軌道車輛行李架托架的材料模型與實(shí)驗(yàn)修正

秦建忠，姚春斌，張智 杰

（1.今創(chuàng)集團(tuán)股份有限公司，常州 213 000； 2.天津航天瑞萊科技有限公司上海分部，上海 201100）

軌道車輛行李架托架的材料模型與實(shí)驗(yàn)修正

秦建忠1，姚春斌2，張智 杰2

（1.今創(chuàng)集團(tuán)股份有限公司，常州 213 000； 2.天津航天瑞萊科技有限公司上海分部，上海 201100）

以行李架托架為例，采用雙線性彈塑性模型，利用有限元方法對行李架托架強(qiáng)度進(jìn)行了校核，比較直觀地了解行李架托架的應(yīng)力分布，并通過實(shí)驗(yàn)修正相關(guān)參數(shù)，為行李架托架后續(xù)分析提供了基礎(chǔ)。

行李架托架；有限元；雙線性彈塑性模型

概述

行李存放是旅客列車設(shè)計(jì)中的重要課題，合理解決行李存放也是體現(xiàn)旅客列車“人性化服務(wù)的重要標(biāo)志”。在保證可靠安全的前提下，怎樣在有限的空間內(nèi)最大限度地滿足旅客行李存放的需求，并且做到美觀化、輕量化、模塊化是行李架設(shè)計(jì)不斷追求的目標(biāo)。我國鐵路旅客列車的行李存放一般有行李臺、行李架和大件行李存放三種方式。其中行李架的設(shè)置最為普遍，廣泛應(yīng)用于普通客車和高速動車上[1]。其中行李架托架是支撐整個(gè)行李架和行李的關(guān)鍵部件，本文以行李架托架為例，利用有限元方法對行李架托架進(jìn)行校核，并通過實(shí)驗(yàn)作驗(yàn)證對比和修正。

圖1 行李架托架三維模型

行李架托架位于行李架兩端，端部和車體接口相連，主要由兩部分組成，端部鑄件（ZL115-T5）和拉桿（6063-T5），其三維模型示意見圖1。

1 雙線性彈塑性模型

在金屬彈-塑性大變形問題分析中，需要考慮材料的非線性。材料非線性又稱為物理非線性，它研究的是金屬塑性變形過程中應(yīng)力與應(yīng)變之間的非線性物理關(guān)系，即本構(gòu)關(guān)系。常見金屬材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2所示，簡化而成的雙線性彈塑性模型如圖3所示。雙線性彈塑性模型在彈性階段其應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率即為彈性模量，而在過了屈服點(diǎn)之后的塑性階段斜率即為應(yīng)變硬化模量，也是一個(gè)定值。

圖2 某材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3 雙線性彈塑性模型的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2 行李架托架的破壞實(shí)驗(yàn)

為了考察行李架托架的靜強(qiáng)度，本文進(jìn)行了行李架托架的破壞實(shí)驗(yàn)。將試驗(yàn)件按照實(shí)際承載狀態(tài)安裝在工裝上，通過氣缸和加壓板對行李架托架前端施加載荷，逐漸增大施加的壓力，試驗(yàn)件開始發(fā)生形變直至斷裂，同時(shí)記錄下整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中的載荷數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行了三次，實(shí)驗(yàn)狀態(tài)及系統(tǒng)示意見圖4，三次實(shí)驗(yàn)的載荷曲線以及試驗(yàn)件的斷裂狀態(tài)見圖5和圖6，由此得到的行李架托架破壞時(shí)承受的極限力信息如表1所示。

表1 行李架托架的極限力信息

圖4 行李架托架破壞實(shí)驗(yàn)

3 有限元分析

行李架托架的有限元模型通過MSC.Patran 2012創(chuàng)建，采用Tet4自由劃分網(wǎng)格，單元的全局尺寸為3mm，最小尺寸為0.6mm，整個(gè)模型單元數(shù)共115671個(gè)。行李架固定端采用位移約束固定，并在前端受力曲面處施加1350N（三次破壞實(shí)驗(yàn)得到的加載極限的平均值）的均布載荷，有限元模型見圖7。

