重載貨車車鉤強度非線性有限元仿真分析

李朋，朱濤，王超，肖守訥

(1. 神華鐵路裝備有限責(zé)任公司 肅寧車輛維修分公司，河北 肅寧 062350; 2. 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031)

0 引言

隨著我國重載鐵路的快速發(fā)展，鐵路貨車牽引噸位、編組數(shù)量、運行速度的不斷增加，車輛間縱向載荷隨之增大，尤其在長大坡道條件下，車輛間沖擊載荷急劇增大，惡化了車鉤的服役條件[1-3]。針對目前重載貨車的服役運行條件，一方面對車鉤強度服役安全性提出了更高的要求；另一方面，長大編組運行大幅度降低了車鉤的服役疲勞壽命，并在一定程度上縮短了檢修周期，進而增加了維修成本。為此針對目前重載鐵路貨車主流應(yīng)用的16、17型車鉤進一步深入分析整體結(jié)構(gòu)的載荷-應(yīng)力強度映射關(guān)系，為車鉤結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化，服役狀態(tài)可靠性評估提供支撐。

目前我國重載貨車車鉤采用預(yù)防性計劃檢修的模式，更多地依賴于周期性定期檢查，缺乏結(jié)構(gòu)在既有服役狀態(tài)下的狀態(tài)性評估[4]。作為車鉤可靠性評估的首要條件是明確結(jié)構(gòu)的載荷-應(yīng)力-強度映射關(guān)系，進而建立準確的分析模型。針對重載車鉤，現(xiàn)有文獻中主要采用獨立結(jié)構(gòu)建模以及線性數(shù)值分析相結(jié)合的方法。李晨曦等[5]單獨對鉤體做了拉伸和壓縮工況的線性分析；于兆華[6]將鉤舌和鉤體分離，采用分別施加約束的方法進行強度數(shù)值分析；管艷華等[7]單獨對鉤舌進行線性數(shù)值分析；苗偉明等[8]對鉤舌與鉤體裝配體進行了線性分析。上述強度分析模型中均將材料特性考慮為線性，部件之間的接觸則是通過力和位移來限制，與實際部件之間接觸非線性狀態(tài)吻合度不高，伴隨大載荷工況條件時，數(shù)值仿真計算結(jié)果與實際結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)誤差較大。

為考慮車鉤接觸部件之間力傳遞的相互影響，更加準確地建立結(jié)構(gòu)的載荷-應(yīng)力強度映射關(guān)系，本文采用車鉤整體裝配建模的方法，建立了車鉤裝配體非線性有限元模型，各零部件之間的相互作用通過定義接觸進行傳遞，同時考慮材料非線性對結(jié)構(gòu)強度的影響，得到車鉤在裝配狀態(tài)下的載荷應(yīng)力分布狀態(tài)，并將鉤舌數(shù)值計算應(yīng)變區(qū)與實際服役狀態(tài)中上、下牽引臺接觸部位的磨耗、壓痕進行對比，驗證了模型的可靠性以及強度關(guān)系的準確性，為更加準確地評估結(jié)構(gòu)的服役狀態(tài)提供重要參考。

1 車鉤整體裝配與受力分析

由于車鉤裝配關(guān)系和接觸關(guān)系的復(fù)雜性，通常將車鉤零部件作為分離體對其邊界施加載荷和位移進行獨立分析，進而會導(dǎo)致數(shù)值仿真模型與實際接觸狀態(tài)誤差較大，不能合理地模擬出實際結(jié)構(gòu)內(nèi)部載荷傳遞狀態(tài)以及準確的載荷應(yīng)力強度映射關(guān)系。采用車鉤整體裝配體與接觸分析方法可有效解決單個部件分析而引入過度約束的問題，即：將車鉤所有受力部件進行建模并完成精準裝配，然后對裝配體接觸部位間建立相應(yīng)的接觸模型，以更加真實地模擬車鉤零部件間的接觸位置及受力面積并進行自動調(diào)整，有效提高數(shù)值模型與實際服役狀態(tài)的吻合程度。

車鉤緩沖裝置由車鉤(鉤體、鉤舌)、鉤尾框、緩沖器、前從板、轉(zhuǎn)動套、鉤尾銷等零部件組成[9]，安裝于車體底架兩端的牽引梁內(nèi)，各部件連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 車鉤緩沖裝置

當(dāng)車鉤受拉時力的傳遞順序為：鉤頭—鉤尾銷—鉤尾框—緩沖器—從板—從板座—牽引梁，如圖2所示。當(dāng)車鉤受壓時力的傳遞順序為：鉤頭—鉤尾圓弧面—從板—緩沖器—壓潰吸能元件—安裝底板—牽引梁，如圖3所示。

圖2 拉載荷力傳遞關(guān)系

圖3 壓載荷力傳遞關(guān)系

2 材料參數(shù)和驗收標準

16型、17型車鉤是目前重載貨車主型結(jié)構(gòu)，鉤體、鉤舌材料為鑄造E級鋼，牌號25MnCrNiMoA，鉤尾框為鍛造E級鋼，牌號ZG25MnCrNiMo[10]。根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗-第1部分：室溫試驗方法》，在CSS-2220電子萬能試驗機上測定了兩種材料的各項基本力學(xué)性能，如表1所示。TB/T 456—2008《機車車輛用車鉤、鉤尾框》規(guī)定了16型、17型車鉤系統(tǒng)的強度驗收標準，如表2所示。

表1 E級鋼的力學(xué)性能

表2 16型、17型車鉤系統(tǒng)靜強度指標

鑄造E級鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線為非線性，從結(jié)構(gòu)本體取樣進行試驗，獲取車鉤材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線，采用多線性隨動強化本構(gòu)模型擬合得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 鑄造E級鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線

