U75V焊接接头三维轮轨滚动接触有限元分析

庞 兴，阚前华，赵吉中，徐 祥，朱龙权

(西南交通大学 力学与工程学院，四川 成都 610031)

0 引 言

随着我国高速铁路建设的快速发展，钢轨的焊接工艺取得了极大的进步.研究表明，由于钢轨焊接接头处材质的非均匀性，无论是铝热焊接钢轨还是闪光焊接钢轨，在其焊接接缝两端均存在明显的热影响区域，该区域的硬度较低，容易发生损伤与破坏[1].因此，有必要通过实验和数值模拟相结合的方法来研究轮轨滚动接触过程中钢轨焊接接头区域的力学性能表现.目前，有限元方法作为轮轨滚动接触研究的重要工具，科研人员利用其对轮轨滚动接触疲劳、轮轨间蠕滑力、钢轨轨缝接触—冲击行为以及轮轨滚动接触蠕滑特性等问题进行了研究，取得了系列成果[2-5].同时，已有一些研究开始关注钢轨焊接接头的有限元分析，例如，焊接接头冷却过程的应力分布规律及原因，钢轨焊缝内弹塑性应力分布状态，以及铝热焊焊接接头疲劳裂纹萌生的位置和损伤程度的影响因素等[6-8].由于上述研究未考虑轮轨材料在动态荷载过程中的率相关性，无法合理预测动态滚动接触过程中钢轨的应力—应变响应，故本研究拟采用Johnson-Cook冲击动态本构模型，探讨动态冲击荷载下应变率对钢轨动态流动应力的影响以及钢轨焊接接头轮轨三维滚动接触动力学有限元分析，以揭示钢轨焊接接头材质非均匀性对钢轨在滚动接触下的应力和应变影响.

1 有限元模型

本研究采用有限元软件ABAQUS建立轮轨三维滚动接触分析模型，对滚动过程中钢轨焊接接头区域力学特性进行分析.

1.1 几何模型及网格划分

研究模型由车轮和钢轨两部分组成，其中车轮直径为915 mm，钢轨长500 mm，根据U75V闪光焊接接头试样单轴拉伸实验过程中不同位置的应变分布(见图1)，将焊接接头拉伸过程中应变较大的区域作为热影响区(HAZ1和HAZ2)，两热影响区之间区域为焊缝区(WZ)，热影响区和焊缝区宽度分别为20 mm和40 mm.

图1应变分布及区域划分示意图

在所建立的模型中，车轮采用LMA型廓形，钢轨采用60 kg/m钢轨外形，单元类型为C3D8三维实体单元.本研究对轮轨接触区域进行了网格精细剖分，具体如图2所示.

图2轮轨三维有限元模型示意图

1.2 材料模型和参数

通常，在列车行进中，由于钢轨表面的不平顺和车轮多边形化，使列车车轮与钢轨时刻处于冲击荷载作用之下.因此，在轮轨动态滚动接触有限元分析中，必须考虑动态载荷作用下应变率对材料力学性能的影响，并选取合理的材料动态本构模型.对此，本研究拟利用有限元软件ABAQUS材料库中包含的Johnson-Cook动态本构模型[9].

Johnson-Cook动态本构模型主要用于描述金属材料在冲击荷载下的力学响应，其考虑了大变形和高温条件的影响，描述了材料应变、应变率以及温度与动态流应力之间存在的乘法效应，表达形式为，

σ=(A+Bεn)(1+Clnε*)[1-(T*)m]

(1)

(2)

T*=(T-Tr)/(Tm-Tr)

(3)

本研究通过霍普金森压杆对U75V轨钢开展动态压缩实验，获取了不同应变率下的应力—应变曲线，具体如图3所示.同时，通过最小二乘法确定了Johnson-Cook本构模型的相关参数(见表1).对比图3中的实验和模拟结果可知，Johnson-Cook本构模型可较好地模拟U75V钢轨的动态冲击应力—应变曲线.

为研究钢轨焊接接头附近材质非均匀性对钢轨滚动接触下应力与应变的影响，焊缝区和热影响区的材料参数除屈服强度外均与母材区保持一致.而由图1可知，热影响区材料强度较低，故将热影响区的屈服强度假定为母材区0.7倍，焊缝区屈服强度假定为母材区0.9倍，即二者的屈服强度分别为母材的70%和90%.车轮材料考虑为弹性，其弹性模量为208.5 GPa[10]，轮轨间摩擦系数为0.3.

图3 不同应变率下U75V钢轨的应力—应变曲线及验证

1.3 边界条件与荷载

有限元模型中，钢轨底部采取全固定约束；将车轮轴部节点耦合至车轮中心，并施加不同轴重和纯滚动速度荷载.

