微观缩松对齿轮箱箱体疲劳强度的影响_宫峰.pdf

微观缩松对齿轮箱箱体疲劳强度的影响宫峰，圣兆兴（中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司，江苏常州213011）摘要 微观缩松是铝合金齿轮箱箱体中常见的缺陷之一，对齿轮箱的安全服役带来不利的影响。基于三维代表体积单元法建立微观缩松有限元模型，研究微观缩松对铝合金材料弹性模量、屈服强度和疲劳强度的影响规律。通过显微分析测得箱体中一典型缩松缺陷的孔隙率，结合缩松缺陷区域的材料力学性能完成箱体的局部疲劳强度评估。结果表明：随着铝合金缩松区域孔隙率的增加，AlSi7Mg 材料的等效弹性模量、屈服强度和疲劳强度都显著降低，当孔隙率为 10%时，材料屈服强度由 195.5MPa 下降至 157.0MPa，铝合金箱体的局部疲劳安全系数下降 15.6%。关键词 齿轮箱；微观缩松；代表体积单元法；力学性能；疲劳强度 中图分类号 TB30 文献标志码 Adoi：10.3969/j.issn.1673-6214.2023.03.006 文章编号 1673-6214(2023)03-0179-05Effect of Micro Porosity on Fatigue Strengthof Aluminum Alloy GearboxGONGFeng，SHENGZhao-xing(CRRCQishuyanInstituteCo.,Ltd.,JiangsuChangzhou213011,China)Abstract:Themicroporosityisoneofthecommondefectsinaluminumalloygearbox.whichhasanadverseimpactonthesafeserviceofthegearbox.Inthispaper,afiniteelementmodelofmicroporosityisbuiltbasedonthethree-dimensionalrepresentativevolumeelement,andtheeffectsofmicroporosityontheelasticmodulus,yieldstrengthandfatiguestrengthofaluminumalloywereinvestigated.Then,aporosityinthegearboxwasmeasuredbymicrophotographyandthelocalfatiguestrengthwasevaluatedaccordingtothemechanicalpropertiesofmaterialsinthemicroporosityarea.Theresultsshowthattheequivalentelasticmodulus,yieldstrengthandfatiguestrengthofAlSi7Mgdecreasesignificantlywiththeincreaseofporosity.Whentheporosityis10%,theyieldstrengthofthematerialdecreasesfrom195.5MPato157.0MPa,andthelocalfatiguesafetyfactorofthealuminumalloyboxdecreasesby15.6%.Key words:gearbox;microporosity;representativevolumeelement;mechanicalproperties;fatiguestrength0引言铸铝合金 AlSi7Mg 由于具备强度高、质量轻的优点，广泛应用于高速动车组齿轮箱箱体部件。目前，绝大多数齿轮箱的强度评估均假设箱体为理想状态1-4。然而，AlSi7Mg 箱体铸件在从液体冷却至固态的过程中会因收缩得不到补充而形成微观缩松缺陷，这些缺陷会对材料力学性能产生影响，进而影响结构的安全服役5-9。许多研究者致力于开展基于细观力学的非均质性（如包含气孔）对材料力学特性的影响研究，很早就开发了多种分析方法来预测多相材料的特性，其中一种分析方法是基于体元模型的数值仿真。