軸箱橡膠節(jié)點疲勞損傷關鍵部位數(shù)值分析

王生武 劉文靜 曾 京 周殿買

(1.大連交通大學土木與安全工程學院，遼寧大連 116028;2.西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031;3.長春軌道客車股份有限公司技術中心，吉林長春 130062)

機車車輛金屬橡膠節(jié)點具有良好的減震、隔音和緩沖性能[1]，其使用性能直接關系到轉向架甚至是車體的穩(wěn)定性。然而，在使用過程中，金屬橡膠節(jié)點常發(fā)生橡膠裂紋、熔膠、開膠等破壞現(xiàn)象。目前，機車車輛金屬橡膠節(jié)點抗疲勞性能的理論分析研究很少，至今沒有有關其抗疲勞性能的評價標準。本課題組的前期研究表明，金屬橡膠節(jié)點的疲勞是機械損傷、老化損傷、熱損傷共同作用的結果，影響橡膠疲勞性能的因素包括材料性質、周期載荷幅值及頻率、使用環(huán)境等[2-6]。在橡膠材料及使用環(huán)境不變的條件下，橡膠節(jié)點在外載荷作用下產(chǎn)生的應變集中、位移幅度及溫升是決定橡膠節(jié)點疲勞壽命的重要因素[7]。本文基于鐵路車輛軸箱橡膠節(jié)點中，橡膠與芯軸及外鋼套之間相互粘結接觸的特點，應用ABAQUS軟件Surface-based Cohesive Behavior功能，首先提出了能夠考慮橡膠與金屬之間硫化粘結行為的金屬橡膠節(jié)點的分析方法，進一步探究橡膠節(jié)點損傷的控制因素。這個重要的影響因素，在以往的金屬橡膠節(jié)點疲勞性能的研究報告中未曾被考慮過。

1 軸箱橡膠節(jié)點結構

CW-29(1)轉向架最早采用徑向為整體結構的軸箱橡膠節(jié)點。它由芯軸、橡膠襯套及金屬外鋼套組成，見圖1。該橡膠節(jié)點在使用期間出現(xiàn)了橡膠裂紋，經(jīng)分析認為是沒有預壓縮量，橡膠在垂向載荷作用下端面易產(chǎn)生裂紋。軸箱橡膠節(jié)點中的橡膠套是通過硫化成型的方法加工而成，因此，橡膠套與芯軸、外鋼套之間存在粘結力，粘結強度大于5 MPa。

圖1 橡膠節(jié)點結構圖

2 接觸界面粘結力模型

接觸界面粘結力模型(Surface-based Cohesive Behavior，以下簡稱SCB)被用于界面的接觸分析中，它是接觸面之間的相互作用屬性，SCB由下面幾部分定義:

1)線彈性traction-separation模型。

在ABAQUS中，traction-separation模型假定了初始的線彈性行為，線彈性行為按照式(1)被定義，其中tn，ts，tt分別為界面上的法向及切向應力，δn，δs，δt為法向及切向的接觸間隔。{K}是粘結面之間的粘結剛度，對于不耦合的traction-separation行為，Kns，Knt，Kst為零值。

2)損傷初始準則。

損傷模型可以模擬兩個粘結面的退化及最終的失敗，損傷機理包括損傷初始準則(damage initiation criterion)及損傷演化法則(damage evolution law)。損傷初始指的是接觸點上粘結力響應的退化，當接觸應力或者接觸間隔達到初始判據(jù)時退化過程開始。損傷初始準則包括最大名義應力準則、二次應力準則、最大接觸間隔準則及二次接觸間隔準則?？紤]到橡膠節(jié)點在運行中的受力情況，選用二次應力準則(見式(2))作為界面的損傷初始準則。

二次應力準則:

3)關于損傷演化法則。

損傷演化法則描述粘結剛度退化比率，用D值來表示接觸點的毀壞程度，D的初始值為0。初始損傷后，隨著載荷的進一步增加，D值從0單調(diào)遞增到1。

3 接觸界面參數(shù)設置

1)不耦合的剛度矩陣{K}，設置Knn=50 N/mm，Kss=50 N/mm，Ktt=50 N/mm。

3)基于能量的損傷演化，線性softening方式，法向斷裂能0.5 MJ，兩個切向方向的斷裂能均為1 MJ。

4 有限元模型及本構參數(shù)

