车轮残余应力测试的仿真分析

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周向残余压应力 , 内部为残余拉应力。取车轮截面 进行二维热处理模拟分析 , 此时坐标 为直角坐标 , x 为轴 向, y 为 径向, z 为周向。为便于 结果的观 察 , 在扩展成三维时要进行坐标转换, 把直角坐标 转换为柱状坐标。具体转换为以 ( 0, 0, 0) 为中心点 , ( 0, 0, 1) 方向为径向, ( 0, 1, 0) 方向为周向, ( 1, 0, 0) 方 向为轴向。
Simulation analysis on the process of residual stress measurement for railway wheel
W AN G Guang ke1 SH EN X iao hui2 A N T ao3 ( M aanshan Ir on and Steel Company Railwa y Wheel & T y re Co , M aanshan 243000 China) Abstract: T he saw cutting test pro cess is simulated w ith the finite element commercial softw are M SC M arc. T he v ariat ions o f the stress and strain conditio n at each test po int during t he saw cutting pr ocess are studied. Compariso n between FEM simulated r esult s and eng ineer ing test r esults show s that to measure residual stress by saw cutting test is feasible and reliable. T he r esults of simulatio n analy sis lay a go od foundatio n fo r further study on measur ing t he r esidual str ess o f railw ay w heel. Key words: railway wheel; r esidual st ress t est; saw cutting ; simulatio n ZH AN G Jing 4 YA N Jun 5 ( Scho ol of M ater ial Science and Eng ineering , A nhui U niver sity o f T echno log y, M aanshan 243002 China)
王广科 士研究生 收稿日期 : 2009 03 03; 修订日期 : 2009 04 25 E mail: w ang gk101011@ 126 com
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残余应力的锯切测试
EN113262 中推荐的 车轮残余应力 测试过程及
作者简 介 : 王 广科 , 男 , 1983 年 生 , 安 徽工 业 大学 , 硕
[ 3]
火车车轮踏面下通常需要存在一定深度的残余 压应力, 其作用是阻碍裂纹的形成及扩展 , 从而极 大地延缓疲劳裂纹的形成, 延长车轮的使用寿命[ 1] 。 残余应力的大小和分布深度 , 是车轮必须达到的一 个重要质量指标。国外关于车轮产品要求的标准中 , 对此都制定有严格的规定。同时, 通过对车轮残余 应力的测试可以及时了解车轮的质量情况 , 进而为 热处理工艺参数控制提供依据。我国铁路车轮标准 中 , 对车轮也规定了踏面必须为压应力的要求 , 常 用径向切缝收缩量的大小作为周向残余应力的指标。
应变片所贴位置如图 1 所示。车轮残余应力的测试
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塑性工程学报
p
第 16 卷 d 塑性应变 由 H ooke 定理可以得到弹塑性力学的本构关系为 d = [ De ] ( d - d p ) ( 2)
是通过 3 个切割工序的 5 次锯切完成。通过切割, 使 轮辋中存在的残余应力不断释放 ; 同时利用应变片测 出每次切割测试点 的应变量, 来计算 残余应力的变 化 ; 通过应力的叠加得出踏面初始应力; 轮辋内部残 余应力分布, 通过在测得的踏面应力和踏面下 B 点 ( 见图 1c) 的应力, 按线性内插 法得到[ 5] 。由于应力 分布的轴对称性质 , 测定仅在一个径向截面上进行。 式中