Bhm 等10对比了颗粒增强金属基复合材料的二维仿真与三维仿真的差异，发现二维模型低估了微尺度场分布的宽度，精确的三维微观结构模型可以理想地获得真实结果。Taxer 等11提出了一种面向研究多孔 MAR-M247 铸造材料的由计算机生成的三维体元模型方法。刘金祥等12利用三维代表性体积元模型建立了微观缩松缺陷的有限元模型，得到了微观缩松对蠕墨铸铁材料力学性能的影响规律。本研究基于三维代表体积单元法（Reprezenta-收稿日期 2023年2月8日修订日期 2023年4月18日作者简介 宫峰(1985 年)，男，高级工程师，主要从事结构强度校核与有限元分析技术等方面的研究。2023 年 6 月第 18 卷第 3 期失效分析与预防June，2023Vol.18，No.3tiveVolumeElement，RVE）建立微观缩松缺陷的有限元模型，评估不同孔隙率下的微观缩松对AlSi7Mg 材料宏观力学性能的影响。针对铝合金齿轮箱中一典型微观缩松缺陷，开展显微分析得到该缺陷的孔隙率，完成包含缩松缺陷的箱体疲劳强度评估。1微观缩松对铝合金宏观力学性能的影响微观缩松是金属凝固时枝晶间或分枝间液体收缩得不到补充形成的（图 1）。微观缩松不同于宏观缩松，它具备较强的承载能力，且可通过有限元方法计算不同缩松程度的材料力学性能。400 m图1微观缩松截面形貌Fig.1Microscopicshrinkageporositycross-sectionmorphology1.1基于三维代表体积单元法建立微观缩松模型对于各大型结构复杂的铸件而言，受计算资源的限制，通常无法对整个模型开展有限元求解，而是选取其中具有代表性的体积单元作为研究对象。如果细观单元的总体几何特征，例如气孔孔隙率、气孔大小的概率统计值都是常数，与细观单元的位置无关，称为代表体积单元。材料的弹性性能主要受微观气孔含量的影响，而其塑性性能主要受气孔形貌及分布的影响。在以往绝大多数的研究中，假定气孔的形状是固定的，如球形、椭球、圆柱等，这与细微观缩松材料实际情况往往并不相符。Taxer、刘金祥等11-12为了更加真实地描述细微观缩松材料的性能，采用三椭球正交形式气孔来模拟微观孔洞（图 2）。本研究将采用类似的方法，利用 Python语言绘制多控制参数的三椭球正交形式气孔，每个气孔由 3 个外形一样的椭球正交合成，每个气孔的控制参数有空间位置坐标，沿 x、y、z 轴的旋角构成气孔的椭球长轴 b1及长短轴比 f。为分析孔隙率 p 与弹性模量之间的关系，应用 Python 程序分别构建 p 为 2%、4%、6%、8%、10%的 RVE 模型（图 3）。(a)p=6%(b)p=10%图3不同孔隙率下的代表体积元模型Fig.3Representativevolumeelementmodelswithdifferentporosity1.2微观缩松对材料宏观力学性能的影响RVE 模型计算在有限元软件中完成。齿轮箱箱体材料为 AlSi7Mg，将微观缩松区域分为基体和气孔两部分材料，根据实验测定的 AlSi7Mg弹性模量 Em=74.3GPa，屈服强度 y=195.5MPa，疲劳强度 1=70MPa，以及材料的塑性段属性；气孔部分使用软材料代替，取 Ep=106Em，泊松比=0；气孔部分与金属基体完全粘合且不发生脱离现象，在有限元分析中需使用绑定命令进行约束。在模型中施加单轴拉伸位移边界条件，通过有限元计算得到应力应变场，计算出 RVE 模型的平均应力与平均应变等，最后得到材料的宏观力学性能。表 1 为不同孔隙率下的铝合金等效弹性模量。表1等效弹性模量计算结果Table1CalculationresultsofequivalentelasticmodulusGPaPorosity/%046810Elasticmodulus74.368.766.264.261.4由表 1 可以看出，AlSi7Mg 的弹性模量与孔隙率呈近似线性关系，并且随着孔隙率的增多而逐渐线性降低。