軌道絕緣接頭之應力數值分析

(1)

軌道絕緣接頭之應力數值分析

黃忠信謝佳陵

(2)

結論與建議 ABAQUS設定

有限元素數值分析模型簡介

大綱

 軌道組成

 軌道接頭簡介

 研究動機與目的

數值模擬分析結果

(3)

簡介

• 鐵路 • 公路客運 • 高鐵

(4)

軌道組成

簡介

鋼軌

魚尾鈑

(5)

軌道接頭

• 一般接頭

• 絕緣接頭

簡介

(6)

研究動機與目的

• 絕緣之目的簡介

絕緣接頭絕緣接頭

(7)

結論與建議 ABAQUS設定

有限元素數值分析模型簡介

大綱

 50kgN 鋼軌

 50kgN 魚尾鈑

 絕緣片

 環氧樹脂厚度

 螺栓

 螺栓絕緣套筒

 鋼軌間絕緣片

 軌枕

數值模擬分析結果

(8)

有限元素數值分析模型

整體模型

絕緣片 50kgN 魚尾鈑

環氧樹脂

螺栓

50kgN 鋼軌

螺栓絕緣套筒

(9)

50kgN 鋼軌、 50kgN魚尾鈑

• 斷面選擇

CNS3268 – 50kgN鋼軌

有限元素數值分析模型

CNS2787 – 50kgN 鋼軌用魚尾鈑

560mm

(10)

單位：(mm)

環氧樹脂厚度

• 平移方式

有限元素數值分析模型

平移厚度實際厚度

top

bottom

top bottom

5mm 1.71 1.5

7.5mm 2.58 1.75

10mm 3.42 2

12.5mm 4.27 2.24

• 平移厚度下之實際厚度

平移厚度

位置

單位：(mm)

(11)

有限元素數值分析模型

螺栓、鋼軌間絕緣片、螺栓絕緣套筒

2mm 2.5mm

• 螺栓

• 螺栓絕緣套筒

厚度：9.5mm

• 鋼軌間絕緣片

(12)

• 幾何

CNS2519鐵路木枕（軌距1067mm者）

標準尺度：2150 × 140 × 200 (mm) 有效長度： ¹

3 × 2150 = 716.67 (mm) (Profillidis)(AREMA)

• 配置方式

交通部 - 1067公厘軌距軌道橋隧檢查養護規範

• 懸接法

(suspended)

• 托接法

(supported)

有限元素數值分析模型

軌枕

(13)

結論與未來方向 ABAQUS設定

有限元素數值分析模型簡介

大綱

 材料參數設定

 彈性基礎

 分析方法

 網格劃分設定

 載重設置

數值模擬分析結果

(14)

鋼鐵：鋼軌、魚尾鈑、螺栓

環氧樹脂：鋼軌與魚尾鈑間絕緣體、

鋼軌間絕緣片、螺栓套筒木頭：枕木

材料參數設定

ABAQUS設定

參考文獻：Himebaugh, A.K., Plaut, R.H., Dillard, D.A., “Finite element analysis of bonded insulated rail joints,” International Journal of Adhesion & Adhesives

材料 Young’s modulus (E)

Poisson’s ratio ( υ)

鋼鐵 207 (GPa) 0.3

環氧樹脂

可壓縮

2.4 (GPa)

0.34 近似

不可壓縮 0.499

木頭 10.3(GPa) 0.3

(15)

ABAQUS設定

彈性基礎

• 彈性基礎

k = (20.684N mm ^⁄ ² )∗C𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑒𝑒𝑡𝑡 𝐶𝐶𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑒𝑒 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑆𝑇𝑇𝑒𝑒𝑆𝑆 𝐴𝐴𝑒𝑒𝑒𝑒𝑆𝑆 𝑡𝑡𝑜𝑜 𝑇𝑇𝑇𝑇𝑒𝑒

參考文獻：Himebaugh A.K., Plaut R.H., Dillard D.A., “Finite element analysis of bonded insulated rail joints,” International Journal of Adhesion & Adhesives

(16)

τ σ

分析方法

ABAQUS設定

(17)

分析方法

ABAQUS設定

Top-top Top-bot

1 2

Bot-top

Bot-bot

(18)

網格劃分設定

ABAQUS設定

Top

S22(MPa) S12(MPa) S23(MPa)

top-top

-97.147 35.213 38.625

top-bot

-106.129 -34.284 34.635

(19)

S12-top-bot Max(MPa) Difference From T-M0175 (%)

T-M0300

-31.035 -10.832

T-M0250

-34.743 -0.179

T-M0200

-36.106 3.736

T-M0175

-34.805 --

S23-top-top Max(MPa) Difference From T-M0175 (%)