考慮到橡膠材料的不可壓縮性，采用八節(jié)點雜交單元C3D8H來模擬，芯軸及外鋼套采用三維8節(jié)點實體單元C3D8來模擬[8]。橡膠套與芯軸及外鋼套連接方式為接觸連接，選擇兩參數(shù)的Mooney-Rivlin模型[9]。應變能密度函數(shù)W(見式(3))由變形張量不變量 I1和 I2來表達，選取參數(shù) C1=0.592，C2=0.148[10]。

5 加載工況

參考實際工況及載荷數(shù)據(jù)，加載工況見表1。將加載工況的載荷施加在定位塊的表面節(jié)點處。邊界條件:外鋼套表面所有節(jié)點施加固定約束。

表1 加載工況 kN

6 計算結果分析

6.1 工況一結果分析

從圖2可知，共節(jié)點連接方式下，等效應變場及等效應力場在橡膠襯套表面處(槽內(nèi))出現(xiàn)集中現(xiàn)象，且應變集中現(xiàn)象較應力集中現(xiàn)象明顯，在橡膠襯套與外套粘結面邊緣，無明顯應力應變集中現(xiàn)象。

從圖3可觀察到，接觸連接方式下，等效應力場及最大主應變場在橡膠襯套表面(槽內(nèi))處沒有出現(xiàn)集中現(xiàn)象。在橡膠與外鋼套接觸面邊緣，等效應力及最大主應變均有集中現(xiàn)象，且應變集中比應力集中程度明顯。

比較圖2與圖4，圖5發(fā)現(xiàn)，應力應變集中部位與橡膠裂紋部位一致，與粘結面發(fā)生開膠位置不吻合?？芍补?jié)點連接情況下，等效應力及等效應變場能夠反映橡膠襯套表面(槽內(nèi))疲勞破壞，未反映粘結面的開膠行為。

圖2 共節(jié)點連接情況云圖

圖3 粘結接觸連接云圖（一）

圖4 實際運行中橡膠節(jié)點裂紋形貌圖

圖5 橡膠與外鋼套內(nèi)表面發(fā)生開膠圖片

比較圖3與圖4，圖5可觀察到，等效應力場及最大主應變場的集中部位與實際運行中粘結面發(fā)生開膠部位一致?？傮w來說，應變集中比應力集中對橡膠節(jié)點的疲勞破壞更敏感。

從圖6可觀察到，縱向及垂向應變場應變集中部位發(fā)生在橡膠襯套表面(槽內(nèi))處，與圖4中橡膠節(jié)點產(chǎn)生橡膠裂紋部位一致。

圖6 粘結接觸連接云圖（二）

6.2 工況二結果分析(粘結接觸連接)

從圖7a)可觀察到，最大主應變集中發(fā)生在橡膠襯套與外鋼套粘結表面處，其位置與圖5中橡膠與外鋼套發(fā)生開膠的位置一致。由此可以推斷，橡膠與金屬外套結合部位的損傷破壞實質上不受切應變的影響，而主要是受到三個主應變的影響。

從圖7b)可知，垂向應變場應變集中發(fā)生在橡膠襯套表面(槽內(nèi))處，與圖4中橡膠裂紋產(chǎn)生部位一致?？梢?，垂向應變場能夠反映橡膠的疲勞破壞。

從圖8)可知，橡膠襯套與金屬外套的接觸面邊緣已經(jīng)達到二次應力準則數(shù)值1，最大點粘結剛度已經(jīng)進入退化狀態(tài)，表明橡膠套與外鋼套的接觸界面為橡膠節(jié)點的薄弱部位。比較圖5與圖8可知，發(fā)生開膠部位與損傷判據(jù)云圖的最大值位置一致。

圖7 橡膠襯套云圖

圖8 初始損傷判據(jù)云圖

7 結語

1)SCB突破了一般接觸問題的局限性，能夠描述兩個接觸面間的拉行為，使應用接觸連接分析橡膠節(jié)點成為可能。

2)考慮到粘結接觸連接方式更接近橡膠節(jié)點的實際狀態(tài)，可以得出垂向及縱向應變場更能反映橡膠襯套內(nèi)部的疲勞破壞。

3)橡膠內(nèi)部的疲勞破壞會受到切應變的影響，而橡膠與金屬粘結面的破壞主要與橡膠襯套所受主應變有關。

4)最大主應變在一定程度上能夠反映橡膠與金屬外套間的開膠行為?？紤]到粘結剛度及退化更直接描述界面開膠，所以用粘結接觸面初始損傷及損傷演化模型更能合理反映界面損傷。

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