高铁救援起重机二节臂损伤修复的研究与分析.docx

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Summary：本文针对二节臂尾部的“凸起”损伤，通过分析其成因并运用ABAQUS有限元对损伤修复进行数值模拟研究，输出修复数据，以此数据为基础进行实际工况修复操作，取得较好的修复效果。最后希望通过本次的修复研究，搭建出一种类似板材损伤修复的可视化平台。
Keys：二节臂、损伤、修复 、有限元
第一
随着高铁近几年的迅猛发展，起重救援设备在安全领域必将备受青睐，高铁线路的主要特点是桥梁多，隧道多。高铁运营中用于救援的新式救援起重机的诞生，开辟了高铁救援的新通道，有利助推了高铁建设的快速发展与安全运营。
1技术背景
伸缩臂组装完成后进行无角度带载平伸性能试验，试验结果表明全伸出伸缩臂的端部下垂累积误差已达30mm，超过设计误差多达10mm，无法满足装车条件。为查找原因，详细测量每节伸缩臂头尾位置中性层法向截面的高度差，对比发现二节臂的数据为8mm，是四节伸缩臂中变形最大的。研究二节臂发现尾部八字面区域形成一种类椭圆的“凸起”损伤缺陷，预测可能是试验结果超出允差范围的主要因素。
从经典的结构力学角度出发，传统力学的线性分析最大应力点不应该出现在两伸缩臂相接触的区域，也就说明结构发生了非线性响应，产生了力学分析中的几何非线性与状态非线性问题，即大位移与接触。利用UG NX-nastran 软件进行伸缩臂带载28t全伸状态结构强度非线性有限元分析得到应力数据，从应力云图的分析中，我们清晰观察到云图中最大应力点发生在二节臂靠尾部补强区域中部，与加载试验的结果相符，表明了上面所述的累积误差发生原因是合理的。
 
                          
2建立损伤修复方案
通过对现场试验结果的数据采集，使用CAD设计软件对损伤缺陷位置建立有限元分析模型，使用ABAQUS非线性仿真技术对模型的修复进行数值模拟研究与分析，进而得到应力云图，应变云图，加载力等理论修复数据，此方法已广泛应用于各工程领域，结果准确[2]。以此数据为基础构建与数值模拟过程相映射的实际修复工况，最大程度提高容错率，以期达到最理想的修复效果。
3数值模拟研究与分析

通过现场试验结果的数据采集，忽略掉影响较小的扩散区域，简化模型，“凸起”有限元分析模型，二节臂材料为DB685钢，屈服强度为590MPa，许用应力393MPa，弹性模量E=×105N/mm2。
  

ABAQUS数值模拟研究
考虑到应力特点与系统计算量，可以将数值模拟转化成平面应变问题进行研究。分析中使用模拟压头缓慢垂直向模型“凸起”中心进行力加载（）以避免动态响应的出现，同时初始采用让解析刚体压头与模型“凸起”，在初始接触属性建立完成后，利用边界条件的定义使压头与“凸起”中心物理贴合避免单元法线引起的接触错误问题。
研究共采用四个Step，分析流程如下：
                 
·Initial-Step：系统自带并在其上创建相互作用，原始边界条件等。
·Incontact-Step：，建立起平稳接触。
·Press-Step：让压头缓慢下移8mm，对“凸起”进行应力加载过程，进而得到应力，应变，加载力等一系列修复数据。
·Unload-Step：让压头缓慢上移6mm，对“凸起”进行应力卸载过程，进而得到回弹量数据。
基于以上的分析步，经过作业分析，可视化处理后得到Press应力云图与 PEEQ云图，Unload应变云图，加载力数据。
ABAQUS数值模拟分析
通过数值模拟技术将抽象的力学现象演变过程以图像与数值的方式进行表达，从而使输出的可视化模拟数据能够定量分析在数值模拟过程中“凸起”损伤究竟发生了怎样的应力与应变现象。

从图4云图对比中发现了损伤缺陷还没有达到平整程度时就发生了材料屈服现象（图4左），塑性应变即将开始发生（图4右），此时仅仅分析到第8Step（平整时达到14Step），说明后续的分析步加载过程就发生了简单的弹性变形问题向复杂的弹塑性变形问题转变的过程。
             