T-M0300

33.552 -0.821

T-M0250

33.668 -0.478

T-M0200

33.829 -0.004

T-M0175

33.830 --

S12-top-top Max(MPa) Difference From T-M0175 (%)

T-M0300

33.845 -16.971

T-M0250

37.537 -7.914

T-M0200

40.501 -0.643

T-M0175

40.763 --

S23-top-top Max(MPa) Difference From T-M0175 (%)

T-M0300

44.380 -1.129

T-M0250

44.615 -0.604

T-M0200

44.886 0.000

T-M0175

44.886 --

網格劃分設定 – 凹圓角

ABAQUS設定

Top

S22-top-top Max(MPa) Difference From T-M0175 (%)

T-M0300

-106.898 -5.469

T-M0250

-108.725 -3.853

T-M0200

-111.868 -1.074

T-M0175

-113.082 --

S22-top-bot Max(MPa) Difference From T-M0175 (%)

T-M0300

-102.422 0.499

T-M0250

-102.103 0.186

T-M0200

-102.037 0.122

T-M0175

-101.913 --

(20)

網格劃分設定 – 凹圓角

ABAQUS設定

Bot

S22(MPa) S12(MPa) S23(MPa) bot-top

28.178 -4.834 16.265

bot-bot

27.063 9.260 23.221

(21)

網格劃分設定 – 凹圓角

ABAQUS設定

Bot

S33-bot-top Max(MPa) Difference From B-M0175 (%)

B-M0300

15.863 -0.236

B-M0250

15.876 -0.153

B-M0200

15.883 -0.111

B-M0175

15.901 --

S33-bot-bot Max(MPa) Difference From B-M0175 (%)

B-M0300

51.559 -3.693

B-M0250

51.969 -2.927

B-M0200

52.757 -1.454

B-M0175

53.536 --

S23-bot-top Max(MPa) Difference From B-M0175 (%)

B-M0300

15.997 -0.045

B-M0250

15.989 -0.036

B-M0200

15.999 -0.030

B-M0175

16.004 --

S23-bot-bot Max(MPa) Difference From B-M0175 (%)

B-M0300

26.458 -3.054

B-M0250

26.534 -2.777

B-M0200

26.894 -1.458

B-M0175

27.292 --

(22)

網格劃分設定

ABAQUS設定

托接法

枕木

S22 - supported

網格編號 B-M0200

• 鋼軌與鋼軌間絕緣片交界處細緻網格 S22 最大值：31.18MPa

• 枕木邊界細緻網格

S22 最大值：31.34MPa

S22 - suspended

(23)

• 集中載重： 145kN

• 位置：

ABAQUS設定

載重設定

Center Off Center

140mm

suspended S11 (MPa)

S22 (MPa)

S33 (MPa)

S12 (MPa)

S13 (MPa)

S23 (MPa)

center max 20.99 31.73 42.8 39.61 18.63 32.83

min -71.65 -147.4 -74.9 -62.62 -13.00 -27.36 off

center

max 18.41 30.47 35.77 15.37 16.17 29.98

min -31.38 -49.38 -49.53 -22.98 -11.37 -17.57 supported S11

(MPa)

S22 (MPa)

S33 (MPa)

S12 (MPa)

S13 (MPa)

S23 (MPa) center max 11.26 35.53 17.93 35.51 15.98 33.37

min -63.89 -135.2 -60.06 -57.21 -11.93 -15.75 off

center

max 10.38 32.59 16.36 13.37 14.02 25.94

min -27.88 -38.38 -41.12 -20.37 -9.427 -10.44

(24)

ABAQUS設定

載重設定

• 螺栓預緊力

Pb = T KD

Pb = 螺栓預緊力 T = 螺栓扭力

K = 螺栓扭力係數

D = 螺栓直徑

(25)

結論與未來方向數值模擬分析結果

ABAQUS設定

有限元素數值分析模型簡介

大綱

 模型幾何驗證

 環氧樹脂厚度

 魚尾鈑長度

 環氧樹脂柏松比

(26)

模型幾何驗證

數值模擬分析結果

• 理論解計算：

 δ = PL3 48EI

• 方法：

 σ ₃ = My I

• 結果比較：

理論解數值分析結果誤差(%) 中點垂直變位

(mm) -17.268 -16.797 -2.728

中點底部應力

(MPa) 9.135 9.116 -0.212

(27)

5 7.5 10 12.5 0

10 20 30 40 50

平移厚度 (mm)

S tr e ss ( MP a )

Top S23

Top-top suspended Top-bot suspended Top-top supported Top-bot supported

環氧樹脂厚度

數值模擬分析結果

Top

5 7.5 10 12.5

-110 -100 -90 -80 -70 -60 -50

平移厚度 (mm)

S tr e ss ( MP a )