图 4 热处理后车轮残余应力状态分布
a) 轴向 ; b) 径向 ; c) 周向
力变化与径向应力变化, 轴向变化可以忽略不计, 因 此可以简化为平面问题 , 在此处可用平面应变的知识
Fig 4 Residual stress distributio n o f railw ay wheel after heat treatment
e [ 7] [ Fra Baidu bibliotek]
视热处理结束后的残余应力为车轮生产过程中 的最终残余应力, 热处理过程仿真模拟结果作为本 次分析的初始条件 ( 见图 4 所示 ) , 主要取其应力状 态参与本次锯切仿真试验分析。车轮轮辋的外部为
d = d e+ d 弹性应变
p
( 1)
第6期
王广科 等 : 车轮残余应力测试的仿真分析
第 16 卷 第 6 期 2009 年 12 月
塑性工程学报
JOU RNAL OF P L AST ICIT Y ENGINEERING
Vol 16 Dec
No 6 2009
doi: 10 3969/ j issn 1007 2012 2009 06 026
车轮残余应力测试的仿真分析
( 安徽工业大学 材料科学与工程学院, 马鞍山 243002)
引
言
但切缝收缩量不但受残余应力的影响 , 轮型及尺寸 对其也有较大影响。因此该方法仍是无法直接标识 残余应力的大小, 得出的指标在不同轮型之间的可 比性较差 , 因而, 对车轮残余应力测定方法的研究 显得非常必要[ 2] 。目前, 对车轮残余应力测试方法 的研究较少 , 欧洲标准 EN113262 铁 路规范 轮 对和转向架 车轮 产品要求! 中推荐了破坏性车 轮残余应力测试方法 , 其测试过程不但繁琐复杂, 而且是假定为车轮轮辋踏面下的周向残余应力随深 度线性变化, 与文献[ 4] 所研究的结果不相符合。本 文对该测试方法进行了仿真分析, 以期掌握车轮残 余应力测试的锯切试验过程中, 车轮的应力 / 应变的 变化规律 , 为继续研究测试车轮残余应力奠定基础。
[D] 弹性模量 设材料变形满足 Misses 屈服准则和各项强化法 在弹性区 d = [D ]d 在塑性区
ep d = [ D ] ( d ) + 2 { s} 3 So e
e
则, 应力应变关系为 ( 3) Rd + R di i
( 4)
2 2
有限元模型
已有的研究中利用轴对称模型对车轮热处理过 程残余应 力做了分析[ 1, 4] 。本文研究是 在热处理模 拟结束后 , 保存网格及轮廓形状, 生成新的模型文 件。然后利用 M enat 里面旋转扩张功能, 把二维模 型转变成三维模型, 生成后的模型如图 2 所示。共 计 53592 个单元, 58842 个节点。去除 的死单元如 图 3 所示。
王广科1
沈晓辉2
章 静4
243000)
( 马鞍山钢铁股份公司车轮分公司 , 马鞍山
摘
阎 安
军5 涛3
要 : 采用商用有限元软件 M SC M arc 分析车轮残余 应力测 试试验的 整个锯 切试验 过程 , 分析 了锯切 中每个 测
试点的应力、应变变化情况。通过比较仿真结果与工程试验测试结果 , 说明车 轮锯切 试验测 试残余 应力的 可靠性。 锯切的仿真分析为进一步研究车轮残余应力测 试方法奠定了基础。 关键词 : 车轮 ; 残余应力测试 ; 锯切法 ; 仿真 中图分类号 : U 260 331+ 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1007 2012 ( 2009) 06 0131 04
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锯切试验仿真结果分析
通过对锯切试验仿真值与工程测试值进行比较 ,
分析、推 断锯 切试 验的 可 靠性。把 1 点, 2E 点、 2L 点( 见图 1) 处的应力释放值进行对比, 分析其应 力释放规律。锯切时车轮主要以弹性变形为主 , 在 锯缝附近有微小的塑性变形 , 由于对整体的应力应
F ig 6
图 5 1 点处应变值的变化 F ig 5 T he st rain chang es at the point 1
图 6、图 7 分别为图 1 中 2E 、2L 处的应变变化 图, 由 2E 点、2L 点处锯切测试值与锯切仿真模拟 计算值的比较可以看出, 在这些点处 , 每一刀切割 后释放的应变值相近 , 而且应变值的变化规律也一 致。只不过仿真分析是在理想状态下进行, 无外界环 境的干扰 , 故释放会更充分。这两点主要考虑周向应
