鋁合金地鐵車體邊梁機(jī)加工裂紋仿真分析與研究

李樹棟，曲凱倫，劉凱，金文濤

中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031

“十三五”發(fā)展以來，國(guó)家大力倡導(dǎo)發(fā)展軌道交通，構(gòu)建綜合、綠色、安全、智能的立體化世界一流現(xiàn)代化城市交通系統(tǒng)。截至2020 年7 月底，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到14.14 萬km，其中高鐵3.6 萬km；2020 年，全國(guó)鐵路已投產(chǎn)新線1 310 km，其中高鐵733 km。為了降低車輛自重，減小運(yùn)動(dòng)阻力，提升車輛運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性，對(duì)車輛輕量化設(shè)計(jì)有著較高要求[1]。車體設(shè)計(jì)目前主要分為不銹鋼蒙皮骨架結(jié)構(gòu)和鋁合金型材結(jié)構(gòu)2 種方案，其中鋁合金型材在降重、節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性上都擁有較大優(yōu)勢(shì)[2]。目前鋁合金型材供應(yīng)商基本上實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)[3]。車體在加工過程中先后經(jīng)歷胚料預(yù)熱、擠壓、焊接或機(jī)加工等環(huán)節(jié)[4-5]，在這之中最大的風(fēng)險(xiǎn)就是型材出現(xiàn)裂紋，輕則造成型材報(bào)廢，重則造成重大安全事故，因此需要對(duì)裂紋的產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用仿真手段去進(jìn)行原因判斷成為一種新方向，并取得了一定的成果[6-8]。

1 案例描述

某地鐵項(xiàng)目車體采用鋁合金型材結(jié)構(gòu)，在生產(chǎn)的過程中需要提前對(duì)底架邊梁進(jìn)行機(jī)加工，然后再進(jìn)行焊接。加工工況圖如圖1 所示。

加工后在邊梁根部出現(xiàn)裂紋，對(duì)發(fā)生裂紋的型材進(jìn)行切割和處理，型材加工裂紋圖如圖2 所示。對(duì)裂紋進(jìn)行電鏡掃描，可見明顯的疲勞斷裂裂紋拓展形貌(圖3)。由于裂紋出現(xiàn)在加工過程中，采用仿真的方法排查裂紋出現(xiàn)原因更為合理和有效。

圖1 加工工況

圖2 型材加工裂紋

圖3 疲勞斷裂裂紋拓展形貌

2 模型簡(jiǎn)化

由于型材結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，選取關(guān)鍵部位進(jìn)行建模，在相應(yīng)邊界施加等效約束。如圖4 和圖5 所示。

圖4 型材三維圖

圖5 加工位置簡(jiǎn)化圖

分別對(duì)型材和刀具進(jìn)行網(wǎng)格劃分。其中型材采用C3D8R 單元，共劃分29 650 個(gè)單元。刀具采取剛體單元。根據(jù)加工現(xiàn)場(chǎng)和預(yù)計(jì)的優(yōu)化方案分別定義立銑(圖6)和臥銑(圖7)2 種工作場(chǎng)景。對(duì)每種工作場(chǎng)景以加工深度作為變量定義不同的工況。其中立銑加工深度和臥銑加工深度設(shè)置示意圖如圖8 和圖9 所示。具體參數(shù)定義如下：對(duì)立銑定義3 種不同的加工深度分別為5、10、15 mm，對(duì)臥銑定義2 種加工深度分別為5、10 mm。這樣總計(jì)5 種加工工況，詳見表1。

圖6 立銑

圖7 臥銑

圖8 立銑深度示意

圖9 臥銑深度示意

表1 工況統(tǒng)計(jì)表

型材的約束條件如圖5 所示，銑刀的旋轉(zhuǎn)速度為10 000 r/min，前進(jìn)速度選取2 000 mm/min。

3 定義材料本構(gòu)

刀具材料為硬質(zhì)合金鋼，定義為剛體。型材鋁合金為6005A，采用Johnson-cook 本構(gòu)，以模擬材料在高應(yīng)變速率下的應(yīng)變硬化、應(yīng)變速率硬化和熱軟化效應(yīng)，其本構(gòu)方程為

