軸箱橡膠節點疲勞損傷關鍵部位數值分析

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定性。然而，在使用過程中，金屬橡膠節點常發生橡膠裂紋、熔膠、開膠等破壞現象。目前，機車車輛金屬橡膠節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、使用環境等[2-6]。在橡膠材料及使用環境不變的條件下，橡膠節點在外載荷作用下產生的應變集中、位移幅度及溫升是決定橡膠節點疲勞壽命的重要因素[7]。本文基于鐵路車輛軸箱橡膠節點中，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點的分析方法，進一步探究橡膠節點損傷的控制因素。這個重要的影響因素，在以往的金屬橡膠節點疲勞性能的研究報告中未曾被考慮過。

1 軸箱橡膠節點結構

CW-29(1)轉向架最早采用徑向為整體結構的軸箱橡膠節點。它由芯軸、橡膠襯套及金屬外鋼套組成，見圖1。該橡膠節點在使用期間出現了橡膠裂紋，經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生裂紋。軸箱橡膠節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。考慮到橡膠節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單調遞增到1。

3 接觸界面參數設置

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

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

5 加載工況

參考實際工況及載荷數據，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點處。邊界條件:外鋼套表面所有節點施加固定約束。

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)出現集中現象，且應變集中現象較應力集中現象明顯，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)處沒有出現集中現象。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發現，應力應變集中部位與橡膠裂紋部位一致，與粘結面發生開膠位置不吻合。可知，共節點連接情況下，等效應力及等效應變場能夠反映橡膠襯套表面(槽內)疲勞破壞，未反映粘結面的開膠行為。

圖2 共節點連接情況云圖

圖3 粘結接觸連接云圖（一）

圖4 實際運行中橡膠節點裂紋形貌圖

圖5 橡膠與外鋼套內表面發生開膠圖片

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生開膠部位一致。總體來說，應變集中比應力集中對橡膠節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生在橡膠襯套表面(槽內)處，與圖4中橡膠節點產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生在橡膠襯套表面(槽內)處，與圖4中橡膠裂紋產生部位一致。可見，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達到二次應力準則數值1，最大點粘結剛度已經進入退化狀態，表明橡膠套與外鋼套的接觸界面為橡膠節點的薄弱部位。比較圖5與圖8可知，發生開膠部位與損傷判據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點成為可能。

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

3)橡膠內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。考慮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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