Q345E钢低温低周期疲劳行为试验与模拟研究.pdf

露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月重型电动轮矿用自卸车的工作环境恶劣，在矿区运输矿石的过程中由于矿石对车厢的挤压以及复杂的工况条件，车厢作为承载矿石的主体，其底板、侧板与前板会承受很大的应变应力，进而导致车厢发生疲劳破坏。加之车厢服役条件下需要承受极端低温工况，这导致车厢疲劳破坏更加严重。近年来，许多国内外学者针对典型工程金属材料开展了材料循环变形实验研究1-3。在循环塑形本构模型研究方面，众多学者基于Armstrong-Frederick非线性随动硬化模型4，发展和提出了能够合理地描述材料循环变形行为的随动硬化模型，例如Chaboche模型、Ohno-Wang模型等5-6。关于重型电动轮矿用自卸车车厢用Q345E钢循环变形行为的实验研究，尤其是低温下Q345E钢的循环变形行为，尚鲜有报道。鉴于此，首先对重型电动轮矿用自卸车车厢用Q345E钢开展了低温对称应变循环试验研究；在此基础上，基于Chaboche循环塑性本构模型，开发了相应的材料参数优化程序和ABAQUS用户子程序，Q345E 钢低温低周期疲劳行为试验与模拟研究张印1，曲子洋1，董志明2，袁博1，郭晓峰1（1.内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010；2.内蒙古北方重型汽车股份有限公司，内蒙古 包头 014010）摘要：电动轮矿用自卸车的工作环境十分恶劣，车厢作为承载矿石的主体极易发生疲劳破坏。采用MTS809-250KN电液伺服控制动态疲劳测试系统，对重型电动轮矿用自卸车车厢用Q345E钢在-40 益低温条件下开展了对称应变循环试验研究，基于Chaboche循环塑性本构模型，开发相应的模型材料参数优化程序，实现模型参数的自动寻优。结果表明：基于优化后的模型材料参数，Chaboche循环塑性模型能够准确地反映Q345E钢在低温下的循环变形行为。关键词：矿用自卸车；Q345E钢；参数优化；本构模型；循环变形中图分类号：TD57文献标志码：B文章编号：1671-9816（2023）03-0022-05Low-temperature low-cycle fatigue behavior test and simulation research of Q345E steelZHANG Yin1,QU Ziyang1,DONG Zhiming2,YUAN Bo1,GUO Xiaofeng1（1.School of Mechanical Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou 014010,China;2.Inner Mongolia North Hauler Joint Stock Co.,Ltd.,Baotou 014010,China)Abstract:The working environment of the electric wheel mining dump truck is very harsh,and the carriage,as the main body ofthe ore,is prone to fatigue damage.The article carries out a series of low-temperature symmetrical strain cyclic tests were onQ345E steel for heavy-duty electric wheel mining dump truck carriage at-40 益 low temperature using