铁路货车承载结构的材料非线性仿真初探

熊侨 江明星 原育红 吴志旭

摘要：在按照AAR M-1001《Design， Fabrication， and Construction of Freight Cars》进行冲击工况考核时，在超过材料屈服强度时是否设置材料非线性属性对仿真结果的影响进行对比分析，得出两者的差异性，为今后仿真分析提供依据。

关键词：承载;结构;非线性;仿真

0  引言

依据AAR M-1001《Design， Fabrication， and Construction of Freight Cars》进行铁路车承载结构静强度仿真时，冲击工况下货车承载结构受到5560KN的冲击力，在绝大部分情况下货车承载结构已超过材料屈服强度，由线性分析进入非线性分析，为了充分考虑材料的非线性，使仿真结果更贴近于实际，特对货车在仿真分析软件中如何运用材料的非线性仿真进行研究，本文主要以钢材Q450NQR1为例进行分析，其余材料可参照进行。

1  材料非线性介绍

非线性根据形成原因的不同，可分为三种：材料非线性、几何非线性、状态非线性。

材料非线性是由于材料本身非线性的应力-应变关系导致的结构响应非线性，材料非线性包括弹塑性分析，蠕变分析、超弹性分析、弹塑性分析，以金属为例，当应力低于比例极限，应力应变是线性的，当应力超过屈服强度，应力-应变曲线表现为非线性，这个时候产生塑性行为，也就是卸载后，变形不能完全恢复，残留的部分变形就是塑性变形了。

几何非线性是由于结构经受大变形，结构几何形状的变化引起的结构响应的非线性，对于几何非线性来说，屈曲分析，是几何非线性的重要例子。

状态非线性是由于结构所处状态的不同引起的响应的非线性，状态非线性的刚度随状态的变化而变化，接触问题是最典型的状态非线性问题。

2  仿真模型建立原理

简单拉伸及薄壁筒扭转实验所得到的应力应变曲线是我们研究材料塑性性质的基本资料，图1是低碳钢的拉伸曲线。实验知，应力增加到屈服极限时，应力应变曲线上出现屈服阶段。过了屈服阶段以后，大多是材料要使继续增加变形，必须使应力进一步增加，即d？滓/d？着>0。

以钢材Q450NQR1为例，钢材的杨氏模量为206GPa、泊松比为0.3。根据AAR M-1001标准的冲击工况而言，其冲击力为5560KN，在该载荷作用下，当Q450NQR1超过屈服强度时，车体承载结构应考虑材料的非线性。钢材的拉伸应力极限出现在2%应变，屈服强度时的应变为屈服强度除以杨氏模量。对于冲击载荷情况，基于两种情况，第一个是，在所施加的负载作用下车体将承受很大的应变;第二个，冲击载荷是非循环载荷条件，不做疲劳考核。

根据Q450NQR1钢材的材料属性可知其屈服极限为450MPa，抗拉极限为550MPa。基于上述描述我们可以计算出Q450NQR1钢材在仿真分析软件材料属性中的两个关键点：

关键点1：屈服强度所对应的应变ε。

应变

关键点2：拉绳极限的应变值。根据上面描述可知Q450NQR1钢材在拉伸极限的应变值为2%。

根据以上计算得出的结果可在仿真分析软件中设置Q450NQR1钢材非线性属性，其设置图和曲线图如图2和3所示。

3  仿真计算

以某型漏斗车为例，空车在AAR M-1001标准要求的冲击载荷作用下，在仿真分析软件中分别对超过材料屈服极限的部分是否设置材料属性进行对比分析。在仿真分析时，只加载5560kN的冲击力和车体自重。

车体有限元分析模型采用空间笛卡尔坐标系。该坐标系中，X轴指向车辆运行前方，Y轴与线路方向相垂直，Z轴垂直于轨道平面，其正方向为竖直向上。坐标系XOY平面位于底架铁地板中性面上，原点位于车体底架几何中心。由于除部分区域为厚板或铸造件外，车体为钢板整体焊接结构，故采用4节点壳单元Shell 181对主结构进行离散，而在冲击座、上心盘和顶车垫板处采用20节点实体单元Solid 95进行离散。离散时尽可能采用四边形或六面体单元，个别过渡区域采用了三角形或四面体单元。模型采用1/2模型，在中部施加对称约束，后从板座施加5560kN的冲击力，如图4所示。

通过仿真分析软件计算得出在超过材料屈服极限时设置材料非线性属性，所计算出来的最大应力值为450.194MPa，最大变形为8.762mm，如图5、图6所示;在超过材料屈服极限时未设置材料非线性属性时计算所得最大应力值为496.952MPa，最大变形为8.762mm，如图7、图8所示。

4  结论

从以上分析可以得出，在超过材料屈服极限时设置非线性属性，从仿真结果看，两者的变形值几乎没有变化，只差了0.001mm;但是应力值有差别，未设置非线性属性的模型仿真计算应力值大于设置非线性属性的模型，相差约47MPa。分析原因主要为材料在超过材屈服极限时，应力-应变曲线的斜率比屈服极限范围内的应力-应变曲线斜率较缓，当应变增加时应力值增加缓慢，仿真计算模型也更接近实际，建议在今后仿真计算在超过材料屈服极限时设置非线性属性，保证计算结果的可靠性及准确性。

参考文献：

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