3 車鉤裝配體有限元模型

3.1 單元網(wǎng)格離散

基于16型、17型車鉤系統(tǒng)裝配體建立了詳細的車鉤有限元模型，采用高階四面體單元離散，單元類型為SOLIDS187，單元尺寸為4mm，總單元數(shù)為3026981，有限元模型如圖5所示。

圖5 16型、17型車鉤有限元模型

3.2 接觸定義

完整的車鉤裝配體接觸關(guān)系主要包括：鉤體牽引臺-鉤舌牽引臺、鉤舌-鉤舌S面、鉤舌銷孔-鉤舌銷、鉤耳孔-鉤舌銷接觸[9]。目標面采用TARGE170接觸單元，接觸面采用CONTA174單元，接觸類型為標準面接觸，即允許接觸面分離、閉合和產(chǎn)生相對滑動，滑動摩擦系數(shù)取0.3。忽略初始穿透并保留初始間隙，計算過程允許自動更新接觸剛度以提高計算收斂性，接觸部位關(guān)聯(lián)單元如圖6所示。

圖6 接觸單元

3.3 載荷和邊界條件的設(shè)定

已知車鉤服役過程中主要薄弱部位為鉤舌、鉤體上、下牽引臺部位，且主要由拉伸載荷引起疲勞裂紋失效，因此主要研究車鉤受到拉伸載荷作用下的受力狀態(tài)[11-12]。其邊界條件設(shè)定為：車鉤一端尾銷孔處約束三方向位移，另一端尾銷孔處施加600kN、800kN、1000kN、1200kN的拉伸載荷，鉤舌與鎖鐵接觸部位施加橫向約束，邊界條件如圖7所示。

圖7 載荷邊界條件

3.4 數(shù)值計算結(jié)果

基于彈塑性非線性模型計算得到四級拉伸載荷下鉤舌、鉤體牽引臺根部最大節(jié)點平均等效應(yīng)力和最大節(jié)點平均P1應(yīng)力如表3-表6所示。由于篇幅限制，僅給出了鉤體和鉤舌在800kN載荷作用下的應(yīng)力分布云圖，如圖8-圖11所示。

表3 600 kN拉伸載荷應(yīng)力結(jié)果

表4 800 kN拉伸載荷應(yīng)力結(jié)果

表5 1 000 kN拉伸載荷應(yīng)力結(jié)果

表6 1 200 kN拉伸載荷應(yīng)力結(jié)果

圖8 16型鉤體等效應(yīng)力云圖(800 kN)

圖9 16型鉤體P1應(yīng)力云圖(800 kN)

圖10 16型鉤舌等效應(yīng)力云圖(800 kN)

圖11 16H鉤舌P1應(yīng)力云圖(800 kN)

將不同拉伸載荷下鉤體、鉤舌應(yīng)力集中危險部位的最大節(jié)點平均等效應(yīng)力以及平均最大主應(yīng)力與邊界載荷建立載荷-應(yīng)力強度映射關(guān)系，如圖12、圖13所示。

圖12 危險部位等效應(yīng)力載荷映射曲線

圖13 危險部位最大主應(yīng)力載荷映射曲線

進一步將數(shù)值模擬得到的鉤舌應(yīng)變區(qū)與實際服役條件下鉤舌受壓接觸磨耗、壓痕部位狀態(tài)進行對比，二者接觸區(qū)吻合度較高，表明基于整體裝配、接觸非線性以及材料非線性三者相結(jié)合分析方法建立的數(shù)值有限元模型與實際更為接近，接觸狀態(tài)對比細節(jié)如圖14所示。

圖14 鉤舌上、下牽引臺接觸區(qū)對比

圖15 鉤舌上、下牽引臺裂紋探傷結(jié)果

將實際服役條件下傷損鉤舌的上、下牽引臺部位進行熒光磁粉探傷，探傷結(jié)果如圖15所示。鉤舌上、下牽引臺應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋的區(qū)域與有限元數(shù)值模型計算結(jié)果吻合度較高。鉤體下牽引臺根部倒角大，而上牽引臺根部存在結(jié)構(gòu)非圓滑過渡，即應(yīng)力集中區(qū)；鉤體上、下牽引臺承載接觸面趨同，但上牽引臺比下牽引臺略高，根部彎矩大，導(dǎo)致上牽引臺根部應(yīng)力略大于下牽引臺根部，應(yīng)力分布細節(jié)如圖16所示。

圖16 鉤體上、下牽引臺結(jié)構(gòu)和根部應(yīng)力對比

4 結(jié)語

1) 基于車鉤裝配體有限元分析法，通過接觸單元來模擬車鉤部件之間的相互作用，可以合理地解決各零部件之間的相互影響，避免過度約束。

2) 通過現(xiàn)場實驗對鉤舌上、下牽引臺裂紋進行探傷，發(fā)現(xiàn)裂紋出現(xiàn)的位置與有限元計算應(yīng)力較大的區(qū)域吻合，驗證了模型的可靠性以及強度關(guān)系的準確性。

3) 采用接觸非線性、材料非線性的車鉤整體裝配有限元模型，能夠更加真實地反映出車鉤在實際受力狀況下局部接近屈服應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形的服役狀態(tài)。

4) 通過對鉤舌和鉤體牽引臺結(jié)構(gòu)和數(shù)值計算應(yīng)力云圖的分析，發(fā)現(xiàn)鉤舌和鉤體上、下牽引臺根部過渡圓角較小且存在附加彎矩，導(dǎo)致局部應(yīng)力較大，應(yīng)適當(dāng)增加牽引臺根部的過渡圓角，提高表面質(zhì)量，可有效提高服役壽命。