鐵路貨車承載結構的材料非線性仿真初探

熊僑 江明星 原育紅 吳志旭

摘要：在按照AAR M-1001《Design， Fabrication， and Construction of Freight Cars》進行沖擊工況考核時，在超過材料屈服強度時是否設置材料非線性屬性對仿真結果的影響進行對比分析，得出兩者的差異性，為今后仿真分析提供依據。

關鍵詞：承載;結構;非線性;仿真

0 ?引言

依據AAR M-1001《Design， Fabrication， and Construction of Freight Cars》進行鐵路車承載結構靜強度仿真時，沖擊工況下貨車承載結構受到5560KN的沖擊力，在絕大部分情況下貨車承載結構已超過材料屈服強度，由線性分析進入非線性分析，為了充分考慮材料的非線性，使仿真結果更貼近于實際，特對貨車在仿真分析軟件中如何運用材料的非線性仿真進行研究，本文主要以鋼材Q450NQR1為例進行分析，其余材料可參照進行。

1 ?材料非線性介紹

非線性根據形成原因的不同，可分為三種：材料非線性、幾何非線性、狀態非線性。

材料非線性是由于材料本身非線性的應力-應變關系導致的結構響應非線性，材料非線性包括彈塑性分析，蠕變分析、超彈性分析、彈塑性分析，以金屬為例，當應力低于比例極限，應力應變是線性的，當應力超過屈服強度，應力-應變曲線表現為非線性，這個時候產生塑性行為，也就是卸載后，變形不能完全恢復，殘留的部分變形就是塑性變形了。

幾何非線性是由于結構經受大變形，結構幾何形狀的變化引起的結構響應的非線性，對于幾何非線性來說，屈曲分析，是幾何非線性的重要例子。

狀態非線性是由于結構所處狀態的不同引起的響應的非線性，狀態非線性的剛度隨狀態的變化而變化，接觸問題是最典型的狀態非線性問題。

2 ?仿真模型建立原理

簡單拉伸及薄壁筒扭轉實驗所得到的應力應變曲線是我們研究材料塑性性質的基本資料，圖1是低碳鋼的拉伸曲線。實驗知，應力增加到屈服極限時，應力應變曲線上出現屈服階段。過了屈服階段以后，大多是材料要使繼續增加變形，必須使應力進一步增加，即d？滓/d？著>0。

以鋼材Q450NQR1為例，鋼材的楊氏模量為206GPa、泊松比為0.3。根據AAR M-1001標準的沖擊工況而言，其沖擊力為5560KN，在該載荷作用下，當Q450NQR1超過屈服強度時，車體承載結構應考慮材料的非線性。鋼材的拉伸應力極限出現在2%應變，屈服強度時的應變為屈服強度除以楊氏模量。對于沖擊載荷情況，基于兩種情況，第一個是，在所施加的負載作用下車體將承受很大的應變;第二個，沖擊載荷是非循環載荷條件，不做疲勞考核。

根據Q450NQR1鋼材的材料屬性可知其屈服極限為450MPa，抗拉極限為550MPa。基于上述描述我們可以計算出Q450NQR1鋼材在仿真分析軟件材料屬性中的兩個關鍵點：

關鍵點1：屈服強度所對應的應變ε。

應變

關鍵點2：拉繩極限的應變值。根據上面描述可知Q450NQR1鋼材在拉伸極限的應變值為2%。

根據以上計算得出的結果可在仿真分析軟件中設置Q450NQR1鋼材非線性屬性，其設置圖和曲線圖如圖2和3所示。

3 ?仿真計算

以某型漏斗車為例，空車在AAR M-1001標準要求的沖擊載荷作用下，在仿真分析軟件中分別對超過材料屈服極限的部分是否設置材料屬性進行對比分析。在仿真分析時，只加載5560kN的沖擊力和車體自重。

車體有限元分析模型采用空間笛卡爾坐標系。該坐標系中，X軸指向車輛運行前方，Y軸與線路方向相垂直，Z軸垂直于軌道平面，其正方向為豎直向上。坐標系XOY平面位于底架鐵地板中性面上，原點位于車體底架幾何中心。由于除部分區域為厚板或鑄造件外，車體為鋼板整體焊接結構，故采用4節點殼單元Shell 181對主結構進行離散，而在沖擊座、上心盤和頂車墊板處采用20節點實體單元Solid 95進行離散。離散時盡可能采用四邊形或六面體單元，個別過渡區域采用了三角形或四面體單元。模型采用1/2模型，在中部施加對稱約束，后從板座施加5560kN的沖擊力，如圖4所示。

通過仿真分析軟件計算得出在超過材料屈服極限時設置材料非線性屬性，所計算出來的最大應力值為450.194MPa，最大變形為8.762mm，如圖5、圖6所示;在超過材料屈服極限時未設置材料非線性屬性時計算所得最大應力值為496.952MPa，最大變形為8.762mm，如圖7、圖8所示。

4 ?結論

從以上分析可以得出，在超過材料屈服極限時設置非線性屬性，從仿真結果看，兩者的變形值幾乎沒有變化，只差了0.001mm;但是應力值有差別，未設置非線性屬性的模型仿真計算應力值大于設置非線性屬性的模型，相差約47MPa。分析原因主要為材料在超過材屈服極限時，應力-應變曲線的斜率比屈服極限范圍內的應力-應變曲線斜率較緩，當應變增加時應力值增加緩慢，仿真計算模型也更接近實際，建議在今后仿真計算在超過材料屈服極限時設置非線性屬性，保證計算結果的可靠性及準確性。

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