratory) J.O.Hall咖st博士主持开发，时间积分采用中心差分格式，当时主要用于求解三维非弹性结构在高速碰撞、爆炸冲击下的大变形动力响应，是北约组织武器结构设计的分析工具。LS-DYNA的源程序曾在北约的局域网Pubic Domain公开发行，因此广泛传播到世界各地的研究机构和大学。从理论和算法而言，LS-DYNA是目前所有的显式求解程序的鼻祖和理论基础。1988年，J.O.Hallquist创建利沃莫尔软件技术公司(Livermore Software TechnologyCorporation)，LS-DYNA开始商业化进程，总体来看，到目前为止在单元技术、材料
42、模式、接触算法以及多场祸合方面获得非常大的进步。19%年功能强大的ANSYS前后处理器与LS-DYNA合作，命名为ANSYS/LS-DYNA，目前是功能最丰富，全球用户最多的有限元显式求解程序。ANSYS/LS-DYNA的用户主要是发达国家的研究机构、大学和世界各地的工业部门(航空航天、汽车、造船、零件制造和军事工业等)。应用领域是:高速碰撞模拟(如飞机、汽车、火车、船舶碰撞事故引起的结构动力响应和破坏)、乘客的安全性分析(保护气囊与假人的相互作用，安全带的可靠性分析)、零件制造(冲压、锻压、铸造、挤压、轧制、超塑性成形等)、罐状容器的设计、爆炸过程、高速弹丸对板靶的穿甲模拟、生物医学工程、机
43、械部件的运动分析等。北京科技大学硕士学位论文2.5矫直工艺初步探讨如前所述，钢轨在多辊矫直机中的矫直过程，是一个连续反复弹塑性弯曲的复杂过程。通过研究矫直理论，揭示矫直过程本质，正确确定矫直参数，采用合理矫直工艺，对保证钢轨的矫直质量都具有重要意义48. 492.5.1矫直工艺的理论基础钢轨矫直的最终目的是钢轨的平直度达到使用要求，钢轨的残余应力达到最小。影响钢轨矫后平直度和残余应力的因素为:(1)矫直机矫正辊的压力;(2)钢轨的矫前弯曲度;(3)钢轨的材质;(4)钢轨的断面;5)钢轨的矫直温度;(6)钢轨的矫直方式;(7)钢轨的矫直次数。对包钢轨梁厂新引进的矫直机而台，矫直方式为立矫，矫直次
44、数为一次，故影响钢轨矫直质量的因素为:矫直压力、矫前弯曲度、材质、断面、矫直温度。研究这些影响因素，找出和采用合理的矫直工艺，可保证钢轨的矫直质量。2.5.2各种因素对钢轨矫直质最影响的研究前已叙述，钢轨矫直的目的是保证平直度和残余应力小，为保证钢轨平直度，在钢轨矫直过程中就要给一些压下量，钢轨矫直过程中给的压下量大小与钢轨的原始曲率屈服强度、钢轨断面形状有关，原始曲率越大，压下量越大。为找出合理的矫直工艺，必须研究以下问题:(1)矫直机矫正辊的压力对钢轨平直度和残余应力的影响;(2)钢轨的矫前弯曲度对钢轨平直度和残余应力的影响;(3)钢轨的材质对钢轨平直度和残余应力的影响;(4)钢轨的断面对
45、钢轨平直度和残余应力的影响:(5)钢轨的矫直温度对钢轨平直度和残余应力的影响。通过采取大量的试验，研究上述因素对钢轨平直度和残余应力的影响，找出合理矫直工艺，通过采用合理矫直工艺，来保证钢轨的平直度和残余应力最小。北京科技大学硕士学位论文2.6研究方案和关键性问题2.6.1研究方法本课题研究采用“理论分析一现场试验一现场数据分析一现场应用测试”相结合的研究方法，通过研究影响钢轨平直度和残余应力的各项因素及其控制方法，为生产高质量的钢轨提供指导与参考。主要针对以下问题重点开展研究。(1)建立矫直力学模型，通过理论分析，确定试验方案，研究残余应力的变化规律。(2)测定残余应力，分析测定值与理论计算
46、值的差距，通过大量采集实际生产数据，分析试验数据，找出合理的矫直工艺。(3)分析生产中对矫直工艺影响规律;确定试验方案，进行试验，收集试验数据。(4)把合理的矫直工艺应用于生产实际进行验证，实际生产中投入优化方案，验证方案的可行性。(5)大生产中数据的采集;进一步优化方案，投入应用。2.6.2关键性问题和难点本课题的关键在于对包钥钢轨矫直机如何建立一套适合一系列钢轨的矫直工艺，同时，由于现场数据非常多，如何利用系统方法，在纷繁复杂的数据中找出影响矫直工艺的各种因素也是一个及待解决的问题。矫直工艺确定后如何利用现场的数据对其修正，使之更加符合现场的条件，也是关键所在。由于影响矫直工艺的因素很多，
47、忽略那些次要因素，抓住主要因素就成为本课题的难点。同时，取大量的残余应力试样做检验也是不可忽视的一个难点。北京科技大学硕士学位论文3研究方案的制定及残余应力的测定3.1研究方案本课题研究采用“理论分析一现场数据分析一计算机模拟一现场试验一现场应用测试”相结合的研究方法，通过研究影响钢轨平直度和残余应力的各项因素及其控制方法，为生产高质量的钢轨提供指导与参考。主要针对以下问题重点开展研究。(1)确定残余应力测量的可行性及可靠性;(2)建立动态娇直力学模型，确定计算模拟的可行性和准确性;(3)建立动态矫直的力学模型，通过理论分析，确定试验方案，研究矫直规程对平直度、残余应力的影响;(4)通过理论分
48、析，确定试验方案，研究各种矫直规程对残余应力的影响;(5)分析生产中对矫直工艺的影响因素;确定实验室模拟方案，进行计算机模拟，比较计算值与实测值的差距分析生产中对矫直工艺的影响因素;(7)把合理的矫直工艺应用于生产实际进行验证。通过计算机模拟和工业试验相结合，得出试验结果，为现场提出合理的改进方案，再进行进一步工业试验，最终，为正确的指导工业生产制定出一种合理的矫直工艺，对工业生产提供科学的理论依据。3.2计算机模拟方案的制定规划设计研究方案，进行计算机模拟，再结合工业试验对模拟结果进行验证。实验方案制定采用正交试验50.，、521，设计实验方案和分析实验结果，提出最优配方和工艺条件，从而设计
49、出可能更优的实验方案。根据包钢轨梁厂矫直生产现场要求，选取第二道，第四道，第六道，第八道的压下量作为模拟实验的主要影响因素(每一因素均包括三个水平)进行正交实验设计，选用四因素三水平正交表50(见表3.1)来设计实验方案。如表3.1、3.2所示。北京科技大学硕士学位论文表3.1四因子三水平L9(30)编号尉、1c123AR21820.922BR41113.215CR64.55.67.5DR83.05.46表3.2实验方案编号矫直规程对应的压下量/mm1AIBICID118-11-4. 5-3. 02AIB2C2D218-13. 2-5. 6-5.43AIB3C3D318-15-7. 5-6. 04A2BIC2D320. 9-11-5. 6-65A2B2C3D120. 9-13. 2-7. 5-3.6A2B3CID220. 9-15-4. 5-5. 47A3BIC3D222-11-7. 5-5. 48A3B2ClD322-13. 2-4. 5-69A3B3C2Dl22-15-5. 6-3. 0标准A2B2C2D220. 9-13. 2-5
