熱軋波紋軌腰鋼軌殘余應力的有限元研究

朱曉男，馬勁紅，姚曉晗，陶 彬

（河北聯合大學冶金與能源學院，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、高流量方向發展，對鋼軌的性能也提出了更高的要求。目前廣泛應用的鋼軌截面是工字型結構。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展。

將工字型結構的平板狀腹板改為波紋腹板，是型材結構的進步，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向剛度和穩定性。將這種型材結構應用到鋼軌上，開發了一種新型鋼軌結構，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力的影響。從而為工藝參數的設定、產品質量的改善提供了依據。

2 有限元基礎理論

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屈服準則[2] [3]。

彈塑性材料的本構方程為：

——彈塑性本構方程矩陣；

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，其斷面網格劃分如圖1所示。

有限元模型采用的水平輥直徑（節圓直徑）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，軋件以與水平輥節圓速度稍慢的速度向輥縫運動，等軋輥咬入后，進入穩定軋制階段，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 計算結果分析

4.1 殘余應力分布及其影響

從圖3中可以看出,當軋件出變形區以后,斷面應力分布發生變化.從計算結果可以看出,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后，單元A、B、C存在較大的應力值。

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后，在波紋軌腰鋼軌中就存在殘余應力。在軋制變形區中塑性變形越不均勻的部分，在出軋制變形區后，殘余應力就越大。

在軋后的波紋軌腰鋼軌中存在的殘余應力值較大，直接影響鋼軌的使用性能和壽命。殘余應力較大與分布不均勻，容易在后續的熱處理過程中以及在以后的使用過程中產生彎曲、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，來減小殘余應力的值，以提高軋制產品的質量。

4.2 殘余應力的控制

1）軋制速度對殘余應力的影響。從圖中可以看出，對于不同的壓下量，軋制速度不同，殘余應力的最大值變化不是很明顯，殘余應力變化的最大值大約在2%左右，因此軋制速度對于殘余應力最大值的影響不是很大。軋制速度與殘余應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)對殘余應力值的影響很大，在波紋軌腰鋼軌的軋制過程中，產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，因此殘余應力值較大。從圖5中，當壓下量比值為1時，殘余應力值明顯較小。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力值，應把壓下量的比值設為與延伸系數相近。

3）軋制溫度的影響。隨著軋制溫度的降低，殘余應力值明顯增加,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力。

5 結論

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

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

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

[3] 曹鴻德.塑性變形力學基礎與軋制原理[M] .北京:機械工業出版社,1979.

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