通过改变单轴拉伸位移边界条件，可以得到不同的应力应变状态，通过多组应力(a)f=0.2(b)f=0.5(c)f=0.8图2椭球不同横纵比气孔模型Fig.2Porosity models with different transverse and longitudinalratios180失效分析与预防第18卷应变值，拟合出不同孔隙率下的等效应力应变曲线（图 4）。250200150/MPa100500241031031031036810250200150/MPa/MPa10050024(a)p=4%(b)p=6%(c)p=8%(d)p=10%6810250200150/MPa100500246810250200150100500246810图4不同孔隙率下等效应力应变曲线Fig.4Stress-straincurveswithdifferentporosity由图 4 可以看出，在发生同样的应变量时，RVE 平均应力值将随着孔隙率的增大而逐渐降低。与 p=0 时相比，在同应变量下，p=10%时的RVE 平均应力值最大偏移量为 19.67%左右，大大降低材料的力学性能。已知基体材料的屈服强度y=195.56MPa，疲劳强度-1=70MPa，可以分别求出在原材料中屈服强度以及疲劳强度所对应的应变值，然后将应变值带到等效应力应变曲线中，其所对应的应力值即等效屈服强度与等效疲劳强度，结果见表 2。表2屈服强度与疲劳强度计算结果Table2CalculationresultsofyieldstrengthandfatiguestrengthPorosity/%Yieldstrength/MPaFatiguestrength/MPa41816561716481646210157592包含微观缩松缺陷的箱体强度评估齿轮箱系统是高速列车传动系统的重要部件，高速动车组齿轮箱箱体一般采用铝合金来制备相应的齿轮箱体。尽管在铝合金箱体的铸造过程中严格控制，避免铸造缺陷的产生，但在实际生产中仍然难免会产生微观缩松缺陷。因此，基于有限元方法进行包含微观缩松的强度评估，以考察齿轮箱箱体能否安全服役。箱体中微观缩松位置如图 5 所示。RVE图5齿轮箱中微观缩松示意Fig.5Microporosityinthegearbox2.1微观缩松中孔隙率的测量方法根据国内外的研究成果可知，微观缩松的实际承载能力主要决定于缩松区域的孔隙率。因此，开展微观缩松对结构的影响评估首先要测定孔隙率。显微照相法是一种常用的定量分析孔隙率的方法。其步骤为：从铸件指定部位切取试样，将试样表面磨平、抛光，用光学显微镜拍得缺陷截面处的照片，再利用光学分析系统测定照片中气孔面积百分比，最后采用平均所有测定值的方法确定铸件的微观气孔含量。在实际操作中为了能求出整体铸件的真实孔隙率，获得较高的精确度，必须检测和统计大量的缩松截面。图 6 为进行二值化处理后的显微照片。统计出图像的总像素个数以及黑色像素个数，最后利用黑色像素个数占总像素个数的比率表示气孔面积的比率。经计算，图 6 中的缩松孔隙率测量结果为 9.9%。根据测量结果，在评估箱体强度时，要考虑空气体积含量为 10%时的微观缩松对铝合金箱体结构的影响。图6经处理的显微照片Fig.6Processedmicrograph2.2包含缩松缺陷的箱体强度评估齿轮箱存在多种运行工况，应力状态较复杂。缺陷不仅会影响箱体局部应力水平，还会降第3期宫峰，圣兆兴:微观缩松对齿轮箱箱体疲劳强度的影响181低材料的力学性能，因此需要对缺陷处的疲劳强度进行计算校核。有研究表明，孔洞类缺陷存在一临界尺寸，当缺陷小于该临界尺寸时，孔洞不再是疲劳源。Couper 等13通过试验研究给出了铝合金的缺陷临界尺寸为 20m。图 6 中的微观缩松缺陷尺寸小于 20m，因此在评估箱体疲劳强度时不必考虑缺陷对结构局部的应力集中效应。根据缩松的实际存在位置，选取 5mm5mm5mm 的立方体为缺陷区域。在没有缺陷的区域弹性模量设置为 74.3GPa，缺陷区域的弹性磨损设置为 61.4GPa，设置箱体的边界条件与载荷工况，进行有限元计算。计算完成后查看缺陷立方体的应力云图，并与没有缺陷的计算结果进行对比。图 7 为 2 种状态下箱体同一位置的应力计算结果。