鐵路貨車承載結(jié)構(gòu)的材料非線性仿真初探

熊僑 江明星 原育紅 吳志旭

摘要：在按照AAR M-1001《Design， Fabrication， and Construction of Freight Cars》進(jìn)行沖擊工況考核時，在超過材料屈服強度時是否設(shè)置材料非線性屬性對仿真結(jié)果的影響進(jìn)行對比分析，得出兩者的差異性，為今后仿真分析提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：承載;結(jié)構(gòu);非線性;仿真

0 ?引言

依據(jù)AAR M-1001《Design， Fabrication， and Construction of Freight Cars》進(jìn)行鐵路車承載結(jié)構(gòu)靜強度仿真時，沖擊工況下貨車承載結(jié)構(gòu)受到5560KN的沖擊力，在絕大部分情況下貨車承載結(jié)構(gòu)已超過材料屈服強度，由線性分析進(jìn)入非線性分析，為了充分考慮材料的非線性，使仿真結(jié)果更貼近于實際，特對貨車在仿真分析軟件中如何運用材料的非線性仿真進(jìn)行研究，本文主要以鋼材Q450NQR1為例進(jìn)行分析，其余材料可參照進(jìn)行。

1 ?材料非線性介紹

非線性根據(jù)形成原因的不同，可分為三種：材料非線性、幾何非線性、狀態(tài)非線性。

材料非線性是由于材料本身非線性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)響應(yīng)非線性，材料非線性包括彈塑性分析，蠕變分析、超彈性分析、彈塑性分析，以金屬為例，當(dāng)應(yīng)力低于比例極限，應(yīng)力應(yīng)變是線性的，當(dāng)應(yīng)力超過屈服強度，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為非線性，這個時候產(chǎn)生塑性行為，也就是卸載后，變形不能完全恢復(fù)，殘留的部分變形就是塑性變形了。

幾何非線性是由于結(jié)構(gòu)經(jīng)受大變形，結(jié)構(gòu)幾何形狀的變化引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的非線性，對于幾何非線性來說，屈曲分析，是幾何非線性的重要例子。

狀態(tài)非線性是由于結(jié)構(gòu)所處狀態(tài)的不同引起的響應(yīng)的非線性，狀態(tài)非線性的剛度隨狀態(tài)的變化而變化，接觸問題是最典型的狀態(tài)非線性問題。

2 ?仿真模型建立原理

簡單拉伸及薄壁筒扭轉(zhuǎn)實驗所得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線是我們研究材料塑性性質(zhì)的基本資料，圖1是低碳鋼的拉伸曲線。實驗知，應(yīng)力增加到屈服極限時，應(yīng)力應(yīng)變曲線上出現(xiàn)屈服階段。過了屈服階段以后，大多是材料要使繼續(xù)增加變形，必須使應(yīng)力進(jìn)一步增加，即d？滓/d？著>0。

以鋼材Q450NQR1為例，鋼材的楊氏模量為206GPa、泊松比為0.3。根據(jù)AAR M-1001標(biāo)準(zhǔn)的沖擊工況而言，其沖擊力為5560KN，在該載荷作用下，當(dāng)Q450NQR1超過屈服強度時，車體承載結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮材料的非線性。鋼材的拉伸應(yīng)力極限出現(xiàn)在2%應(yīng)變，屈服強度時的應(yīng)變?yōu)榍姸瘸詶钍夏Ａ?。對于沖擊載荷情況，基于兩種情況，第一個是，在所施加的負(fù)載作用下車體將承受很大的應(yīng)變;第二個，沖擊載荷是非循環(huán)載荷條件，不做疲勞考核。

根據(jù)Q450NQR1鋼材的材料屬性可知其屈服極限為450MPa，抗拉極限為550MPa。基于上述描述我們可以計算出Q450NQR1鋼材在仿真分析軟件材料屬性中的兩個關(guān)鍵點：

關(guān)鍵點1：屈服強度所對應(yīng)的應(yīng)變ε。

應(yīng)變

關(guān)鍵點2：拉繩極限的應(yīng)變值。根據(jù)上面描述可知Q450NQR1鋼材在拉伸極限的應(yīng)變值為2%。

根據(jù)以上計算得出的結(jié)果可在仿真分析軟件中設(shè)置Q450NQR1鋼材非線性屬性，其設(shè)置圖和曲線圖如圖2和3所示。

3 ?仿真計算

以某型漏斗車為例，空車在AAR M-1001標(biāo)準(zhǔn)要求的沖擊載荷作用下，在仿真分析軟件中分別對超過材料屈服極限的部分是否設(shè)置材料屬性進(jìn)行對比分析。在仿真分析時，只加載5560kN的沖擊力和車體自重。

車體有限元分析模型采用空間笛卡爾坐標(biāo)系。該坐標(biāo)系中，X軸指向車輛運行前方，Y軸與線路方向相垂直，Z軸垂直于軌道平面，其正方向為豎直向上。坐標(biāo)系XOY平面位于底架鐵地板中性面上，原點位于車體底架幾何中心。由于除部分區(qū)域為厚板或鑄造件外，車體為鋼板整體焊接結(jié)構(gòu)，故采用4節(jié)點殼單元Shell 181對主結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，而在沖擊座、上心盤和頂車墊板處采用20節(jié)點實體單元Solid 95進(jìn)行離散。離散時盡可能采用四邊形或六面體單元，個別過渡區(qū)域采用了三角形或四面體單元。模型采用1/2模型，在中部施加對稱約束，后從板座施加5560kN的沖擊力，如圖4所示。

通過仿真分析軟件計算得出在超過材料屈服極限時設(shè)置材料非線性屬性，所計算出來的最大應(yīng)力值為450.194MPa，最大變形為8.762mm，如圖5、圖6所示;在超過材料屈服極限時未設(shè)置材料非線性屬性時計算所得最大應(yīng)力值為496.952MPa，最大變形為8.762mm，如圖7、圖8所示。

4 ?結(jié)論

從以上分析可以得出，在超過材料屈服極限時設(shè)置非線性屬性，從仿真結(jié)果看，兩者的變形值幾乎沒有變化，只差了0.001mm;但是應(yīng)力值有差別，未設(shè)置非線性屬性的模型仿真計算應(yīng)力值大于設(shè)置非線性屬性的模型，相差約47MPa。分析原因主要為材料在超過材屈服極限時，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率比屈服極限范圍內(nèi)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率較緩，當(dāng)應(yīng)變增加時應(yīng)力值增加緩慢，仿真計算模型也更接近實際，建議在今后仿真計算在超過材料屈服極限時設(shè)置非線性屬性，保證計算結(jié)果的可靠性及準(zhǔn)確性。

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