本发明涉及轨道交通安全研究领域，涉及车轮-轨道接触的理论与实践计算机仿真方法。
背景技术：
当前，地铁、高铁等轨道交通体系在我国得到了快速发展和大规模建设。如何评估服役期轮轨体系的安全性和可靠性，是我国轨道交通安全领域所面临的主要问题。经过参数校正后的有限元模拟技术，可以实现各种工况下的轮轨接触仿真计算，已被国内外广泛用于轮轨摩擦、断裂及损伤分析，因而可作为服役期轮轨安全评估及磨损分析的可靠预测手段。由于软、硬件计算性能及存储性能的限制，轮轨接触模拟尚存在大规模、复杂模型难以运行、循环加-卸载难以实现等缺陷。
借助于大型非线性有限元软件abaqus，利用其优异的接触处理性能和模型变换技术，可实现对复杂受力条件下的轮轨相互作用进行仿真分析，并大规模降低物理试验的成本，有助于推动轨道交通科技的发展。轮轨接触分析需针对车辆平稳运行状态进行评估，此前的有限元轮轨循环模拟尚未考虑到加、卸载引起的边界效应影响，因而难以消除误差。此外，尚未见轮轨循环作用实施方法的相关描述。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有研究的不足，提供了一种能够消除加、卸载边界效应影响，准确描述循环荷载作用下轮轨接触的计算机仿真分析方法。
技术方案：本发明提供的一种基于有限元模拟的车轮-轨道接触循环加-卸载仿真分析方法，包括以下步骤：
(1)利用有限元软件abaqus，建立单轴拉压轴对称模型；
(2)进行单轴拉压循环试验模拟，并根据室内试验结果和chaboche模型，对材料非线性硬化参数进行校正；
(3)建立车轮-轨道接触模型，对材料参数和接触参数进行设置；
(4)将单次循环分解为加载阶段、平稳滚动阶段和卸载阶段等3个阶段，并分别设置加载条件、约束条件、接触条件和边界条件；
(5)利用restart机制，导入上一次计算结果，在此基础上对轮轨接触加-卸载模拟，并保存卸载阶段结果，以作为下一次循环的初始条件。
所述的步骤(1)中，采用常规狗骨式(dog-bonetype)光滑圆柱试样模型，其圆柱直径为14mm，圆柱长度25.4mm；
所述的步骤(2)中，对单轴循环加压载荷试验模拟，基于唯象理论和chaboche拟合模型，利用相同条件下的室内试验结果，即应力-应变曲线校正材料的屈服强度、硬化参数等力学参数；
所述的步骤(3)中，根据实际需要选取车轮模型和轨道模型，并设置车轮参考点及其耦合刚性面，以模拟车轴刚性体；
所述的步骤(4)中，在加载阶段，需休眠无关部件和约束关系及接触关系，仅保留本次循环所必须的车轮、轨道部件和接触关系；在平稳滚动阶段，设置所关心的监测部位和变量，以做分析所用；在卸载阶段，需保利计算结果，以做下一轮分析所用；
所述的步骤(5)中，在加载阶段model-editattributes选项中设置restart数据，在卸载阶段output-restartrequests选项中保留计算结果。
有益效果：本发明基于车轮-轨道接触理论进行计算机仿真分析，能够消除加、卸载边界效应影响，可实现对复杂受力条件下的轮轨相互作用进行仿真分析，可解决当前轮轨接触研究难以对循环荷载作用进行描述的缺陷，适用于大规模轮轨接触疲劳、损伤等循环加、卸载行为仿真分析。
附图说明
图1为本发明的总体流程示意图。
图2为本发明的单轴拉压循环试验模拟模型图。
图3为本发明的三维轮轨接触有限元模型图。
图4为本发明的载荷幅值曲线(载荷放大系数-时间关系图)。
图5为本发明的模型变更及接触设置示例。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明进行详细的描述。
本发明提供了一种基于有限元模拟的车轮-轨道接触循环加-卸载仿真分析方法，其操作流程如图1所示，具体步骤如下：
(1)利用有限元软件abaqus，建立狗骨式(dog-bonetype)光滑圆柱试样模型，其圆柱直径为14mm，圆柱长度25.4mm，如图2(a)所示；对圆柱体内部单元的竖向应力、应变进行监测，并绘制真实应力应变曲线。进行多次加载的竖向应变云图如2(b)所示。
(2)进行单轴拉压循环试验模拟，并根据室内试验结果和chaboche模型，对材料非线性硬化参数进行校正。循环加、卸载曲线拟合的关键在于根据唯象理论进行的棘轮效应拟合。基于chaboche非线性随动硬化模型，首先需要确定backstressα的数量和大小，然后将其叠加，可获得循环加-卸载试验结果的棘轮效应拟合。其拟合公式如下：
其中，k为backstress的数量，εp为单轴塑性应变，ck和γk为需要校正的chaboche参数，α为反力，αk为反力的分量，n为反力的数量。
(3)建立车轮-轨道接触模型，利用已校正好的材料参数和接触参数对车轮、轨道模型进行赋值。图3所示为直径860mm，踏面形态为lma的车轮模型和钢轨型号为chn60的轨道模型装配图。循环加-卸载试验需要考虑加、卸载引发的边界效应的影响，因而需要设置足够长的平稳滚动区域。本例所示的轨道模型长1.5m，由12万个c3d8单元组成；车轮由4万个c3d8单元组成。
(4)需要在车轮中心参考点上施加法向荷载p、切向荷载q和以边界条件形式施加的转角r。单个循环p、q、r的幅值曲线如图4所示。在0.5ms内，逐渐对车轮中心施加法向荷载至设定值；在0.5ms-3.843ms内，保持竖向荷载不变；在3.843-4.0ms内，将法向荷载逐渐减小至零。在法向加载完成后，进行切向加载和滚动加载；同时，在法向卸载完成前，进行切向卸载和滚动卸载。
(5)多次循环加载需要利用abaqua的modelchange功能和restore机制。图5所示为5个循环的轮轨接触设置示例。对于单个循环，需要休眠无关部件和约束关系、接触关系；同时激活相关部件及其约束关系、接触关系。从图中可以看到，每个循环均包含3个分析步，分别对应于加载阶段、平稳滚动阶段和卸载阶段。在加载阶段，需休眠无关部件和约束关系及接触关系，仅保留本次循环所必须的车轮、轨道部件和接触关系；在平稳滚动阶段，设置所关心的监测部位和变量，以做分析所用；在卸载阶段，需保利计算结果，以做下一轮分析所用，及在output-restartrequests中保留计算结果。对于下一个循环的加载阶段，则需在model-editattributes中选择读取上一轮循环的结果数据作为起点进行分析。理论上，本方法可适用于无限次数车轮-轨道滚动接触模拟，并可单独提取特定循环次数的结果进行分析。
上文中，chaboche拟合模型即chaboche非线性随动硬化模型。材料参数包括材料硬化参数和材料的屈服强度；接触参数指轮轨接触面的参数，包括切向、法向接触面滑动设置和摩擦设置。