由于行李架最終會發(fā)生破壞，所以在整個(gè)過程中的材料屬性是非線性的，本文采用雙線性彈塑性模型來模擬，并和單線性模型作對比。根據(jù)表2給出的材料屬性，有限元分析時(shí)選用各向同性的彈塑性模型，對于拉桿型材，其原始硬化模量（Hardening slope）可取為1059MPa[2]，屈服點(diǎn)（Yield Point）為130MPa；對于端部鑄件，硬化模量也取為1059MPa，屈服點(diǎn)為280MPa，最終根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到修正后的硬化模量為28000MPa。計(jì)算結(jié)果見表3，有限元應(yīng)力云圖見圖8～圖10。

圖5 三次行李架破壞實(shí)驗(yàn)的加載曲線

圖6 三次行李架破壞實(shí)驗(yàn)的斷裂位置

圖7 行李架托架有限元模型

4 結(jié)論

行李架托架的破壞試驗(yàn)表明，當(dāng)托架前端受力為1350N左右時(shí)，托架發(fā)生斷裂破壞，斷裂點(diǎn)一致都為拉桿和底架連接處靠近受力端一側(cè)。

表2 材料屬性

表3 有限元結(jié)果匯總

圖8 線彈性模型的計(jì)算結(jié)果

圖9 修正前的雙線性彈塑性模型的計(jì)算結(jié)果

圖10 修正后的雙線性彈塑性模型的計(jì)算結(jié)果

有限元計(jì)算的結(jié)果表明，同樣施加由于線彈性模型在屈服點(diǎn)之后的切線模量要大于真實(shí)的硬化模量，因此計(jì)算出的最大應(yīng)力偏大，超過了材料的斷裂極限；修正前的雙線性彈塑性模型由于硬化模量的取值偏小，因此得到的最大應(yīng)力偏小，小于材料的斷裂極限；修正后的雙線性彈塑性模型得到了與實(shí)驗(yàn)相一致的最大應(yīng)力以及斷裂位置。因此這個(gè)模型可以應(yīng)用于相同試驗(yàn)件的其他有限元分析中。

[1] 陳賀久. 軌道車輛行李架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析[J]. 中國科技博覽, 2014,(26):45.

[2] 范秀昌. 應(yīng)變硬化模量確切意義與實(shí)驗(yàn)測法及其應(yīng)用算例[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào), 1999,32(04):504-507.

[3] 范秀昌. 應(yīng)變硬化模量的實(shí)驗(yàn)測量與計(jì)算[J]. 天津理工學(xué)院學(xué)報(bào),1998,(1)1-4.

[4] 楊鋒平. 屈服準(zhǔn)則及切線模量修正的彈塑性計(jì)算模型[J]. 力學(xué)學(xué)報(bào), 2010,(04):804-810.

[5] 張志平. 廣義切線模量理論及其應(yīng)用[D]:[博士學(xué)位論文]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué). 2005.

秦建忠（1966.7-），大專（東南大學(xué) 機(jī)械鑄造專業(yè)）、本科（南京大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理專業(yè)），工程師，主要研究方向：軌道交通產(chǎn)品可靠性。

姚春斌（1988.6-），本科（復(fù)旦大學(xué) 力學(xué)）、碩士（同濟(jì)大學(xué) 力學(xué)），助理工程師，主要研究方向：測試技術(shù)，模態(tài)分析。

張智杰（ 1988.4-），本科（北華航天工業(yè)學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)及自動化），助理工程師。

The Material Model and Experimental Correction of Rail Vehicle Luggage Rack Bracket

QIN Jian-zhong1, YAO Chun-bin2, ZHANG Zhi-jie2
(1. KTK GROUP Co., Ltd., Changzhou 213000; 2.Tianjin Aerospace Ruilai Technology Co. Ltd., Shanghai 201100)

Taking the example of the luggage rack bracket, this paper uses the finite element method to check the strength of with bilinear elastoplastic model; then the stress distribution of luggage rack bracket is intuitively under stood. Finally, it corrects the harden slope according to the experiment result and provides the basis for the subsequent analysis of the luggage rack bracket.

luggage rack bracket; finite element; bilinear elastoplastic model

O341

A

1004-7204（2015）01-0021-04