摇枕与侧架铸件的热裂纹数值模拟研究

1、摇枕与侧架铸件的热裂纹数值模拟研究铁路车辆的摇枕、侧架是车辆走行部位的关键零部件，其质量优劣直接影响到铁路运输的安全。随着铁路车辆的提速，摇枕、侧架的质量要求也越来越高。由于摇枕、侧架复杂的薄壁形结构，铸造过程中很容易产生变形、裂纹等方面的缺陷。但一个合理的铸造工艺往往需要进行反复多次的“设计、试浇注、校合、优化设计”循环过程来实现，这往往需要耗费太多的人力物力和时间。而计算机数值模拟可以将这一过程大大地简化，既节约了成本，又能大大缩短工艺优化的时间，所以用数值模拟武装现在相对落后的铸造工业势在必行。1 摇枕、侧架概述    摇枕、侧架结构复杂，箱形断面，属于大型

2、薄壁件。在铸造的过程中，由于壁厚不均，冷却时不可能同时凝固，局部热应力大，形成热裂纹的倾向性大。而且由于铸件的轮廓较大，结构复杂，铸件容易产生较大的变形，容易产生裂纹。裂纹大多外形曲折且不规则，表面宽而内部窄，从表面向内部延伸；断面呈氧化色，无金属光泽；裂纹清除后，被清除部位无夹砂、气孔、缩孔等其他铸造缺陷。从裂纹的这些特征可以判断，该裂纹属铸造热裂纹。摇枕、侧架重点检测部位如图l、2中A、B部位所示。 图1 侧架重点检测部位示意图图2 摇枕重点检测部位示意图2 热裂纹数值模拟研究现状    目前进行热裂预测的模型可以简单的归纳为以下三种模型： 

3、0;  (1)基于一维受阻模型的热裂模拟；    (2)基于凝固条件与补缩能力的热裂模拟；    (3)基于铸件高温应力应变场的热裂模拟。2.1 铸件热裂的一维受阻模型    铸件热裂一维受阻模型是从集中变形及两端约束这一思路出发的。Isobe，T.用热节区变形量和合金临界变形量随温度的变化及其相对大小来判断热裂形成；Kubota，M.提出，由合金高温力学性能决定的临界参数与冷却条件决定的热裂参数的比较来分析热裂，或者用铸件中心部冷却速度与外缘冷却速度之比作为热裂判据。一维受阻模型的热裂模拟主要

4、考虑了试棒的两端受阻的热裂情形，这和实际情况还有相当的距离。2.2 铸件热裂的凝固与补缩模型    热裂的凝固补缩模型主要是从铸件的凝固或补缩状况来预测铸件的热裂纹，以Clyne.T.W问和Feurer.U阎的工作为基础。Clyne.T.W将凝固的过程分为应力松弛阶段和易裂阶段。由此根据应力松弛阶段和易裂阶段的时间间隔之比来确定热裂产生的可能性。Feurer.U认为热裂是因合金的凝固收缩不能被充分补缩而形成的。他采用多孔介质中流动的Darcy理论来计算枝晶间流体的补缩能力，并将求得的补缩能力和合金的凝固收缩进行比较，提出若补缩能力大于凝固收缩则不产生热裂，反之则有

5、热裂产生。2.3 基于铸件应力应变场的热裂数值模拟     基于应力应变场的热裂模型多通过开发有限元软件或借助于大型工程有限元软件来模拟研究高温应力应变行为。3 试验内容及结果    试验铸件结构上设计了5根从300mm到900mm长度不等的板条。板条两端通过横浇道和块状结构，使其凝固收缩受阻。板条越长，凝固收缩所产生的应力应变越大，越容易在板条和横浇道相交处的热节部位产生热裂纹。试验根据上述热节处出现裂纹的情况来最终确定ZG25MnNi的铸件在1565的条件下热裂倾向的临界值。    试验以寻求摇枕、侧架热裂倾向的临界值为目的，采用与摇枕、侧架浇注工艺相同的材料、铸型和浇注温度。具体的试验条件如下：    浇注温度：1565；    铸件材料：ZG25MnNi；    铸型材料：有机酯水玻璃砂；    冷铁材料：A3钢。    试验方案工艺图如图3所示。图4、5、6为铸件的实物图。图4为两箱铸件的宏观外形图，图中用红线标示了铸件宏观变形的主要部位。图5、6分别为试验