图1
车轮切割操作示意图
a) 第一步 ; b) 第二步 ; c) 第三步
Fig 1 T he schematic diag rams o f saw cutt ing o per ation
2
锯切过程的仿真模型
有限元仿真分析车轮径向锯切过程, 可通过生
死单元功能实现, 使锯缝单元的自由度从总体刚度 矩阵中消失。 M SC Marc 中的生死单元可以真实地 模拟整个锯切过程, 跟踪分析整个锯切过程中各个 部位的位移和应力状态。模型中设置 5 个工况 , 模 拟计算锯切过程中的 5 次锯切 , 每一工况中都需定 义该期的死单元( Deact ive Element ) , 上一工况的计 算结果将作为下一工况的初始状态 。 2 1 弹塑性力学模型 计算中涉及的非线性问题属于材料非线性问题 , 采用弹塑性材料模型。车轮在锯切过程中 , 整体发 生了弹塑性变形, 根据 P randt l Reuss 增量理论整体 增量应变表示为 式中 d
图7 Fig 7 2L 点处应变 值的变化
法。本文所建立的模型和研究方法为此提供了借鉴。 参考文献
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] 沈晓辉 , 赵亚琼 , 安 涛等 . 热处 理工 艺对 车轮残 余应 力 的影响 [ J] . 钢铁 , 2007. 10: 68 71 安涛 , 王成永 , 李怀 明 . 我国车 轮轮 箍的 质量现 状和 发 展 [ J] . 中国冶金 , 1998. ( 2) : 28 31 EN113262. Railway applicatio ns Wheelsets and bog ies Wheels P roduct r equir e ments[ S] : appendix C 安涛 , 沈晓辉 , 章静 , 阎军 . 车轮热处理过 程中残余应 力 的分析 [ J] . 重型机械 , 2007. ( 2) : 47 E F R ybicki, J R Shadely , W S Shealy. A consistent splitting model fo r ex peri mental residual str ess analy sis[ J] , Ex perimental M echanics, 1983. ( 12) : 438 446 [ 6] [ 7] 陈 火红 , 于 军泉 , 席源 山 . M SC. M ar c/ M entat 2003 基 础与应用实例 [ M ] . 北京 : 科学出版社 , 2004 陈明祥 . 弹塑性力 学 [ M ] . 北京 : 科学出 版社 , 2007: 61 68
变影响不大, 可以忽略不计。 由图 5 中可以看出, 1 点处第一刀切割后周向 应力释放比较大 , 所以得到的应变值也比较大。由 于实际锯切时锯缝中嵌有楔块以防夹锯 , 故应变释 放不完全 , 因此造成头第一刀锯切时仿真值比工程 实测值大 , 而随后的几刀 , 切割后获得应变的值相 对比实测值小。锯切仿真法与工程锯切法中 , 应变 的变化规律相同 , 释放的量逐渐变小 , 尤其是总的 应变值大小基本相同。切割过程中, 周向应变值为 正, 说明周向残余应力的值逐渐得到释放 ; 而头两 刀, 轴向应变变化值为负值, 说明轴向压应力不是 减少而是增加 , 这正好符合应变理论。轴向应变的 应变变化值没有周向应变大, 这与轴向应力没周向 应力大有关, 这也与实际情况相吻合。
图 6 2 E 点处应变值的 变化 T he st rain chang es at t he point 2 E
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塑性工程学报
第 16 卷
来计算周向应力。可以看出 , 实测值和仿真值的大小 相近, 测得应变值的变化规律也基本一致, 证明仿真 试验能很好的对工程锯切试验进行模拟计算。
4
结
论
1) 本文建立的模型能够正确的反映车轮残余应 力测试的锯切过程, 在实际测试与仿真过程中, 车 轮的残余应力 / 应变的变化规律一致, 可见仿真模型 能很好地对锯切试验进行模拟分析。 2) 两 种 方 法计 算 出踏 面 处 残余 应 力 分别 是 - 157 6MP a、 - 155 6MP a。残 余应 力深 度分 别为 45 5mm 、 47 6mm , 误差仅为 4 6% 。证明 残余应 力的测试方法准确和可靠。 3) 可以采用锯切仿真分析研究残余应力测试方