基于數值模擬的橋殼鋼板性能比較

王　立

(東北電力大學 工程訓練中心，吉林 吉林 132012 )

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基于數值模擬的橋殼鋼板性能比較

王立

(東北電力大學 工程訓練中心，吉林 吉林 132012 )

通過有限元數值模擬軟件ANSYS具有的熱-力耦合分析功能，對390Q和16MnL兩種材料不同溫度下空冷過程的瞬態(tài)溫度場和應力場進行了數值模擬，并對兩種材料的力學性能試驗進行了預測和比較，并與前期試驗結果進行對比。結果表明：高強度鋼板390Q的各項力學性能優(yōu)于16MnL ，與試驗結果相吻合。研究結果為高強度鋼板390Q在國內卡車制造領域的應用提供了理論基礎，驗證了使用390Q替代16MnL作為橋殼用鋼板原材料的可行性。

橋殼；高強度鋼板；數值模擬；溫度場；應力場

在當今的國內卡車制造領域，沖焊橋殼生產工藝逐步取代鑄造橋殼成為業(yè)內主流，而國內缺少生產橋殼的專用鋼板，自主開發(fā)的沖焊橋殼，其用鋼到目前為止均由汽車大梁用鋼板(16MnL，бs≥355 Mpa)臨時代替，該鋼板屬以固溶強化為主的非控軋控冷鋼板，一汽生產的457橋殼臺架壽命幾乎都不能通過；一汽引進的日產柴橋的系列產品(400橋)要求бs≥390 Mpa級別的高強度鋼板;一汽與英國合作的咨詢項目中橋殼用鋼板要求бs≥460 Mpa，強度級別更高[1-2]。為減重節(jié)能、提高安全可靠性，開發(fā)橋殼專用高強度鋼板勢在必行[3-4]。

為了更有效的開發(fā)利用高強度鋼板，本文采用實驗研究、理論分析與有限元數值模擬相結合的方法，首先通過力學性能實驗和熱處理工藝實驗分析比較了兩種橋殼用高強度鋼板390Q和16MnL的各項力學性能，在此基礎之上，通過熱-力耦合有限元數值模擬軟件ANSYS，分析研究了兩種材料空冷過程中的瞬態(tài)溫度場和熱應力場的分布及變化規(guī)律，具體如下：

(1)通過力學性能實驗和加熱緩冷處理對390Q和16MnL在不同加熱溫度下屈服強度、抗拉強度、斷裂延伸率各項性能指標進行比較。

(2)對兩種材料390Q和16MnL不同加熱溫度的空冷過程進行溫度場和應力場的數值模擬，獲得390Q和16MnL冷卻過程溫度場和應力場分布圖以及相關的時間變量曲線，并對兩種材料的力學性能進行了預測和比較。

1　力學性能測試

1.1實驗選用材料及其化學成分

本實驗選用我國橋梁制造中最常見的低合金高強度鋼16MnL和超細晶粒無間隙原子鋼390Q為實驗材料。

1.2實驗內容

橋殼用鋼原本采用16MnL做為材料，本研究準備選取高強度鋼板390Q作為替代。本力學性能實驗主要測試16MnL與390Q在室溫和加熱不同溫度以后的屈服強度、抗拉強度、斷裂延伸率等力學指標，并對二者的各項性能指標進行對比。

拉力實驗根據金屬力學性能現行國家標準GB2975-82鋼材力學及工藝性能實驗取樣規(guī)定，采用寬度20 mm×80 mm的拉力試樣。沖擊為55 mm×10 mm，彎曲為180 mm×35 mm。

1.3力學性能測試結果分析

在反應床日常運行中，當床體表面顏色變黑，結殼發(fā)硬、濕度增大，甚至積累了黑色稠狀有機物以及生長藻類物質時，應及時進行表面處理。在小試中采用的表面處理方法非常簡單，即在落干期用鏟狀物將表面致密層（厚1～2 cm） 破壞、翻挖，使其呈松散土狀即可。一般冬季約3個月、夏季1～2個月需翻動1次。

1.3.1390Q 與16MnL的抗彎曲性能比較

表1　390Q與16Mn L的力學性能參數

由表1可見，390Q屈服強度與抗拉強度遠高于目前橋殼所用的16MnL，而390Q 與16Mn L抗彎性能均完好。

1.3.2390Q 與16MnL加熱緩冷后抗拉強度、屈服強度、延伸率比較

圖1分別是16MnL 與390Q加熱緩冷后抗拉強度，屈服強度，延伸率隨溫度變化曲線圖。從圖1(a)可以看出，由于溫度升高，晶粒不斷長大，各項指標不斷下降，當溫度達到750 ℃時，發(fā)生相變強度降低，延伸率升高，這是由于16MnL含碳量較高的原因。

圖1　16MnL和390Q的屈服強度,抗拉強度,延伸率曲線

從圖1(b)可以看出，溫度由室溫加熱到600 ℃的過程中，鐵素體與珠光體晶粒逐漸長大，各項性能指標逐漸減小，當溫度達到600 ℃時晶粒最大。因此，各項指標達到最小，延伸率最小，塑性最小。600 ℃加熱到700 ℃的過程晶界開始熔合，晶界強化作用不明顯，塑性升高。700 ℃時產生貝氏體，強度變化很小，塑性升高。由于加入了Mn元素，相變點由原來的740 ℃變?yōu)?14 ℃，在溫度達到最佳相變點714 ℃時開始發(fā)生相變，達到750℃時產生貝氏體和部分馬氏體，導致塑性降低，強度升高。所以，390Q高強度鋼板在750 ℃時生成馬氏體或貝氏體，強度較高，延伸率降低[5-6]。

