基于Abaqus的慣性輪熱裝仿真分析

張國欣，王宏宇，萬德宏，李林杰

（中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002）

基于Abaqus的慣性輪熱裝仿真分析

張國欣，王宏宇，萬德宏，李林杰

（中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002）

根據熱脹冷縮原理，給出熱裝間隙與孔件升高溫度和軸件降低溫度函數關系公式。依據熱應力分析理論，以Abaqus軟件為平臺，通過有限元方法，研究了慣性輪輪心和輪軸間隙隨溫度變化情況。仿真結果表明，在輪軸溫度場由20℃降至0℃，輪心溫度場由20℃升至300℃，單邊間隙量由-0.09mm變化至0.427mm，與理論值相吻合，為熱裝方法研究提供了參考。

熱組裝；慣性輪；Abaqus；仿真分析

轉向架綜合性能試驗臺主要測試鐵路貨車轉向架制動性能和滾動性能。慣性輪裝置是該試驗臺的重要組成部分，其作用是將貨車的直線運動動能轉化為轉動動能。慣性輪主要由輪軸和輪心組成（圖1），因不同車型在不同運輸條件下動能大小不同，因此慣性輪裝置設計了可拆卸輪環，通過改變慣性輪質量，調整慣性輪轉動慣量，配合不同轉速，達到不同轉向架不同工況下試驗的能量需求。

輪軸和輪心組裝是慣性輪組裝制造重要環節，軸孔采用?265H7/s6過盈配合，最大過盈量約0.18mm，輪軸表面不允許有劃傷。熱裝工藝研究目前主要集中在包容件的加熱問題上，本文考慮同時將孔件升溫和軸件降溫，利用Abaqus軟件來分析大規模多組件模型的熱學問題[1-2]。

圖1 慣性輪主要結構

1 熱裝工藝

熱裝主要根據熱脹冷縮原理，通過讓孔脹大或讓軸縮小使其輕松裝配到位，恢復到室溫時，軸孔恢復到原有尺寸，以達到配合效果[3]。對于熱裝，根據配合直徑，可得到熱裝所需間隙Δ為：

式中：d——配合直徑，mm，取值265mm。

熱裝所需間隙Δ與孔件升高溫度t1、軸件降低溫度t2函數關系式為：

式中：δ——實測最大過盈量，mm，為安全起見，取最大過盈量0.18mm；

k1——孔件材料線膨脹系數，輪心材質45鋼；

k2——軸件材料線膨脹系數，輪軸材料40Cr，參照表1取值；

t0——環境溫度20℃；

t1、t2——可根據加熱制冷方法適當選取。大型零件吊裝對位困難，裝配過程時間較長，考慮此過程中的溫度損失，實際溫度在t1、t2基礎上對應增加降低10℃～30℃。

2 仿真分析

2.1 熱應力物理方程

若物體內部存在溫差分布 ΔT（x，y，z），因溫差引起的熱膨脹量為 αTΔT（x，y，z），αT為熱膨脹系數，物體的物理方程由于引入了熱膨脹量，將變為[4]：

式（3）中的指數形式為：

或者

其中：

2.2 網格及材料屬性

利用Abaqus軟件，考慮溫度場作用，建立仿真模型。該模型由兩個構件組成，輪軸材質40Cr，輪心材料45鋼，材料屬性如表1所示。由于該零件幾何、邊界約束及載荷均為軸對稱，因此選回輪軸、輪心的回轉體截面進行網格劃分[5]，共得到CAX4R網格19137個，節點19850個，如圖2所示。

表1 40Cr/45鋼材料屬性

圖2 網格劃分

2.3 邊界載荷及分析步

對于慣性輪，可忽略所受重力影響，設置邊界條件[6-8]。建立1個通用靜力學分析步驟，時間為1s。在系統默認初始分析步中給輪軸、輪心分別創建初始溫度場，大小為20℃，在通用靜力學分析步將輪軸溫度場定義為0℃，將輪芯溫度場定義為300℃，表明在1s內，輪軸的溫度由20℃改變為0℃，同時輪心由20℃改變為300℃。分別選取輪軸外表面和輪心內表面上的結點的徑向位移作為歷史歷程輸出，并以此檢測其單邊間隙量。

