鐵路道岔滑床板焊縫宏微觀力學(xué)特征分析

史龍波

(中鐵寶橋集團(tuán)有限公司，陜西 寶雞 721006)

1 概述

隨著列車行車速度的提高,對(duì)線路安全性提出了更高要求。道岔作為鐵路軌道的關(guān)鍵部件之一，由于它構(gòu)造復(fù)雜、存在結(jié)構(gòu)上不平順、行車安全性低、養(yǎng)護(hù)維修投入大等特點(diǎn)，滑床板作為道岔結(jié)構(gòu)中的重要零部件，一方面扣壓基本軌，另一方面支撐轉(zhuǎn)轍器尖軌在臺(tái)板上滑動(dòng)，而臺(tái)板焊縫脫焊直接影響整個(gè)滑床板的使用壽命，甚至威脅到列車行車安全。為確保行車安全,滑床板的扣壓必須穩(wěn)定可靠,具有足夠的扣壓力和防爬阻力,以克服基本軌受到機(jī)車橫向動(dòng)載而產(chǎn)生橫翻和溫度力作用引起的縱向爬行，某地鐵道岔滑床板焊縫開裂導(dǎo)致臺(tái)板脫落圖見圖1。

滑床板臺(tái)板焊縫脫焊是一個(gè)復(fù)雜的低應(yīng)力疲勞裂紋動(dòng)態(tài)擴(kuò)展過程，本文借助數(shù)值模擬分析方法，利用子模型技術(shù)，以道岔滑床板為研究對(duì)象，通過多個(gè)角度分析滑床板焊縫力學(xué)特征，為滑床板臺(tái)板焊接接頭強(qiáng)化提供理論依據(jù)。

2 整體模型焊縫力學(xué)特征分析

2.1 幾何模型

圖2為滑床板與鋼軌組裝圖，主要由基本軌、尖軌、滑床板、彈條、螺栓、螺母、楔形鐵、彈片組成。

本文重點(diǎn)對(duì)滑床板臺(tái)板與底板焊縫力學(xué)特征進(jìn)行分析，現(xiàn)建立滑床板臺(tái)板及其焊接金屬幾何模型，在臺(tái)板的四周(扣壓基本軌側(cè)除外)焊接一圈高度為5 mm的焊接金屬，如圖3所示。

2.2 材料模型

材料的定義是數(shù)值模擬中一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，這將直接影響到數(shù)值模擬結(jié)果的精度和可靠性。拉伸或壓縮實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)力應(yīng)變曲線通常用來表示材料力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，一些典型的應(yīng)力應(yīng)變曲線在實(shí)驗(yàn)中被總結(jié)出來，能夠較為準(zhǔn)確的代表材料的力學(xué)性能。

在進(jìn)行有限元材料模型參數(shù)設(shè)置中，假設(shè)臺(tái)板及焊縫金屬材料各向同性，焊接模型屬于典型的J型焊接接頭，具體材料參數(shù)如表1所示[1]。

表1 臺(tái)板及焊縫材料屬性參數(shù)

本文滑床板臺(tái)板斷裂性能表現(xiàn)為延性，在小應(yīng)變時(shí)，材料性質(zhì)基本為線彈性，彈性模量E為常數(shù)；應(yīng)力超過屈服應(yīng)力(yield stress)后，剛度會(huì)顯著下降，此時(shí)材料的應(yīng)變包括彈性應(yīng)變(elastic strain)和塑性應(yīng)變(plastic strain)兩部分；在卸載后，彈性應(yīng)變消失，而塑性應(yīng)變是不可恢復(fù)的，如圖4所示[2]。

2.3 網(wǎng)格模型

網(wǎng)格是模擬與分析的載體，其劃分質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到分析是否能夠順利、快速的完成，同時(shí)對(duì)計(jì)算精度會(huì)產(chǎn)生顯著影響。本次計(jì)算網(wǎng)格模型全部采用計(jì)算精度較高的六面體掃掠網(wǎng)格類型，對(duì)焊縫金屬處的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，以便獲得較詳細(xì)、準(zhǔn)確的焊縫金屬應(yīng)力數(shù)據(jù)，模型網(wǎng)格總數(shù)為29 232，沒有警告和錯(cuò)誤的網(wǎng)格，網(wǎng)格模型如圖5所示。

2.4 力學(xué)模型

參照客運(yùn)專線道岔區(qū)扣件系統(tǒng)的技術(shù)要求，滑床板對(duì)基本軌軌肢扣壓力不應(yīng)小于10 kN[3]，考慮疲勞損耗和制造工藝的影響，本次計(jì)算中滑床板彈片對(duì)基本軌軌肢的扣壓力F0按1.2倍標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，即F0=12 kN。圖6為滑床板臺(tái)板力學(xué)模型，彈片中部對(duì)滑床板臺(tái)板內(nèi)腔中部凸臺(tái)的壓力為F2，彈片跟端對(duì)楔形調(diào)整塊的壓力為F1。根據(jù)力平衡和力矩平衡原理可得F1=14 kN，F(xiàn)2=26 kN。

2.5 整體模型計(jì)算結(jié)果

圖7為滑床板臺(tái)板焊接模型Mises應(yīng)力分布云圖，從圖7中可以看出應(yīng)力集中區(qū)域主要出現(xiàn)在滑床板臺(tái)板內(nèi)腔凸臺(tái)兩端，應(yīng)力最大值為121 MPa；而焊縫金屬危險(xiǎn)區(qū)域(應(yīng)力最大區(qū)域)與臺(tái)板內(nèi)腔凸臺(tái)基本處于一條直線上，應(yīng)力最大值約為73 MPa～85 MPa。因此，滑床板臺(tái)板及其焊縫金屬所受最大應(yīng)力均未超過材料本身的強(qiáng)度極限，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