Top S22

5 7.5 10 12.5

-80 -60 -40 -20 0 20 40 60

平移厚度 (mm)

S tr e ss ( MP a )

Top S12

環氧樹脂厚度應力

12.5mm

Top-bot S22(MPa) S12(MPa) S23(MPa) Suspended -12.621 -13.325 1.077

Supported -10.934 -11.540 0.985

托接法應力

懸接法應力

(28)

環氧樹脂厚度

數值模擬分析結果

Bot

5 7.5 10 12.5

10 15 20 25 30 35

平移厚度 (mm)

S tr e ss ( MP a )

Bot S22

Bot-top suspended Bot-bot suspended Bot-top supported Bot-bot supported

0 10 20 30

S tr e ss ( MP a )

Bot S23

Bot-top suspended Bot-bot suspended Bot-top supported Bot-bot supported

• S22

– 懸接法

– 托接法

環氧樹脂厚度應力

托接法應力懸接法應力

• 整體

(29)

魚尾鈑長度

數值模擬分析結果

Top-top

490 560 630

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60

魚尾鈑長度 (mm)

S tr e ss ( MP a )

Top-top S22

5mm suspended 7.5mm suspended 10mm suspended 12.5mm suspended 5mm supported 7.5mm supported 10mm supported 12.5mm supported

490 560 630

20 25 30 35 40 45

S tr e ss ( MP a )

Top-top S12

490 560 630

25 30 35 40 45 50

S tr e ss ( MP a )

Top-top S23

魚尾鈑長度應力

影響並不大

(30)

魚尾鈑長度

數值模擬分析結果

Top-bot

490 560 630

-110 -100 -90 -80 -70 -60

S tr e ss ( MP a )

Top-bot S22

5mm suspended 7.5mm suspended 10mm suspended 5mm supported 7.5mm supported 10mm supported

-35 -30 -25 -20

S tr e ss ( MP a )

Top-bot S12

490 560 630

10 15 20 25 30 35

S tr e ss ( MP a )

Top-bot S23

490 560 630

-15 -10 -5 0

S tr e ss ( MP a )

S22 suspended S12 suspended S23 suspended S22 supported S12 supported S23 supported

環氧樹脂平移厚度12.5mm Top-bot

(31)

魚尾鈑長度

數值模擬分析結果

Bot

490 560 630

22 24 26 28 30

S tr e ss ( MP a )

Bot-top S22

490 560 630

0 5 10 15

S tr e ss ( MP a )

Bot-top S23

490 560 630

20 22 24 26 28 30 32

S tr e ss ( MP a )

Bot-bot S22

490 560 630

5 10 15 20 25 30

S tr e ss ( MP a )

Bot-bot S23

枕木

(32)

環氧樹脂柏松比

數值模擬分析結果

 C3D8R

 C3D20R

 模型：托接法凹圓角，環氧樹脂厚度5mm

(33)

環氧樹脂柏松比 – 正向應力

數值模擬分析結果

5mm Top-top S22 5mm Top-bot S22

υ = 0.34 υ = 0.499 υ = 0.34 υ = 0.499

可壓縮材料應力不可壓縮材料應力

(34)

環氧樹脂柏松比 – 正向應力

數值模擬分析結果

34 υ = 0.34 υ = 0.499

υ = 0.34 υ = 0.499

5mm Bot-top S22 - 1

5mm Bot-bot S22 - 1

5mm Bot-top S22 - 2

5mm Bot-bot S22 - 2

1 2

(35)

環氧樹脂柏松比 – 剪應力

數值模擬分析結果

35

5mm Top-top S12

5mm Top-bot S12

υ = 0.34 υ = 0.499

5mm Top-top S23

5mm Top-bot S23

不可壓縮材料應力可壓縮材料應力

不可壓縮材料應力

可壓縮材料應力

(36)

結論與建議數值模擬分析結果

ABAQUS 設定

模型幾何與材料參數設定簡介

大綱

(37)

結論

結論與未來方向

• 環氧樹脂厚，可降低應力。

• 枕木排列為托接法時，能有效降低應力值。

• 魚尾鈑之縱向長度在一定範圍內，模型在較短魚尾鈑時有較大S22，但使用較長之魚尾鈑時與使用規範長度魚尾鈑時的應力差異不大，故目前規範之長度合理。

• 環氧樹脂為可壓縮材料時，應力較低。

(38)

建議

結論與未來方向

• 直接針對托接法模型做研究。

• 未來研究在選擇元素時選擇使用一階元素，再做後續之網格劃分設定。

• 將環氧樹脂設定為超彈性材料，觀察材料性質改變後，軌道絕緣

接頭之受力行為有何改變。

(39)

軌道絕緣接頭之應力數值分析