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        熱軋波紋軌腰鋼軌殘余應(yīng)力的有限元研究

        2014-07-19 12:14:34朱曉男馬勁紅姚曉晗
        山東工業(yè)技術(shù) 2014年10期
        關(guān)鍵詞:軌底軌頭壓下量

        朱曉男,馬勁紅,姚曉晗,陶 彬

        (河北聯(lián)合大學(xué)冶金與能源學(xué)院,河北 唐山063009)

        1 引言

        眾所周知,鋼軌在鐵路運輸中的地位是非常重要的。隨著鐵路運輸不斷向高速、重載、高流量方向發(fā)展,對鋼軌的性能也提出了更高的要求。目前廣泛應(yīng)用的鋼軌截面是工字型結(jié)構(gòu)。為了滿足不斷提高的強度和剛度要求,不得不增加軌腰的厚度,從而增加鋼軌材料的用量,使得鋼軌日益向重型化發(fā)展。

        將工字型結(jié)構(gòu)的平板狀腹板改為波紋腹板,是型材結(jié)構(gòu)的進(jìn)步,由于其腹板沿縱向被軋制成具有正弦曲線狀的波紋腹板,在一定程度上提高了腹板的側(cè)向剛度和穩(wěn)定性。將這種型材結(jié)構(gòu)應(yīng)用到鋼軌上,開發(fā)了一種新型鋼軌結(jié)構(gòu),即具有波紋軌腰的新型鋼軌。

        本文利用ANSYS/LS-DYNA模塊建立了軋制模型,研究了在不同軋制速度、軋制壓下量、軋制溫度對軋后的波紋軌腰鋼軌殘余應(yīng)力的影響。從而為工藝參數(shù)的設(shè)定、產(chǎn)品質(zhì)量的改善提供了依據(jù)。

        2 有限元基礎(chǔ)理論

        波紋軌腰鋼軌的軋制過程具有材料非線性、幾何非線性和邊界條件非線性的特點,其變形過程是彈塑性大變形,物體變形運動描述均采用修正的拉格朗日方法,即Updated Lag range(簡稱U.L)描述;在金屬成型過程中,通常采用Von M ises屈服準(zhǔn)則[2] [3]。

        彈塑性材料的本構(gòu)方程為:

        ——彈塑性本構(gòu)方程矩陣;

        式中 ——彈性模量

        3 計算模型的建立

        本文模擬軋制的模型按照60公斤重軌來建立的,其斷面網(wǎng)格劃分如圖1所示。

        有限元模型采用的水平輥直徑(節(jié)圓直徑)為1400mm,模擬軋制是取軋件長度為500mm。軋件材料為U74,材料模型采用分段線性強化,摩擦模型采用庫侖模型。計算過程中把軋件視作彈塑性變形體,軋輥視作剛體。計算開始時,軋件以與水平輥節(jié)圓速度稍慢的速度向輥縫運動,等軋輥咬入后,進(jìn)入穩(wěn)定軋制階段,施加在軋件上的速度為零,水平輥帶動軋件運動,軋件帶動立輥轉(zhuǎn)動,軋制模型如圖2所示。軋輥用she ll163單元劃分,軋件用so lid164單元劃分。

        4 計算結(jié)果分析

        4.1 殘余應(yīng)力分布及其影響

        從圖3中可以看出,當(dāng)軋件出變形區(qū)以后,斷面應(yīng)力分布發(fā)生變化.從計算結(jié)果可以看出,軋后在軌頭、軌底與軌腰的交界處以及軌腰的中部存在較大的殘余應(yīng)力。在軌頭與軌腰的交界處,軌腰以及軌底與軌腰的交界處分別取單元A、B、C,從圖4可以看出在出軋制變形區(qū)后,單元A、B、C存在較大的應(yīng)力值。

        由于在軋制波紋軌腰鋼軌時,在軋件的各個部分存在不均勻塑性變形,所以在出軋制變形區(qū)后,在波紋軌腰鋼軌中就存在殘余應(yīng)力。在軋制變形區(qū)中塑性變形越不均勻的部分,在出軋制變形區(qū)后,殘余應(yīng)力就越大。

        在軋后的波紋軌腰鋼軌中存在的殘余應(yīng)力值較大,直接影響鋼軌的使用性能和壽命。殘余應(yīng)力較大與分布不均勻,容易在后續(xù)的熱處理過程中以及在以后的使用過程中產(chǎn)生彎曲、波浪、局部裂紋等缺陷。所以在軋制過程中通過合理的控制軋制速度、軋制溫度、以及各部分壓下量的比值,來減小殘余應(yīng)力的值,以提高軋制產(chǎn)品的質(zhì)量。

        4.2 殘余應(yīng)力的控制

        1)軋制速度對殘余應(yīng)力的影響。從圖中可以看出,對于不同的壓下量,軋制速度不同,殘余應(yīng)力的最大值變化不是很明顯,殘余應(yīng)力變化的最大值大約在2%左右,因此軋制速度對于殘余應(yīng)力最大值的影響不是很大。軋制速度與殘余應(yīng)力值的變化之間并不呈線性變化。

        2)壓下量的比值對殘余應(yīng)力的影響。在相同軋制速度的情況下,不同的壓下量比值(軌腰部分壓下量與軌頭、軌底壓下量的比值)對殘余應(yīng)力值的影響很大,在波紋軌腰鋼軌的軋制過程中,產(chǎn)生塑性不均勻變形的主要原因是軌頭、軌底與軌腰處的壓下量不同,由于軌腰被軋制成了波紋形狀,造成軌腰處的延伸系數(shù)較之軌頭與軌底處較大,因此在軌腰處以及在軌頭、軌底與軌腰的交界處,存在較大的不均勻變形,因此殘余應(yīng)力值較大。從圖5中,當(dāng)壓下量比值為1時,殘余應(yīng)力值明顯較小。這是因為波紋軌腰的幅值較小,而波長較大,所以把平軌腰軋制成波紋軌腰時,其波長變化值很小,不超過5%, 因此,為了減小軋制后的殘余應(yīng)力值,應(yīng)把壓下量的比值設(shè)為與延伸系數(shù)相近。

        3)軋制溫度的影響。隨著軋制溫度的降低,殘余應(yīng)力值明顯增加,因此在軋制波紋軌腰鋼軌的過程中,要選擇合適的軋制溫度,以減小軋后金屬的殘余應(yīng)力。

        5 結(jié)論

        本文利用動力學(xué)有限元分析軟件對波紋軌腰鋼軌的軋制過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對模擬軋制后的波紋軌腰鋼軌中的殘余應(yīng)力分布進(jìn)行了分析。并針對軋制速度、壓下量比值、軋制溫度對軋后殘余應(yīng)力值的影響進(jìn)行了分析,為實際生產(chǎn)控制軋后殘余應(yīng)力提供了依據(jù)。

        [1] 吳波,常福清,張文志.波紋重軌軌腰強度的數(shù)值分析[J] .燕山大學(xué)學(xué)報,2003,27(3):278-282.

        [2] 白金澤. LS-DYNA3D理論基礎(chǔ)與實例分析[M] .北京:科學(xué)出版社,2005.

        [3] 曹鴻德.塑性變形力學(xué)基礎(chǔ)與軋制原理[M] .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1979.

        [4] 王勖成,邵敏.有限單元法基本原理和數(shù)值方法[M] .北京:清華大學(xué)出版社,2000.

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