3 子模型焊縫力學(xué)特征分析

使用有限元子模型分析技術(shù)，可以在全局模型分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，使用細(xì)化網(wǎng)格對(duì)模型的局部作進(jìn)一步分析，從而以較小的代價(jià)得到更精確的結(jié)果。子模型方法又稱為切割邊界位移法或特定邊界位移法，是得到模型部分區(qū)域中更加精確解的有限元技術(shù)。切割邊界就是子模型從整個(gè)較粗糙的模型分割開的邊界。整體模型切割邊界的計(jì)算位移值即為子模型的邊界條件。

子模型有限元分析技術(shù)減少甚至取消了有限元實(shí)體模型中所需的復(fù)雜的傳遞區(qū)域，使得用戶可以在感興趣的區(qū)域就不同的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，幫助用戶證明網(wǎng)格劃分是否足夠細(xì)。

本文滑床板焊縫力學(xué)特征分析涉及焊縫金屬及滑床板底板母材熔合區(qū)域，由斷裂力學(xué)的知識(shí)可知，該區(qū)域應(yīng)變梯度很大。因此，在有限元分析中利用子模型技術(shù)在多個(gè)尺度上進(jìn)行分析是十分有必要的。本文正是利用子模型技術(shù)從宏觀全局模型中截取出微觀子模型，并建立微觀尺度的溝形裂紋計(jì)算模型及微觀尺度的裂尖分叉裂紋計(jì)算模型。

3.1 子模型的建立

基于圣維南原理的子模型分析技術(shù)，可以在全局模型分析計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，使用細(xì)化網(wǎng)格對(duì)模型的局部作進(jìn)一步分析，從而以較小的代價(jià)得到更精確的結(jié)果[4]。根據(jù)整體模型有限元計(jì)算結(jié)果可知，焊縫金屬危險(xiǎn)區(qū)域(應(yīng)力最大區(qū)域)與臺(tái)板內(nèi)腔凸臺(tái)基本處于一條直線上，通過子模型技術(shù)，將焊縫金屬危險(xiǎn)區(qū)域及其附近臺(tái)板金屬?gòu)恼w模型中劃分出來，擬通過更精細(xì)更為準(zhǔn)確的手段研究焊縫金屬力學(xué)特征。滑床板臺(tái)板子模型的建立示意圖見圖8。

3.2 焊縫形貌對(duì)焊縫強(qiáng)度的影響

圖9為不同焊縫高度下的焊縫區(qū)域Mises應(yīng)力分布云圖，從圖9中可以看出，焊縫高度從h=3 mm增加到h=5 mm，焊縫金屬所受最大應(yīng)力從108 MPa減少到了91 MPa，減小值為17 MPa；焊縫高度從h=5 mm再次增加到h=7 mm，焊縫金屬所受最大應(yīng)力從91 MPa減少到了85 MPa，減小值為6 MPa。因此，綜合焊接強(qiáng)度與焊接效率，焊縫高度的最佳取值為h=5 mm。

3.3 焊縫預(yù)設(shè)裂紋位置對(duì)焊縫強(qiáng)度J積分的影響

J積分是表征材料斷裂抗力的重要參量，即J積分是驅(qū)動(dòng)裂紋擴(kuò)展的阻力，J積分越大，結(jié)構(gòu)裂紋缺陷越難發(fā)生擴(kuò)展。J積分不僅可以作為材料韌度選擇的參量，而且還可作為結(jié)構(gòu)安全性評(píng)定依據(jù)[5]。

本節(jié)借助數(shù)值模擬分析方法，以彈塑性斷裂力學(xué)為依據(jù)，分析討論焊縫裂紋位置對(duì)焊縫強(qiáng)度J積分的影響，不同裂紋位置下的焊縫強(qiáng)度J積分(見圖10)。

如圖10(a)所示，裂紋位置1存在于滑床板臺(tái)板基體金屬與焊縫金屬豎直交接處；裂紋位置2存在于滑床板臺(tái)板焊縫金屬中，且與臺(tái)板底面成135°夾角；裂紋位置3位于滑床板臺(tái)板焊縫金屬與底板基體金屬水平交界處。

如圖10(b)所示，為不同裂紋位置下的焊縫強(qiáng)度J積分計(jì)算結(jié)果。從圖10中可以看出，裂紋位置1處的J積分計(jì)算結(jié)果最大，其次是裂紋位置2處，J積分計(jì)算結(jié)果最小的為裂紋位置3處。因此，滑床板臺(tái)板焊縫金屬豎向裂紋最難擴(kuò)展，橫向水平裂紋最易發(fā)生擴(kuò)展。

4 結(jié)論

本文借助數(shù)值模擬分析方法，利用子模型技術(shù)，從宏觀和介觀尺度建立了道岔滑床板焊縫及焊縫裂紋計(jì)算模型，分析討論了滑床板焊縫力學(xué)性能特征，得到以下結(jié)論：

1)滑床板臺(tái)板焊縫金屬危險(xiǎn)區(qū)域(應(yīng)力最大區(qū)域)與臺(tái)板內(nèi)腔凸臺(tái)基本處于一條直線上，此區(qū)域的焊縫質(zhì)量直接關(guān)乎整個(gè)滑床板的使用壽命。

2)綜合考慮焊接強(qiáng)度與焊接效率，滑床板臺(tái)板焊縫高度的最佳取值為h=5 mm。

3)滑床板臺(tái)板焊縫金屬橫向水平裂紋最易發(fā)生擴(kuò)展，在滑床板生產(chǎn)制造中應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，杜絕臺(tái)板焊縫金屬與底板之間的水平裂紋。