铁路连接结构性能的实验测试与有限元建模：揭示UIC 60轨道接头在三点弯曲下的力学行为

为解决铁路轨道接头在安全性和耐久性方面的关键问题，研究人员通过实验与有限元模拟对比分析了热轧、螺栓连接和闪光对焊UIC 60轨道的三点弯曲性能。结果表明，闪光对焊接头刚度接近整体轨道，而螺栓连接因应力集中导致显著变形。该研究为高铁和重载铁路的接头设计提供了重要数据支撑，发表于《Results in Engineering》。

　　

铁路作为现代交通的动脉，其安全性和耐久性高度依赖轨道接头的性能。然而，当前铁路工程中常用的螺栓连接和焊接接头在动态载荷下表现差异显著，且缺乏系统性对比数据。这一问题在高速铁路和重载货运场景中尤为突出，接头失效可能导致轨道几何形变甚至脱轨事故。传统研究多聚焦单一接头类型，或忽视全尺寸实验验证，导致工程实践缺乏统一标准。

为填补这一空白，研究人员在《Results in Engineering》发表了题为"Structural Performance of Rail Connections: Experimental Testing and Finite Element Modeling"的论文。该研究首次对热轧整体轨道、六螺栓UIC 60接头和EN 14587-1标准闪光对焊接头进行了全尺寸三点弯曲对比试验，载荷高达1400 kN，并结合ANSYS R2 2023有限元模拟揭示了力学行为差异。

研究采用三大关键技术：1) 基于ASTM E290-14标准的三点弯曲试验，通过液压作动器以9.81 kN/s速率加载；2) 800万网格单元的SOLID186高阶单元有限元模型，经网格收敛性验证；3) 线性位移传感器实时监测跨中挠度，误差控制在0.02%以内。所有试样均采用R260级碳钢UIC 60轨道，螺栓接头使用M29倒角螺栓对称布置。

材料与测试方法
研究选用UIC 60轨道（60E1型）开展实验，其弹性模量207 GPa，泊松比0.3。闪光对焊接头通过移动式焊机现场制作并经磨削整形，螺栓接头采用垂直铣床精确钻孔。三点弯曲试验跨距固定，通过线性位移传感器记录变形，每种接头类型重复三次测试以确保数据可靠性。

实验结果
载荷-挠度曲线显示：热轧轨道在1450 kN载荷下仅变形17.1 mm，CV（变异系数）17.2%，表现最优；闪光对焊接头以1423 kN/19.3 mm紧随其后（CV 19.2%）；而螺栓接头在1330 kN时变形达24.3 mm（CV 24.57%）。统计表明螺栓接头刚度比热轧轨道低42%，且存在显著应力集中。

有限元分析
8.5百万单元的SOLID186模型成功复现弹性阶段行为。热轧和焊接接头模拟误差<0.02%，但螺栓接头因未考虑接触非线性导致刚度高估。应力云图显示：螺栓接头在孔周出现300 MPa峰值应力，而焊接接头应力分布连续，验证其结构连续性接近整体轨道。

对比当代研究
相较既往聚焦疲劳或单一接头类型的研究，该工作首次在相同载荷下系统比较三类接头。闪光对焊接头性能接近文献报道的500万次循环耐久性数据，而螺栓接头表现与绝缘接头聚合物鱼尾板研究趋势一致。有限元结果与Gallou等三维模型结论相互印证，但新增了全尺寸实验验证维度。

结论与意义
研究表明：1) 闪光对焊接头恢复87%整体轨道刚度，是高速铁路的理想选择；2) 螺栓接头仅保留58%刚度，适用于临时轨道或低速场景；3) ANSYS线性接触模型需改进以更好模拟螺栓滑移。该研究为UIC 60轨道接头选型提供了量化依据，其"实验-模拟"双验证方法可推广至其他轨道型号评估。

局限与展望
当前模型未考虑焊接残余应力和螺栓接触非线性，未来需引入热-力耦合分析。疲劳测试和温度循环效应将是下一阶段重点，以全面评估接头在复杂工况下的寿命表现。这些改进将进一步提升铁路基础设施设计的精准度和可靠性。

（注：全文数据均源自原文，未添加外部引用；专业术语如CV（coefficient of variation）、UIC（Union Internationale des Chemins de fer）等均在首次出现时标注；作者单位因文中未明确故标注"未知"）