式中：σep為等效應(yīng)力，A為準(zhǔn)靜態(tài)條件下的屈服強(qiáng)度； εp為等效塑性應(yīng)變； ε˙0為材料的參考應(yīng)變率； ε˙p為等效塑性應(yīng)變率；B為材料應(yīng)變強(qiáng)度參數(shù)；n為硬化指數(shù)；c為應(yīng)變率強(qiáng)化參數(shù)；T0為常溫系數(shù)，通常取25 ℃；Tmelt為材料熔點(diǎn)；m為熱軟化參數(shù)。

工件材料的Johnson-Cook 本構(gòu)模型參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 工件材料的Johnson-Cook 本構(gòu)模型參數(shù)

材料的失效準(zhǔn)則選用Johnson-Cook 剪切失效準(zhǔn)則，失效參數(shù)ω的定義為

工件Johnson-Cook 剪切失效參數(shù)見表3。

表3 工件材料的Johnson-Cook 剪切失效模型參數(shù)

4 結(jié)果分析

取表1 中5 種工況分別進(jìn)行仿真計(jì)算，得到的應(yīng)力云圖如圖10 和圖11 所示。

圖10 立銑深度應(yīng)力云圖

圖11 臥銑深度應(yīng)力云圖

由圖10 和圖11 可以直觀地看出，除了切削區(qū)域外，最大的應(yīng)力出現(xiàn)在立筋根部。當(dāng)采取立銑深度為5 mm 時(shí)，此處發(fā)生開裂現(xiàn)象，其他方法并未開裂。

為了避讓圖10(a)中的開裂區(qū)域，選擇圖12中的一排節(jié)點(diǎn)定義路徑，提取應(yīng)力，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值曲線如圖13 所示。

圖12 應(yīng)力取點(diǎn)及節(jié)點(diǎn)編號(hào)

圖13 5 種工況下各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力值

由圖13 可以看出，最大應(yīng)力值集中在第6～8 個(gè)節(jié)點(diǎn)上。對(duì)照?qǐng)D12，此處為立筋的根部，亦驗(yàn)證了裂紋的出現(xiàn)位置。由于圖13 并不能體現(xiàn)在加工過程中的應(yīng)力變化，所以提取其中的第7 個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸出在加工過程中的應(yīng)力變化曲線，如圖14 所示。

圖14 5 種工況下第7 節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線

對(duì)圖14 進(jìn)行分析，可以得到以下內(nèi)容：

1)應(yīng)力值出現(xiàn)高頻震蕩。這個(gè)震蕩會(huì)對(duì)零部件的疲勞強(qiáng)度造成非常大的影響。

2)對(duì)各個(gè)工況進(jìn)行應(yīng)力值排序，從高到低大致為li_5 mm、li_15 mm、li_10 mm、heng_10 mm、heng_5 mm。可以看出立銑的應(yīng)力大幅大于橫銑(即臥銑)的應(yīng)力。

3)對(duì)立銑的應(yīng)力分析，可以看到深度與應(yīng)力值并不存在絕對(duì)的線性相關(guān)。應(yīng)力最大值時(shí)候的深度最淺(5 mm)，但應(yīng)力最小值時(shí)候并非深度最深(15 mm)，而是10 mm 的深度時(shí)應(yīng)力值最小。

5 結(jié)論

1)由于在銑削過程銑頭的高頻轉(zhuǎn)動(dòng)，零部件在加工的時(shí)候會(huì)存在應(yīng)力高頻振蕩現(xiàn)象。在T 型結(jié)構(gòu)的立筋加工中，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在立筋的根部(近平板處)，會(huì)在此處產(chǎn)生疲勞裂紋。

2)立銑和臥銑2 種加工方式中，立銑對(duì)立筋造成的應(yīng)力值要大于臥銑。所以應(yīng)盡量避免此種工藝，如有必要，需要對(duì)立筋采取額外夾持。

3)立銑的加工深度對(duì)立筋根部的應(yīng)力有較大影響。由于深度影響了立筋的剛度，又由于切削量的不同影響了切削力的大小，所以切削深度和立筋根部的應(yīng)力值不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，實(shí)際加工過程中如果確有必要采取此種加工工藝，需要合理定義切削深度。

綜合以上分析可知，采用有限元的方法進(jìn)行機(jī)加工仿真分析進(jìn)而判斷失效原因，在解決實(shí)際工程問題中擁有重要意義。