其中，无缺陷时的局部应力峰值为24.18MPa，包含微观缩松缺陷时局部应力峰值为 23.13MPa。相比于无缺陷状态，含缺陷时箱体局部应力水平稍有降低。这是由于孔隙率的增大降低材料的弹性模量，而缺陷处的位移边界条件基本不变，即在相同的应变下，等效弹性模量较低，应力水平也低。缺陷不仅会影响应力水平，而且会导致材料的屈服强度、疲劳极限降低，从而影响缺陷处的疲劳强度，所以要对缺陷处的疲劳强度进行分析。S,Max.Principal(Avg:75%)S,Max.Principal(Avg:75%)+2.418e+01+2.314e+01+2.209e+01+2.105e+01+2.000e+01+1.896e+01+1.791e+01+1.687e+01+1.582e+01+1.478e+01+1.373e+01+1.269e+01+1.164e+01(a)p=0%(b)p=10%+2.313e+01+2.211e+01+2.109e+01+2.007e+01+1.905e+01+1.804e+01+1.702e+01+1.600e+01+1.498e+01+1.396e+01+1.295e+01+1.193e+01+1.091e+01图7不同气孔体积分数下缺陷位置的应力云图Fig.7Stressdistributionwithdifferentporosity由于结构处于非循环对称应力状态，所以采用 Goodman 平均应力修正的疲劳安全系数 A 来评价其疲劳强度：A=0bm0+ab(1)a=maxmin2(2)m=max+min2(3)式中：0为疲劳极限，b为屈服极限，m为平均应力，a为应力幅值。表 3 为齿轮箱箱体的疲劳安全系数计算结果。由表 3 的计算结果可知，当孔隙率为 10%时，其疲劳安全系数为 1.77，相比于无缺陷的安全系数 2.11，则下降了 15.6%。但包含缺陷箱体的局部疲劳安全系数大于设计安全系数 1，仍然满足使用要求。3结论1）随着微观缩松缺陷孔隙率增加，铝合金材料的弹性模量、屈服强度和疲劳强度都显著下降。当孔隙率为 10%时，材料的屈服强度由 195.5MPa 下降至 157.0MPa。2）微观缩松对箱体局部的疲劳强度安全系数有显著的影响，在孔隙率为 10%时，铝合金箱体的局部疲劳安全系数下降 15.6%。参考文献张志新,王起梁,方翁武,等.基于 FKM 准则的车辆齿轮箱强度评定 J.机车电传动,2020(3):38-40.1何章涛,马媛媛,肖攀,等.高速客车传动齿轮箱强度和疲劳仿真分析与评价方法 J.机械传动,2018(4):23-25.2黄智勇,陈伟.高速列车传动齿轮箱箱体强度分析与试验 J.机车车辆工艺,2004(1):17-19.3表3疲劳安全系数Table3FatiguesafetyfactorPorosity/%a/MPam/MPb/MP0/MPSafetyfactor024.025.5195702.111023.825.2157591.77182失效分析与预防第18卷邹伟.液压挖掘机行走齿轮箱强度分析 J.机械传动,2019(5):126-129.4严青松,余欢,魏伯康,等.汽车铝合金缸盖铸件缺陷分析及控制 J.失效分析与预防,2009,14(1):30-34.5周永江,熊艳才,洪润明,等.铝合金叶轮线下缺陷的分析 J.失效分析与预防,2007,2(3):46-49.6严青松,余欢,魏伯康,等.铝合金汽车缸盖的缩孔缩松缺陷数值模拟分析 J.铸造技术,2008,29(3):335-357.7张晓清,吴睿,宋体杰.铝合金锻件线性缺陷分析 J.失效分析与预防,2014,9(4):247-250.8李盛邦,王狂飞,吴士平.TiAl 合金熔模精铸件缩孔形成的数值模拟与预测 J.特种铸造及有色合金,2005,25(5):280-283.9BHMHJ,ECKSCHLAGERA,HANW.Multi-inclusionunit10cell models for matrix composities with randomly 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