390Q是細晶強化，雜質少，而16MnL是由于碳含量較高導致各項指標較好，二者有明顯不同。(1)16MnL隨溫度不斷變化時，其機械性能較差。(2)加熱后的390Q比16MnL有效的提高了機械性能。(3)390Q具有良好的機械性能。

通過圖1可以清楚的看出，390Q的力學性能較16MnL好。 390Q用于橋殼中，其性能優(yōu)良。

2　橋殼熱處理過程的數值模擬

2.1建模及前處理[7-9]

四分之一橋殼的幾何模型如圖2所示，材料1代表橋殼實體模型，材料2代表冷卻介質。

圖2　幾何模型示意圖

參數材料390Q16MnL密度(kg/m3)78507870彈性模量/MPa2.16E112.12E11泊松比0.260.31

四分之一橋殼的幾何模型網格劃分，如圖3所示。一般來講,網格劃分，數量越多，計算精度越高，同時技術規(guī)模也會增加，經過權衡兩個因素綜合考慮，采用5×5的毛坯網格劃分最合適。劃分網格之后對材料模型進行加載，在材料1的各節(jié)點施加溫度載荷600 ℃(實驗中的一個加熱溫度)，如圖4所示為橋殼不同部位載荷取點圖；材料2的各節(jié)點施加溫度載荷20 ℃(冷卻介質空氣的溫度)。加載過程中所需390Q、16MnL導熱率、比熱容和熱膨脹系數與溫度的對應關系如表2，通過查找文獻[10]可得。

圖3 橋殼的四分之一網格劃分圖圖4 橋殼載荷取點圖

2.2模擬結果

2.2.1600 ℃保溫20分鐘空冷溫度場

圖5　16MnL和390Q空冷480 s溫度場分布圖

由圖5可以看出，600 ℃保溫20分鐘空冷時,390Q較16MnL溫度場分布均勻。通過模擬數據發(fā)現，在冷卻時間相同的情況下(480秒)，16MnL的平均冷卻速度為0.686 ℃/s ，390Q的平均冷卻速度為0.676 ℃/s。所以,390Q的冷卻速度低于16MnL的冷卻速度。

2.2.2800 ℃保溫14分鐘空冷溫度場

由圖6可以看出,800℃保溫14分鐘空冷時,390Q較16MnL溫度場分布均勻。通過模擬數據發(fā)現，在冷卻時間相同的情況下(960秒)，16MnL的平均冷卻速度為0.727 ℃/s ，390Q的平均冷卻速度為0.658 ℃/s。所以，390Q的冷卻速度明顯低于16MnL的冷卻速度。

圖6　16MnL和390Q空冷960秒溫度場分布圖

綜合以上溫度場模擬結果可以看出，390Q的冷卻速度低于16MnL的冷卻速度，冷卻速度越快越容易造成雜質元素的偏聚和合金元素的聚集，造成組織的不均勻化，使工件的變形量大。冷卻速度慢，消除組織就不均勻，使合金元素充分擴散，達到組織均勻化，鋼的強度、塑性、韌性相對就比較好。所以，由溫度場分析可以得出390Q的強度、塑性、韌性比16MnL相對較好，這與試驗結果相吻合。

2.2.3應力場分析

對兩種實驗材料600 ℃保溫20分鐘空冷應力場以及800℃保溫14分鐘空冷應力場模擬結果進行對比分析。由圖7可以看出，600 ℃保溫20分鐘空冷相同時間(480秒)后，16MnL的最大熱應力為50.8 Mpa，最小熱應力為1.05 Mpa，390Q的最大熱應力為47.0 Mpa，最小熱應力為1.03 Mpa?？梢姡绽?80秒后，工件內的熱應力390Q鋼比16MnL小。由圖8可以看出,800 ℃保溫14分鐘空冷相同時間(960秒)后，16MnL的最大熱應力為43.8MPa,最小熱應力為0.537 Mpa,390Q的最大熱應力為35.9 Mpa，最小熱應力為0.514 Mpa?？梢?，空冷960秒后，工件內的熱應力390Q鋼比16MnL小。從應力場數值模擬分析結果可以看出，390Q鋼熱處理后產生的熱應力均比16MnL小，所以390Q鋼較16MnL冷卻過程產生的不均勻塑性變形小，承載能力強，因此用于橋殼中390Q比16MnL性能優(yōu)良，這與實驗結果相吻合。

圖7 16MnL和390Q熱應力比較圖(600℃保溫20min空冷)圖8 16MnL和390Q熱應力比較圖(800℃保溫14min空冷)

綜合以上溫度場與應力場分析可以看出，390Q較16MnL冷卻速度慢,冷卻過程中產生的熱應力小。所以,390Q鋼較16MnL 冷卻后組織均勻，冷卻過程中產生的不均勻塑性變形較16MnL小,承載能力強。因此，390Q鋼的強度、塑性、韌性比16MnL更為優(yōu)良，這與實驗結果相吻合。

3　結　　論

本文在試驗的基礎上，通過數值模擬軟件分析比較了390Q和16MnL兩種材料空冷過程中的瞬態(tài)溫度場和熱應力場的分布及變化規(guī)律，得出以下結論：

(1)對不同溫度下兩種鋼板空冷過程的瞬態(tài)溫度場分布和冷卻曲線的數值模擬，得出390Q的冷卻速度較慢；

(2)對不同溫度下兩種鋼板空冷過程的瞬態(tài)應力場的數值模擬，得出390Q在空冷過程中產生的熱應力較?。?/p>

(3)通過對比分析預測出390Q的各項力學性能優(yōu)于16MnL，與實驗結果相吻合。

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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，吉林省長春市人，東北電力大學工程訓練中心實驗師，碩士，主要研究方向：材料科學與工程.

1005-2992(2016)04-0091-05

TG113.26

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