2 结果与讨论

2.1 接触压力变化

由于钢轨焊接接头材质的非均匀性，在车轮滚过钢轨焊接接头的过程中，轮轨之间的接触压力不断变化.钢轨焊接接头不同位置的最大接触压力如图4所示，结果显示，热影响区的最大接触压力明显小于其相邻区域.由图1可知，在单轴拉伸过程中，钢轨焊接接头热影响区应变相对于母材区与焊缝区较大，表明热影响区的强度较该两个区域低，从而造成了热影响区接触斑面积较大.不同轴重下钢轨焊接接头不同位置的钢轨最大接触压力如图5所示，结果显示，轴重的小幅变化对钢轨焊接接头接触压力影响不大.行车速度不同时，HAZ1的最大接触压力变化不明显(见图6)，但HAZ2的最大接触压力会随行车速度增大逐渐增大(见图7).

图4不同位置最大接触压力分布曲线

图5不同轴重下焊接接头不同位置最大接触压力

图6不同行车速度下HAZ1最大接触压力

图7不同行车速度下HAZ2最大接触压力

2.2 等效应力分布

当车轮轴重为17 t、速度为300 km/h时，车轮滚过钢轨焊接接头后，两个热影响区等效应力分布如图8所示.为更好地显示钢轨顶面和内部的等效应力分布，本研究沿轮轨接触中心对钢轨进行了剖分显示.通过与无焊接钢轨等效应力对比发现，车轮经过热影响区时，热影响区与其他区交界处均会发生应力集中现象.车轮滚过钢轨焊接接头后，残余等效应力较大位置位于热影响区与其他区交界处(见图9).

图8钢轨的等效应力分布

图9残余等效应力分布图

不同轴重和行车速度下，钢轨焊接接头残余等效应力较大位置均位于热影响区与其他区交界处，最大残余等效应力如表2、表3所示.表中数据显示，不同轴重下钢轨焊接接头最大等效残余应力水平相似，表明轴重对等效残余应力影响不大.而在不同行车速度下，钢轨焊接接头等效残余应力存在较大差异，当速度为300 km/h时其值最大，当速度为250 km/h时其值最小.

表2 不同轴重下焊接接头最大残余等效应力

表3 不同行车速度下焊接接头最大残余等效应力

2.3 等效塑性应变分布

当车轮轴重为17 t，以速度为300 km/h滚过钢轨焊接接头后，其等效塑性应变分布与钢轨无焊接接头对比如图10所示.数据显示，车轮滚过后，钢轨焊接接头与无焊接钢轨的等效塑性应变较大的位置都位于钢轨次表层，且位于轮轨接触位置下方，钢轨焊接接头的等效塑性应变较大，最大处位于热影响区域.

图10有焊接接头与无焊接钢轨等效塑性应变对比

有焊接接头钢轨与无焊接钢轨不同深度的等效塑性应变进行对比如图11和图12所示.结果表明，两者等效塑性应变最大处位于距钢轨表面约2.4 mm处.焊接钢轨母材区等效塑性应变水平与无焊接钢轨相似，但焊接接头区域等效塑性应变明显高于无焊接钢轨，尤其是在热影响区域(见图13).数据显示，钢轨焊接接头两侧热影响区等效塑性应变分布存在差异，HAZ2等效塑性应变较大(见图14)，这是因为车轮在滚动过程中对钢轨产生的挤压作用引起的.

图11钢轨焊接接头不同深度等效塑性应变

图12 无焊接钢轨不同深度等效塑性应变

图13 焊接接头与无焊接钢轨内部等效塑性应变对比

图14焊接接头两侧塑性变形差异

考虑轴重影响，当轴重分别取16 t、17 t和18 t时，钢轨焊接接头等效塑性应变分布规律变化不大，其内部等效塑性应变随轴重增大稍有增大，具体如图15所示.表4为不同轴重下钢轨焊接接头最大等效塑性应变，可见轴重对等效塑性应变的影响较小.

图15 不同轴重下焊接接头内部等效塑性应变

考虑行车速度影响，当行车速度分别为250 km/h、300 km/h和350 km/h时，钢轨焊接接头等效塑性应变分布规律不变，但数值有较大差异，具体如图16所示.表5给出了不同行车速度下钢轨焊接接头最大等效塑性应变. 数据显示，随着行车速度增大，最大等效塑性明显增大.结合图16可知，其等效塑性明显增大区域位于HAZ2区.

图16 不同行车速度下焊接接头内部等效塑性应变

行车速度/(km/h)250300350最大等效塑性应变/%1.401.701.87

3 结 论

本研究认为，在轮轨滚动接触过程中，钢轨焊接接头热影响区域最大接触压力较相邻区域小，轴重对热影响区域最大接触压力影响较小，随着行车速度增大，钢轨焊接接头热影响区域HAZ2最大接触压力逐渐增大.在车轮经过钢轨焊接接头热影响区域时，热影响区域与其他区域交界处均会发生应力集中.等效塑性应变最大处位于钢轨次表层，有焊接接头钢轨等效塑性应变大于无焊接钢轨.由于挤压作用，钢轨焊接接头热影响区域HAZ2等效塑性应变大于热影响区域HAZ1.轴重对钢轨焊接接头等效塑性应变影响较小，但等效塑性应变随着行车速度增大逐渐增大.