基于数值模拟的桥壳钢板性能比较

王　立

(东北电力大学 工程训练中心，吉林 吉林 132012 )



基于数值模拟的桥壳钢板性能比较

王立

(东北电力大学 工程训练中心，吉林 吉林 132012 )

通过有限元数值模拟软件ANSYS具有的热-力耦合分析功能，对390Q和16MnL两种材料不同温度下空冷过程的瞬态温度场和应力场进行了数值模拟，并对两种材料的力学性能试验进行了预测和比较，并与前期试验结果进行对比。结果表明：高强度钢板390Q的各项力学性能优于16MnL ，与试验结果相吻合。研究结果为高强度钢板390Q在国内卡车制造领域的应用提供了理论基础，验证了使用390Q替代16MnL作为桥壳用钢板原材料的可行性。

桥壳；高强度钢板；数值模拟；温度场；应力场

在当今的国内卡车制造领域，冲焊桥壳生产工艺逐步取代铸造桥壳成为业内主流，而国内缺少生产桥壳的专用钢板，自主开发的冲焊桥壳，其用钢到目前为止均由汽车大梁用钢板(16MnL，бs≥355 Mpa)临时代替，该钢板属以固溶强化为主的非控轧控冷钢板，一汽生产的457桥壳台架寿命几乎都不能通过；一汽引进的日产柴桥的系列产品(400桥)要求бs≥390 Mpa级别的高强度钢板;一汽与英国合作的咨询项目中桥壳用钢板要求бs≥460 Mpa，强度级别更高[1-2]。为减重节能、提高安全可靠性，开发桥壳专用高强度钢板势在必行[3-4]。

为了更有效的开发利用高强度钢板，本文采用实验研究、理论分析与有限元数值模拟相结合的方法，首先通过力学性能实验和热处理工艺实验分析比较了两种桥壳用高强度钢板390Q和16MnL的各项力学性能，在此基础之上，通过热-力耦合有限元数值模拟软件ANSYS，分析研究了两种材料空冷过程中的瞬态温度场和热应力场的分布及变化规律，具体如下：

(1)通过力学性能实验和加热缓冷处理对390Q和16MnL在不同加热温度下屈服强度、抗拉强度、断裂延伸率各项性能指标进行比较。

(2)对两种材料390Q和16MnL不同加热温度的空冷过程进行温度场和应力场的数值模拟，获得390Q和16MnL冷却过程温度场和应力场分布图以及相关的时间变量曲线，并对两种材料的力学性能进行了预测和比较。

1　力学性能测试

1.1实验选用材料及其化学成分

本实验选用我国桥梁制造中最常见的低合金高强度钢16MnL和超细晶粒无间隙原子钢390Q为实验材料。

1.2实验内容

桥壳用钢原本采用16MnL做为材料，本研究准备选取高强度钢板390Q作为替代。本力学性能实验主要测试16MnL与390Q在室温和加热不同温度以后的屈服强度、抗拉强度、断裂延伸率等力学指标，并对二者的各项性能指标进行对比。

拉力实验根据金属力学性能现行国家标准GB2975-82钢材力学及工艺性能实验取样规定，采用宽度20 mm×80 mm的拉力试样。冲击为55 mm×10 mm，弯曲为180 mm×35 mm。

1.3力学性能测试结果分析

在反应床日常运行中，当床体表面颜色变黑，结壳发硬、湿度增大，甚至积累了黑色稠状有机物以及生长藻类物质时，应及时进行表面处理。在小试中采用的表面处理方法非常简单，即在落干期用铲状物将表面致密层（厚1～2 cm） 破坏、翻挖，使其呈松散土状即可。一般冬季约3个月、夏季1～2个月需翻动1次。

1.3.1390Q 与16MnL的抗弯曲性能比较

表1　390Q与16Mn L的力学性能参数

由表1可见，390Q屈服强度与抗拉强度远高于目前桥壳所用的16MnL，而390Q 与16Mn L抗弯性能均完好。

1.3.2390Q 与16MnL加热缓冷后抗拉强度、屈服强度、延伸率比较

图1分别是16MnL 与390Q加热缓冷后抗拉强度，屈服强度，延伸率随温度变化曲线图。从图1(a)可以看出，由于温度升高，晶粒不断长大，各项指标不断下降，当温度达到750 ℃时，发生相变强度降低，延伸率升高，这是由于16MnL含碳量较高的原因。

图1　16MnL和390Q的屈服强度,抗拉强度,延伸率曲线

从图1(b)可以看出，温度由室温加热到600 ℃的过程中，铁素体与珠光体晶粒逐渐长大，各项性能指标逐渐减小，当温度达到600 ℃时晶粒最大。因此，各项指标达到最小，延伸率最小，塑性最小。600 ℃加热到700 ℃的过程晶界开始熔合，晶界强化作用不明显，塑性升高。700 ℃时产生贝氏体，强度变化很小，塑性升高。由于加入了Mn元素，相变点由原来的740 ℃变为714 ℃，在温度达到最佳相变点714 ℃时开始发生相变，达到750℃时产生贝氏体和部分马氏体，导致塑性降低，强度升高。所以，390Q高强度钢板在750 ℃时生成马氏体或贝氏体，强度较高，延伸率降低[5-6]。

390Q是细晶强化，杂质少，而16MnL是由于碳含量较高导致各项指标较好，二者有明显不同。(1)16MnL随温度不断变化时，其机械性能较差。(2)加热后的390Q比16MnL有效的提高了机械性能。(3)390Q具有良好的机械性能。

通过图1可以清楚的看出，390Q的力学性能较16MnL好。 390Q用于桥壳中，其性能优良。

2　桥壳热处理过程的数值模拟

2.1建模及前处理[7-9]

