臺灣博碩士論文加值系統

本文旨在以有限元素法探討車輪與鋼軌接觸之靜態應力，所探討之鋼軌為含有裂紋缺陷之結構體。車輪與鋼軌的接觸設計影響行車之舒適性、安全性及穩定性。鋼軌在製造過程往往會產生加工缺陷，降低鋼軌之強度。鋼軌必須有足夠的強度來承載車體，以防止破壞現象之發生。本文使用Solid Works繪圖軟體來建構六種不同型式之輪軌模型，再導入有限元素軟體ANSYS來分析輪軌接觸之應力分布。本文分析車輪與鋼軌之接觸效應，同時探討不同裂紋型態對於鋼軌應力分布之影響。本文發現有缺陷鋼軌之最大等效應力遠大於無缺陷之鋼軌，應力集中會發生於裂紋尖端處，且會造成裂紋的破裂擴展。最後本文討論鋼軌存在孔洞時之應力集中現象，發現在孔洞邊緣會有應力集中，容易造成裂紋缺陷之產生。

The aim of this paper is to analyze the static stress for the defective steel-rail and wheel in contact using the finite element method. The riding quality, safety, and stability depend on the contact design of wheel and steel-rail. The crack defects exist in the steel-rail due to the manufacturing process will decrease the strength of the rail. The strength of the steel-rail must be large enough to prevent the yielding and fracture. The model of steel-rail and wheel was constructed by using the graphic software, Solid Works. The finite element software, ANSYS, was employed to calculate the stress distribution. The contact effect between the wheel and steel-rail was considered. Many kinds of cracks exist in the rail were simulated in this study. It was found that the maximum equivalent stress of the defective steel-rail is greater than that of the steel-rail free from the crack defects. The stress concentration exists in the crack tip, which will cause the crack to extend unstably. Finally, the influence of the drilling hole on the steel-rail was also studied. It was found that the stress concentration exists in the hole boundary, in which a crack defect may be initiated.

誌謝 I
摘要 II
ABSTRACT III
目錄 IV
表錄 IX
圖錄 X
第一章 緒論 1
1.1研究動機 1
1.2文獻回顧 2
1.3 本文目的 4
第二章 鋼軌結構與裂紋缺陷 6
2.1鋼軌結構型式及材質特性 6
2.2.1鋼軌的質量與重量 6
2.2.2鋼軌的結構特性 6
2.2.3鋼軌材質特性 7
2.2 鋼軌內部缺陷的形成原因 8
2.2.1鋼軌整體(Rail Full Section) 8
2.2.2鋼軌頭部(Rail Head) 9
2.2.3鋼軌腹部(Rail Web) 9
2.2.4鋼軌基部(Rail Base) 10
2.2.5鋼軌焊接(Rail Welding) 10
2.3 鋼軌內部裂紋之型態 11
2.3.1軌頭漸進式橫向裂縫 11
2.3.2鋼軌水平裂縫 11
2.3.3鋼軌軌腹斜向裂縫 12
2.3.4鋼軌縱向垂直裂縫 12
2.4超音波探傷檢測技術簡介 12
第三章 缺陷鋼軌與車輪之模擬 21
3.1 ANSYS有限元素軟體介紹 21
3.1.1有限元素法原理 21
3.1.2 ANSYS有限元素的處理流程簡述 22
3.2 輪軌模擬 23
3.3 裂紋模擬 24
3.4 鋼軌材料 25
3.5 有限元素模擬 25
3.5.1網格化 26
3.5.2邊界條件與負載設定 26
第四章 車輪與鋼軌接觸之理論與模擬 51
4.1鋼軌力學相關介紹 51
4.2鋼軌之接觸應力理論 52
4.3 ANSYS有限元素之接觸模擬 53
4.3.1面與面的接觸元素 53
4.3.2面與面的接觸分析 53
4.3.3面與面接觸分析的步驟： 54
4.4車輪與鋼軌之接觸之設定 57
第五章 輪軌應力有限元素分析結果 66
5.1 應力與安全係數 66
5.2裂紋對鋼軌之影響 67
5.2.1無缺陷鋼軌（CASE1） 67
5.2.2軌頭漸進式橫向裂縫（CASE2） 68
5.2.3鋼軌水平裂縫（CASE3） 69
5.2.4鋼軌縱向垂直裂縫（CASE4） 69
5.2.5綜合比較 70
5.2.5.1位移變形量 70
5.2.5.2等效應力 71
5.2.5.3正應力 72
5.2.5.4剪應力 74
5.3鑽孔對鋼軌之影響 74
5.3.1無缺陷軌腹鑽孔鋼軌（CASE5） 75
5.3.2鋼軌軌腹斜向裂縫（CASE6） 75
5.3.3綜合比較 76
5.3.3.1位移變形量 76
5.3.3.2等效應力 77
5.3.3.3正應力 78
5.3.3.4剪應力 79
5.4裂紋的長度影響 79
5.4.1鋼軌水平橫向裂紋之長度比較 79
5.4.2鋼軌軌腹斜向裂紋之長度比較 80
5.4.3綜合比較 80
5.5結果與驗證 81
第六章 結論與建議 118
6.1結論 118
6.2建議 120
參考文獻 123
簡歷 126

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