MTS809-250KN electro-hydraulic servo-controlled dynamic fatigue test system.Based on the Chaboche cyclic plastic constitutive model,we develop thecorresponding model material parameters to realize the automatic optimization of model parameters.The results show that based onthe optimized model material parameters,the Chaboche cyclic plasticity model can accurately reflect the fatigue behavior of Q345Esteel at low temperature.Key words:mine dump truck;Q345E steel;parameter optimization;constitutive model;cyclic deformatio移动扫码阅读DOI:10.13235/ki.ltcm.2023.03.006张印，曲子洋，董志明，等.Q345E 钢低温低周期疲劳行为试验与模拟研究 J.露天采矿技术，2023，38（3）：22原26.ZHANG Yin,QU Ziyang,DONG Zhiming,et al.Low-temperature low-cycle fatigue behavior test and simulationresearch of Q345E steel 允.Opencast Mining Technology,2023,38（3）:22原26.收稿日期：2022-05-23责任编辑：张夙基金项目：内蒙古自然科学基金资助项目（2021MS01011）；内蒙古自治区高等学校青年科技人才发展计划资助项目（NJYT22071）作者简介：张印（1995），男，河南南阳人，硕士研究生，研究方向为结构强度理论和先进装备技术。22露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月图 1参数 E 和 k 的确定并对Q345E钢的循环变形行为进行模拟研究，验证了该模型的合理性。1试验材料及方法1）试验材料。试验材料为电动轮矿用自卸车车厢用Q345E低合金高强度钢，试板尺寸为450 mm伊200 mm。Q345E化学成分符合GB/T 15912008低合金强度结构钢的要求。圆）试验方法。采用线切割技术沿试板纵向切取低温疲劳试样。低周期疲劳试样参照GB/T 152482008金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法 标准设计与制备。所有的疲劳试样均采用标准圆棒试样，试样平行段长为30 mm，直径为10 mm。低周疲劳试样在机械加工后，经过打磨抛光处理获得光滑表面，表面粗糙度为0.2 滋m。低温疲劳试验在MTS809-250 kN电液伺服控制动态疲劳测试系统上进行。低温低周期疲劳试验采用轴向应变控制，拉压波形为三角波，应变幅值为依0.3%、依0.5%和依0.7%，频率为0.5 Hz，温度为-40 益。2Chaboche循环塑性本构模型及材料参数2.1本构方程基于Chaboche循环塑性本构模型7模拟Q345E钢的循环变形行为。模型的非弹性应变率着p为：着责=（fz）nsgn（滓-x）（1）sgn x蓸蔀=1，x00，x=0-1，x2.4，假设n=2.78。