3 結果與驗證

3.1 仿真結果

建立相應作業并求解，經過1個增量步和1次迭代，該分析達到了收斂。為了清楚顯示變形情況，將變形顯示比例縮放至30倍，應力應變結果如圖3、4所示。由圖可知，慣性輪的最大應力為4.042×10-11MPa，最大應變為3.468mm，最小應變為4.463×10-4mm。

圖3 應力

圖4 應變

圖5 單邊間隙隨溫度變化曲線

軸孔單邊間隙隨溫度變化曲線如圖5所示，其中實線由仿真得到，虛線由理論公式計算得出。在輪軸溫度場由20℃降至0℃，輪心溫度場由20℃升至300℃時，仿真得到單邊間隙量由-0.09mm變化至0.427mm，理論計算得出單邊間隙量由-0.09mm變化至0.465mm，二者相吻合。

3.2 生產應用

根據公式（1），Δ取值0.53mm，從圖5仿真曲線上得到對應輪心溫度t1=212.236℃，輪軸溫度t2=6.269℃。帶入公式（2）得到Δ理論值為0.58mm。考慮整個生產過程中溫度消耗，輪心溫度加熱到230℃，輪軸放置室外自然降溫，保證其溫度在組裝時處于0℃以下，制造專用工裝將輪軸豎立放置，水平吊裝輪心并調整位置直至組裝完成。通過該工藝方法，順利完成4對輪軸、輪心組裝，依據GB15822標準進行磁粉探傷，輪軸表面無任何缺陷，表明該方法切實有效，從而證明了理論公式、仿真結果的有效性。組裝后實物圖如圖6所示。

圖6 裝配圖

4 結論

根據熱脹冷縮原理，推導得到熱裝間隙與孔件加熱溫度、軸件冷卻溫度之間的函數關系。以Abaqus軟件為平臺，根據慣性輪幾何與邊界特點，采用CAX4R單元類型和中心對稱方法，得到軸孔單邊間隙隨溫度變化曲線。當輪軸由20℃降為0℃，輪心由20℃升為300℃時，仿真結果表明，單邊間隙量由-0.09mm變化至0.427mm，理論計算結果單邊間隙量由-0.09mm變化至0.465mm，二者吻合。

對于大尺寸軸孔類產品過盈組裝，可采用孔件升溫、軸件降溫的方式，通過理論計算和仿真分析相結合，確定合理的熱裝溫度和工藝方案。從實際應用結果來看，該方法切實有效，對軸孔類產品熱組裝制造研究具有重要的參考意義。

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Simulation analysis of hot charging for inertia wheel based on ABAQUS

ZHANG Guoxin,WANG Hongyu,WAN Dehong,LI Linjie
（CRRC Qiqihar Rolling Stock Co.,Ltd.,Qiqihar 161002,Heilongjiang China）

The function relation formula of hot charging gap and heating temperature of hole part&cooling temperature of axial member has been put forward according to the principle of thermal expansion.The changing situation of inertia wheel center and axle gap with change of temperature has been studied on the basis of Abaqus software platform and thermal stress theory by use of finite element method.The simulation results show that the single side gap value has been changed from-0.09mm to 0.427mm when wheel axle temperature field changes from 20℃ down to 0℃ and the wheel center changes from 20℃ up to 300℃.The result matches with the theoretical value,which provides reference for hot charging method research.

Inertia wheel;Abaqus;Hot charging;Simulation analysis

TP391.9

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2017.03.012

1672-0121（2017）03-0049-03

2016-12-06；

2017-02-14

齊齊哈爾市科技局工業攻關資助項目（GYGG-201207）

張國欣（1972-），男，工程師，從事模具設計及制造工藝研究

李林杰（1987-），男，碩士。E-mail：lilinjie1987@126.com