四分之一桥壳的几何模型如图2所示，材料1代表桥壳实体模型，材料2代表冷却介质。

图2　几何模型示意图

参数材料390Q16MnL密度(kg/m3)78507870弹性模量/MPa2.16E112.12E11泊松比0.260.31

四分之一桥壳的几何模型网格划分，如图3所示。一般来讲,网格划分，数量越多，计算精度越高，同时技术规模也会增加，经过权衡两个因素综合考虑，采用5×5的毛坯网格划分最合适。划分网格之后对材料模型进行加载，在材料1的各节点施加温度载荷600 ℃(实验中的一个加热温度)，如图4所示为桥壳不同部位载荷取点图；材料2的各节点施加温度载荷20 ℃(冷却介质空气的温度)。加载过程中所需390Q、16MnL导热率、比热容和热膨胀系数与温度的对应关系如表2，通过查找文献[10]可得。

图3 桥壳的四分之一网格划分图图4 桥壳载荷取点图

2.2模拟结果

2.2.1600 ℃保温20分钟空冷温度场

图5　16MnL和390Q空冷480 s温度场分布图

由图5可以看出，600 ℃保温20分钟空冷时,390Q较16MnL温度场分布均匀。通过模拟数据发现，在冷却时间相同的情况下(480秒)，16MnL的平均冷却速度为0.686 ℃/s ，390Q的平均冷却速度为0.676 ℃/s。所以,390Q的冷却速度低于16MnL的冷却速度。

2.2.2800 ℃保温14分钟空冷温度场

由图6可以看出,800℃保温14分钟空冷时,390Q较16MnL温度场分布均匀。通过模拟数据发现，在冷却时间相同的情况下(960秒)，16MnL的平均冷却速度为0.727 ℃/s ，390Q的平均冷却速度为0.658 ℃/s。所以，390Q的冷却速度明显低于16MnL的冷却速度。

图6　16MnL和390Q空冷960秒温度场分布图

综合以上温度场模拟结果可以看出，390Q的冷却速度低于16MnL的冷却速度，冷却速度越快越容易造成杂质元素的偏聚和合金元素的聚集，造成组织的不均匀化，使工件的变形量大。冷却速度慢，消除组织就不均匀，使合金元素充分扩散，达到组织均匀化，钢的强度、塑性、韧性相对就比较好。所以，由温度场分析可以得出390Q的强度、塑性、韧性比16MnL相对较好，这与试验结果相吻合。

2.2.3应力场分析

对两种实验材料600 ℃保温20分钟空冷应力场以及800℃保温14分钟空冷应力场模拟结果进行对比分析。由图7可以看出，600 ℃保温20分钟空冷相同时间(480秒)后，16MnL的最大热应力为50.8 Mpa，最小热应力为1.05 Mpa，390Q的最大热应力为47.0 Mpa，最小热应力为1.03 Mpa。可见，空冷480秒后，工件内的热应力390Q钢比16MnL小。由图8可以看出,800 ℃保温14分钟空冷相同时间(960秒)后，16MnL的最大热应力为43.8MPa,最小热应力为0.537 Mpa,390Q的最大热应力为35.9 Mpa，最小热应力为0.514 Mpa。可见，空冷960秒后，工件内的热应力390Q钢比16MnL小。从应力场数值模拟分析结果可以看出，390Q钢热处理后产生的热应力均比16MnL小，所以390Q钢较16MnL冷却过程产生的不均匀塑性变形小，承载能力强，因此用于桥壳中390Q比16MnL性能优良，这与实验结果相吻合。

图7 16MnL和390Q热应力比较图(600℃保温20min空冷)图8 16MnL和390Q热应力比较图(800℃保温14min空冷)

综合以上温度场与应力场分析可以看出，390Q较16MnL冷却速度慢,冷却过程中产生的热应力小。所以,390Q钢较16MnL 冷却后组织均匀，冷却过程中产生的不均匀塑性变形较16MnL小,承载能力强。因此，390Q钢的强度、塑性、韧性比16MnL更为优良，这与实验结果相吻合。

3　结　　论

本文在试验的基础上，通过数值模拟软件分析比较了390Q和16MnL两种材料空冷过程中的瞬态温度场和热应力场的分布及变化规律，得出以下结论：

(1)对不同温度下两种钢板空冷过程的瞬态温度场分布和冷却曲线的数值模拟，得出390Q的冷却速度较慢；

(2)对不同温度下两种钢板空冷过程的瞬态应力场的数值模拟，得出390Q在空冷过程中产生的热应力较小；

(3)通过对比分析预测出390Q的各项力学性能优于16MnL，与实验结果相吻合。

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The Performance Comparison of Axle Case Steel Plate Based on Numerical Simulation

WANG Li

(The Engineering Training Center，Northeast Danli University，Jilin Jilin 132012)

Two materials of 390 Q and 16 MnL of different temperature air-cooling process of transient temperature and stress was simulated through the heat-Mechanics coupled finite element of numerical simulation softwareANSYS in this paper. Based on this,the mechanical properties of the two materials were forecast and compared with test results were compared and analyzed.The results showed that the mechanical properties of high-strength steel plate 390 Q superior to the 16 MnL,and coincides with the experimental results.It will provide a theoretical basis for the high-strength steel plate 390 Q access to applications in the actual production ,and The feasibility of using 390Q to replace 16MnL as the raw material of Axle-housing Steel.

Axle-housing；High-strength steel plate；Numerical simulation；Field of temperature；Field of stress

2016-04-12

王立(1982-)，女，吉林省长春市人，东北电力大学工程训练中心实验师，硕士，主要研究方向：材料科学与工程.

1005-2992(2016)04-0091-05

TG113.26

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