滓vZ（着v）1n（16）综上所述，在Chaboche循环塑性本构模型中Q345E钢在低温下应变幅值为依0.5%，加载速率为1.0%s-1，低温下Chaboche模型中的初始参数值与优化后参数值见表1。2.3材料参数的优化方法借鉴GONG等9的材料优化思路，在优化程序中采用最小二乘法，在循环回路中寻找预测和实测应力差的全局最小值。在Matlab中使用非线性最小二乘优化函数lsqnonlin对优化变量进行优化计算。F（x）=Nj=1移棕jFj（x）=12Nj=1移棕jNj=1移（A（x）preij-Aexpij）（17）式中：A（x）preij为材料参数预测应力；Aexpij为试验应力；x为由全部材料模型常数组成的优化变量集；N为是实验数据类型的个数。为了更好地模拟预测材料循环变形行为，从2个方面对初始材料参数进行优化：淤应力-应变响应；于整个试验过程中循环软化材料应力范围的演变。故式（17）中N=2。具体目标函数如下：F1=M1j移棕1（滓（x）prei1-滓expi1（x）2）（员愿）F2=M2j移棕2（滓（x）prei2-滓expi2（x）2）（员怨）当j=1时，滓（x）prei2和滓（x）expi2表示特定时间i的应力；当j=2时，滓（x）prei2和滓（x）expi2表示对应试验类型的应力范围。24露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月图 4-40 益低温条件下不同应变幅值的Q345E 钢循环应力应变响应图 3材料参数的优化流程图为控制式（18）与式（19）每个目标函数在式（17）中贡献，引入1个加权因子棕j：棕j越Ni移MjMmaxijAexpij（20）式中：Mj为每一类jth实验数据中数据点的总数。基于上述目标函数，使用Matlab数学工具箱中的ODE45函数求解循环塑性模型的微分方程，确定了预测应力（A（x）prei2），重复优化过程获得最优解。材料参数的优化流程图如图3。3有限元模型基于Chaboche循环塑性本构模型，开展针对Q345E钢标准圆棒疲劳试样的循环塑形行为模拟研究，并将结果与相应的试验结果进行比较，验证子程序的正确性。为了提高计算准确性，采用四面体网格划分方法对模型平行段进行网格细分，单元类型为10节点二次四面体单元（C3D10）。对有限元模型一端采用固定约束，一端施加位移控制的边界条件，位移加载波形为三角波。将位移转为应变后，其应变幅值为依0.5%，应变速率为1.0%s-1。-40 益低温条件下不同应变幅值的Q345E钢循环应力应变响应如图4，图中晕为循环次数；在低温条件下，Q345E钢在不同应变幅值下的循环应力响应特征曲线如图5，Q345E钢滞回曲线模拟结果与试验结果比较如图6。从图4可以看出：0.3%、0.5%、0.7%应变幅值下，材料的应力应变滞回曲线中峰值应力逐渐减小，谷值应力逐渐增大，导致应力幅不断减小，即材料表现出明显的循环软化；当循环次数达到90%的循环寿命之后，应力幅急剧下降，意味着试样发生失效破坏；与0.5%与0.7%应变幅值下的滞回曲线相比，0.3%应变幅值较小，材料在前50周内滞回曲线近似呈直线状态，这一阶段循环应力-应变滞回曲线所包围面积较小；随着循环次数的增加，循环应力-应变滞回曲线面积逐渐增大，塑性应变逐渐增大。从图缘中可以看出：Q345E钢的应力幅值随着25露天采矿技术Opencast Mining TechnologyVol.38No.3June.2023第 38 卷第 3 期2023 年 6 月图 5Q345E 不同应变幅值下循环应力响应曲线应变水平的增大而增加；在3种应变水平下Q345E钢的循环应力响应特征大体相同，第1阶段表现为快速软化，但随着应变幅值的增加，Q345E钢到达稳态循环的循环数减少；第2阶段表现为轻微硬化；第3阶段则对应着疲劳裂纹的开裂直至试样失效。