“十三五”发展以来，国家大力倡导发展轨道交通，构建综合、绿色、安全、智能的立体化世界一流现代化城市交通系统。截至2020年7月底，全国铁路营业里程达到14.14万km，其中高铁3.6万km；2020年，全国铁路已投产新线1 310 km，其中高铁733 km。为了降低车辆自重，减小运动阻力，提升车辆运营经济性，对车辆轻量化设计有着较高要求^[1]。车体设计目前主要分为不锈钢蒙皮骨架结构和铝合金型材结构2种方案，其中铝合金型材在降重、节能和经济性上都拥有较大优势^[2]。目前铝合金型材供应商基本上实现了国产^[3]。车体在加工过程中先后经历胚料预热、挤压、焊接或机加工等环节^[4-5]，在这之中最大的风险就是型材出现裂纹，轻则造成型材报废，重则造成重大安全事故，因此需要对裂纹的产生原因进行分析。随着计算机技术的发展，利用仿真手段去进行原因判断成为一种新方向，并取得了一定的成果^[6-8]。

1 案例描述

某地铁项目车体采用铝合金型材结构，在生产的过程中需要提前对底架边梁进行机加工，然后再进行焊接。加工工况图如图1所示。

加工后在边梁根部出现裂纹，对发生裂纹的型材进行切割和处理，型材加工裂纹图如图2所示。对裂纹进行电镜扫描，可见明显的疲劳断裂裂纹拓展形貌(图3)。由于裂纹出现在加工过程中，采用仿真的方法排查裂纹出现原因更为合理和有效。

2 模型简化

由于型材结构比较复杂，选取关键部位进行建模，在相应边界施加等效约束。如图4和图5所示。

分别对型材和刀具进行网格划分。其中型材采用C3D8R单元，共划分29 650个单元。刀具采取刚体单元。根据加工现场和预计的优化方案分别定义立铣(图6)和卧铣(图7)2种工作场景。对每种工作场景以加工深度作为变量定义不同的工况。其中立铣加工深度和卧铣加工深度设置示意图如图8和图9所示。具体参数定义如下：对立铣定义3种不同的加工深度分别为5、10、15 mm，对卧铣定义2种加工深度分别为5、10 mm。这样总计5种加工工况，详见表1。

型材的约束条件如图5所示，铣刀的旋转速度为10 000 r/min，前进速度选取2 000 mm/min。

3 定义材料本构

刀具材料为硬质合金钢，定义为刚体。型材铝合金为6005A，采用Johnson-cook本构，以模拟材料在高应变速率下的应变硬化、应变速率硬化和热软化效应，其本构方程为

$ \sigma _{\rm{ep}}= \left( {A + B\bar \varepsilon _{\rm{p}}^n} \right)\left( {1 + c\ln \frac{{{{\dot \varepsilon }_{\rm{p}}}}}{{{{\dot \varepsilon }_0}}}} \right)\left[ {1 - {{\left( {\frac{{T - {T_0}}}{{{T_{{\rm{melt}}}} - {T_0}}}} \right)}^m}} \right] $

式中：σ_ep 为等效应力， A为准静态条件下的屈服强度； ${\varepsilon _{\rm{p}}}$ 为等效塑性应变； ${\dot \varepsilon _0}$ 为材料的参考应变率； ${\dot \varepsilon _{\rm{p}}}$ 为等效塑性应变率；B为材料应变强度参数；n为硬化指数；c为应变率强化参数； ${T_0}$ 为常温系数，通常取25 ℃； ${T_{{\rm{melt}}}}$ 为材料熔点；m为热软化参数。

工件材料的Johnson-Cook本构模型参数设置见表2。

材料的失效准则选用Johnson-Cook剪切失效准则，失效参数ω的定义为

$ \omega {\rm{ = }}\sum {\left( {\frac{{\Delta {{\bar \varepsilon }^{{\rm{pl}}}}}}{{{{\bar \varepsilon }^{{\rm{pl}}}}}}} \right)} $

式中： $\Delta {\bar \varepsilon ^{{\rm{pl}}}}$ 为等效塑性应变增量； ${\bar \varepsilon ^{{\rm{pl}}}}$ 为失效时的应变。

$ {\bar \varepsilon ^{{\rm{pl}}}} = \left[ {{d_1} + {d_2}\exp \left( {{d_3}\frac{p}{d}} \right)} \right]\left[ {1 + {d_4}\ln \left( {\frac{{{{\dot {\bar \varepsilon }}^{{\rm{pl}}}}}}{{{{\dot \varepsilon }_0}}}} \right)} \right]\left[ {1 + {d_5}\hat \theta } \right] $

式中： ${\dot \varepsilon _0}$ 为参考应变率； ${{\dot {\bar \varepsilon}}^{{\rm{pl}}}}$ 为塑性应变率； ${d_1}$ ~ ${d_5}$ 为失效常数。

工件Johnson-Cook剪切失效参数见表3。

4 结果分析

取表1中5种工况分别进行仿真计算，得到的应力云图如图10和图11所示。

由图10和图11可以直观地看出，除了切削区域外，最大的应力出现在立筋根部。当采取立铣深度为5 mm时，此处发生开裂现象，其他方法并未开裂。

为了避让图10(a)中的开裂区域，选择图12中的一排节点定义路径，提取应力，节点应力值曲线如图13所示。

由图13可以看出，最大应力值集中在第6~8个节点上。对照图12，此处为立筋的根部，亦验证了裂纹的出现位置。由于图13并不能体现在加工过程中的应力变化，所以提取其中的第7个节点，输出在加工过程中的应力变化曲线，如图14所示。

对图14进行分析，可以得到以下内容：

1)应力值出现高频震荡。这个震荡会对零部件的疲劳强度造成非常大的影响。

2)对各个工况进行应力值排序，从高到低大致为li_5 mm、li_15 mm、li_10 mm、heng_10 mm、heng_5 mm。可以看出立铣的应力大幅大于横铣(即卧铣)的应力。

3)对立铣的应力分析，可以看到深度与应力值并不存在绝对的线性相关。应力最大值时候的深度最浅(5 mm)，但应力最小值时候并非深度最深(15 mm)，而是10 mm的深度时应力值最小。

5 结论

1)由于在铣削过程铣头的高频转动，零部件在加工的时候会存在应力高频振荡现象。在T型结构的立筋加工中，应力最大值出现在立筋的根部(近平板处)，会在此处产生疲劳裂纹。

2)立铣和卧铣2种加工方式中，立铣对立筋造成的应力值要大于卧铣。所以应尽量避免此种工艺，如有必要，需要对立筋采取额外夹持。

3)立铣的加工深度对立筋根部的应力有较大影响。由于深度影响了立筋的刚度，又由于切削量的不同影响了切削力的大小，所以切削深度和立筋根部的应力值不是简单的线性关系，实际加工过程中如果确有必要采取此种加工工艺，需要合理定义切削深度。

综合以上分析可知，采用有限元的方法进行机加工仿真分析进而判断失效原因，在解决实际工程问题中拥有重要意义。