图4. Press 8Step云图(屈服极限)

而从图5云图对比中表明模型已加载到平整程度，此时Max S达到926Mpa（图5左），（图5右），（图7），此时平面应变的结果就是弹性应变与塑性应变S1的累加，但是当系统分析执行到Unload- Step时，从图5中发现平面应变发生了变化，撤掉加载力后模型产生了回弹量S2（图6），此时总应变S=S1+S2，这就充分表明损伤修复没有达到理想效果。
               
图5. Press 8Step云图(修复平整)           
         
图6. Unload位移云图（回弹量）              图7. 加载力数据（修复平整）

为了消除回弹量的影响，我们引入一种航天业常用的蠕变时效成型技术来解决这个问题，利用施加恒定载荷保持应变，及在恒温状态下放置一段时间，在这过程中绝大部分的弹性应变逐渐转化为蠕变应变S3，从而达到消除回弹量的目的，这样最终回弹量△=S2-S3，此时只需通过实验建立准确的蠕变本构方程参数数据，就完全有可能使得S3足够大，使得△无限接近于零，此时总应变（S=S1+△）忽略△，总应变就等效于塑性应变S1。我们知道材料一旦放生了塑性变形就是发生了永久变形，过大会影响材料的使用性能，所以衡量最终修复效果的关键参数就是塑性应变值S1（本例中的PEEQ值，通过修复后的装车实验表明不影响整车使用性能），只要在修复过程中塑性应变控制得当，修复就会得到理想的效果。
4 现场应用
建立修复方案
依据有限元分析模型构建映射实体工艺方案，输入数值模拟研究得到的修复数据，建立损伤修复工作平台，如图所示，利用封闭型钢框架焊接表面锁定损伤区域，内置30t千斤顶（模拟压头）进行加载完成损伤修复，为保证完成蠕变应变的大幅度有效转变，加载时间至少控制12小时以上。
         
图8. 修复工艺方案图       
修复效果评估
修复完成后，磨掉焊缝，我们可以容易观察到修复后的外观质量平整，无明显缺陷，为进一步验证修复的准确性，特从损伤区域最高点两侧沿二节臂轴向分别截取300mm，标记位置1，位置2 ，位置3，最终通过仪器的检测得到的数据如图所示。综上所述，我们利用数值模拟研究得到的数据进行实物修复，不论是从外观质量上，还是在量值分析上，都达到了设计要求的允差，后期伸缩臂的成功装车也充分验证了这一点,起到了指导生产，保证产品质量的作用[1]。
 
图9. 修复外观与检测数据图
5 技术展望
现今，数字化分析技术已充斥各个领域，渗透到万事万物中，也给我们带来了新的技术，新的解决方案。立足于本次损伤修复成功的实验与摸索，结合企业的自身实际，在未来我们完全有能力搭建一个通过系统，数据，人多方交织在一起的可视化产品损伤修复平台来对损伤模型进行全方位的的研究，修复，检测与评估。通过新平台的建立，可以大大缩短工艺探索周期，降低研究成本。这个新型平台是战略性的以数值模拟研究与现场实践应用相结合为基础构建的一种虚拟现实技术，从根本上颠覆了传统的运作模式，必将会成为企业新增长与创新的跳板。
         
图10. 平台应用流程图
6 结语
高铁救援起重机最终装车实验的成功，有力验证了本次损伤修复方案的正确性。这次有别于传统修复技术的出现将改变和改进流程，使得类似的损伤修复朝着先进化的方向前进。这种通过数值模拟得到修复数据进而映射现场实际操作的虚拟现实技术是一种创新使用，并取得了完美的使用效果，这种逐渐崛起的新技术，未来应用空间将得到进一步的延伸，将会创造出更大的经济效益与社会效益。
Reference
[1][J].轨道交通装备与技术, 2016(2)::.2095-.
[2]齐双强,张馨,付强小,[J].轨道交通装备与技术, 2018(1)::CNKI:SUN:-01-013.
 
-全文完-