钢轨焊接接头的静弯试验有限元建模及受力分析
符平坡 朱志明
【摘 要】摘要 钢轨焊接接头的静弯试验是评定焊接工艺和接头性能的重要方法。基于静弯试验系统的结构特征，建立了包含双接触对的钢轨焊接接头静弯接触有限元模型，分析了单元尺寸和接触刚度等接触对参数对计算时间及计算结果精度的影响，优化确定出合适的单元尺寸和接触对模型参数，并通过对比已有文献数据，证明了模型的适用性。然后根据钢轨闪光焊接头的静弯检验标准，对钢轨轨头受压(正弯)和轨头受拉(反弯)时的应力分布进行了模拟计算，获得了钢轨静弯时的应力分布特征、最大等效应力及其位置。通过对计算结果进行分析，对钢轨窄间隙电弧焊接头的强度、残余应力等提出了控制要求，可为后续钢轨窄间隙电弧焊接的工艺改进、接头质量控制和性能改善提供有价值的参考。 【期刊名称】焊接
【年(卷),期】2018(000)003 【总页数】5
【关键词】 钢轨焊接接头 静弯试验 窄间隙电弧焊 接触有限元模型 接触参数
0 前言
静弯试验是检验钢轨焊接接头整体力学性能的基本手段之一，被世界各国普遍用于钢轨焊接工艺评定和接头形式检验[1-2]。针对钢轨闪光焊、铝热焊和气压焊，国内分别制定和发布了铁道行业标准，对包括静弯性能在内的钢轨焊接接头质量提出了明确要求，而电弧焊尚未在钢轨焊接中获得规模化应用，也没有相应的钢轨焊接及接头静弯标准[3-4]。
随着国内高速铁路的快速发展，迫切需要进一步提高无缝线路钢轨原位焊接的
接头质量，电弧焊成为重要的替代方法。清华大学、铁道科学研究院等在原铁道部的支持下共同开展了采用自保护药芯焊丝的钢轨窄间隙电弧焊接方法研究[5-8]，以适应原位锁定、钢轨维护抢修等现场焊接作业的需要。该方法的目标是使钢轨焊接接头的各项性能指标(包括静弯性能)优于传统原位焊接方法——铝热焊接，达到闪光焊的高标准要求。初步试验结果表明，窄间隙电弧焊接头的静弯性能确实优于铝热焊，但仍有少量接头的静弯性能低于闪光焊标准[9-11]。
为了进一步探索影响钢轨窄间隙电弧焊接头静弯性能的因素，文中按照TB/T 1632—2014《钢轨焊接》标准规定的60 kg/m热轧钢轨的闪光焊接头静弯试验和性能要求，采用ANSYS有限元软件建立钢轨接头的静弯接触有限元模型，对静弯过程的钢轨接头的受力情况进行分析，为改善焊接工艺、提高接头质量和静弯性能提供改进措施和参考。
1 静弯试验方法及接触有限元模型
国内铁道行业标准的钢轨静弯试验采用三点弯曲，分为轨头受压的正弯(如图1所示，坐标X、Y、Z分别对应钢轨宽度、高度和长度方向)和轨头受拉的反弯。 采用有限元法分析钢轨受力时，对于钢轨单元类型的选取通常有两种情况。在进行轨道整体结构大系统的计算时，采用梁单元模型具有较高计算效率，然而梁单元无法具体显示钢轨某一局部的受力情况且计算误差较大[12-15]。而实体单元模型的计算精度较高，且钢轨各部位的应力分布直观明晰。考虑到钢轨焊接接头静弯模拟计算的目的，文中采用实体单元建模，同时考虑静弯压头、底座与钢轨间的接触问题，建立压头-钢轨及底座-钢轨的接触对模型，如图2所示，以提高计算结果的准确性。
根据简支梁的弯曲受力可以推测，钢轨静弯时的焊接接头附近应力应变较大，是需要关注的重点，而远离接头处应力较小，为平衡计算效率和精度，进行有限元建模时，钢轨接头附近采用密网格，远离接头的母材区采用疏网格，两部分之间采用过渡单元连接，如图2所示。为避免三部分之间因网格过渡而带来应力畸变，单元类型采用协调性较好的实体solid186单元。另外，由于静弯试验的整体对称性，模拟计算时采用1/4对称模型，以节省时间。
为了简化计算，假设钢轨接头焊缝及热影响区材料的力学性能与母材相同。图3所示为U71Mn钢轨的真应力应变曲线，可以看出实际钢轨材料的力学性能存在一定波动。
2 接触参数的影响分析与优化
接触问题的处理与模型建立的准确与否密切相关。影响模型及计算结果准确性的因素有接触对模型参数以及材料的力学性能参数，前者主要包括接触对的网格单元大小、刚度因子K、容许入侵量因子FTOLN，后者主要有钢轨的弹塑性参数以及构成接触对的压头或者底座的刚度等。
下面以轨头受压的正弯过程为例，对上述影响模型准确性的因素进行分析和优化。钢轨的力学性能参数采用图3中的曲线1。 2.1 接触网格单元大小
应力梯度较高时，为提高计算结果精度，宜使用小网格计算，但过密的网格会增大计算量，降低效率。为此，采用自大到小的单元网格尺寸进行计算，直至计算结果达到相对稳定状态，则稳定状态起始时的网格尺寸可以认为是最优值[16]。
取轨底最大等效应力Rmax的计算结果为精度指标，取计算时间t为效率指标。
钢轨焊接接头的静弯试验有限元建模及受力分析