从图6中可以看出：Chaboche循环塑性本构模型可以预测Q345E钢的循环变形行为；与初始参数相比，采用优化参数可以得到更好的应力-应变预测结果，对比结果也直接反映了当前材料参数优化的正确性。4结语1）在-40 益低温条件下，Q345E钢在0.3%、0.5%与0.7%应变幅值作用下，材料的应力应变滞回曲线中峰值应力逐渐减小，谷值应力逐渐增大，导致应力幅不断减小，即材料表现出明显的循环软化。2）基于Chaboche循环塑性本构模型，开发材料参数优化程序，实现了Chaboche循环塑性本构模型中材料参数的自动寻优。3）通过低温疲劳试验结果与有限元模拟结果对比 表 明，Chaboche循 环 塑 性 本 构 模 型 可 以 预 测Q345E钢的循环变形行为。参考文献：员 在匀哉 再蚤造蚤灶，运粤晕郧 郧怎燥扎澡藻灶早，再哉 悦澡葬燥援 粤 枣蚤灶蚤贼藻 糟赠糟造蚤糟藻造葬泽贼燥原责造葬泽贼蚤糟 糟燥灶泽贼蚤贼怎贼蚤增藻 皂燥凿藻造 贼燥 蚤皂责则燥增藻 贼澡藻 凿藻泽糟则蚤责贼蚤燥灶燥枣 糟赠糟造蚤糟 泽贼则藻泽泽 原 泽贼则葬蚤灶 澡赠泽贼藻则藻泽蚤泽 造燥燥责泽 允 援 陨灶贼藻则灶葬贼蚤燥灶葬造允燥怎则灶葬造 燥枣 孕造葬泽贼蚤糟蚤贼赠，圆园员苑，怨缘：员怨员原圆员缘援圆 邱博，阚前华，刘宇杰，等援高强轨道钢双轴压原扭棘轮行为的实验和模拟 允 援工程力学，圆园员缘，猿圆（苑）：圆圆怨原圆猿缘援猿 卢孔汉援镍基金属间化合物材料的疲劳行为及循环塑性本构模型研究 阅 援南京：南京航空航天大学，圆园员愿援源 云砸耘阅耘砸陨悦运 悦 韵，粤砸酝杂栽砸韵晕郧 孕 允援 粤 皂葬贼澡藻皂葬贼蚤糟葬造则藻责则藻泽藻灶贼葬贼蚤燥灶 燥枣 贼澡藻 皂怎造贼蚤葬曾蚤葬造 月葬怎泽糟澡蚤灶早藻则 藻枣枣藻糟贼允 援酝葬贼藻则蚤葬造泽 葬贼 匀蚤早澡 栽藻皂责藻则葬贼怎则藻泽，圆园园苑，圆源（员）：员原怨援缘 杨晓光，石多奇援粘塑性本构理论及其应用 酝 援 北京：国防工业出版社，圆园员猿援远 韵匀晕韵 晕，宰粤晕郧 允 阅援 运蚤灶藻皂葬贼蚤糟 澡葬则凿藻灶蚤灶早 则怎造藻泽 憎蚤贼澡糟则蚤贼蚤糟葬造 泽贼葬贼藻 燥枣 凿赠灶葬皂蚤糟 则藻糟燥增藻则赠，责葬则贼 域：葬责责造蚤糟葬贼蚤燥灶 贼燥藻曾责藻则蚤皂藻灶贼泽燥枣则葬贼糟澡藻贼贼蚤灶早遭藻澡葬增蚤燥则 允 援陨灶贼藻则灶葬贼蚤燥灶葬造 允燥怎则灶葬造燥枣 孕造葬泽贼蚤糟蚤贼赠，员怨怨猿，怨（猿）：猿怨员原源园猿援苑 悦匀粤月韵悦匀耘 允 蕴，砸韵哉杂杂耘蕴陨耘砸 郧援 韵灶 贼澡藻 责造葬泽贼蚤糟 葬灶凿增蚤泽糟燥责造葬泽贼蚤糟 糟燥灶泽贼蚤贼怎贼蚤增藻 藻择怎葬贼蚤燥灶泽，孕葬则贼 陨：砸怎造藻泽 凿藻增藻造燥责藻凿憎蚤贼澡蚤灶贼藻则灶葬造增葬则蚤葬遭造藻糟燥灶糟藻责贼 允 援允燥怎则灶葬造燥枣孕则藻泽泽怎则藻 灾藻泽泽藻造栽藻糟澡灶燥造燥早赠，员怨愿猿，员园缘（圆）：员缘猿原员缘愿援愿杂粤粤阅 粤 粤援 悦赠糟造蚤糟 责造葬泽贼蚤糟蚤贼赠 葬灶凿 糟则藻藻责 燥枣 责燥憎藻则 责造葬灶贼皂葬贼藻则蚤葬造泽 阅 援 晕燥贼贼蚤灶早澡葬皂：哉灶蚤增藻则泽蚤贼赠燥枣晕燥贼贼蚤灶早澡葬皂，圆园员圆援怨 郧韵晕郧 再 孕，匀再阅耘 悦 允，杂哉晕 宰援 阅藻贼藻则皂蚤灶葬贼蚤燥灶 燥枣 皂葬贼藻则蚤葬造责则燥责藻则贼蚤藻泽 蚤灶 贼澡藻 悦澡葬遭燥糟澡藻 怎灶蚤枣蚤藻凿 增蚤泽糟燥责造葬泽贼蚤糟蚤贼赠 皂燥凿藻造 允 援孕则燥糟藻藻凿蚤灶早泽 燥枣贼澡藻 陨灶泽贼蚤贼怎贼蚤燥灶 燥枣酝藻糟澡葬灶蚤糟葬造 耘灶早蚤灶藻藻则泽，孕葬则贼 蕴：允燥怎则灶葬造 燥枣 酝葬贼藻则蚤葬造泽 阅藻泽蚤早灶 葬灶凿 粤责责造蚤糟葬贼蚤燥灶泽，圆园员园，圆圆源（员）：员怨原圆怨援图 6Q345E 钢滞回曲线模拟结果与试验结果比较26