ANSYS高速列车转向架振动时效工艺过程的有限元仿真(3)
1.4 本论文的主要研究内容
工件在焊接过程中会产生残余应力，残余应力的存在对构件的尺寸稳定性、刚度、强度、疲劳寿命以及机械加工性能有极大地影响，甚至可以导致产生裂纹和应力腐蚀，因此重要的结构部件都要经过消除应力的工艺处理[15]。通常自然时效方法是被人们广泛采用的传统的消除残余应力的时效方法 ，虽然可大幅度的降低残余应力，但却使工件软化变形，从而使抗变形能力下降。其最大的缺点是耗能高,导致成本大幅度提高。而振动时效与传统的热时效相比,具有节能、减少生产费用、缩短生产周期、提高生产效率、减少因热时效工件变形而报废的情况及不受工件大小限制等优点[1]。
在VRS的施工过程中，既要能使得残余应力比较大的部位产生较大的应力，使其晶格发生松弛，使得残余应力释放，但是又不能使得转向架中的应力超过设计屈服极限，避免转向架在该工序中发生破坏。在该工艺过程中，如何选择激励源的位置、激励频率和激励力是关键参数，本文即围绕该关键因素进行分析。主要内容有：
（1）转向架激励与响应的有限元数值分析
运用ANSYS有限元软件建立完成转向架的有限元计算模型，确定结构合适的约束形式，再利用模态分析求出转向架的原始固有频率、模态等动力特性，再结合谐响应分析研究的约束方式、激励位置、交变载荷的频率以及振幅，对产生动应力的分布和大小的影响，并模拟振动时效的过程，为有效消除指定位置的残余应力提供理论依据。
（2）振动时效实验研究
首先焊接钢板试样，利用盲孔法进行测量焊接缝处的残余应力，然后固定试样在振动试验台上，加载交变载荷进行振动实验，再测量经过振动过程中的焊接处的残余应力的变化，对比振动前后的实验结果，计算焊接残余应力是消减状况。
2 振动时效机理研究
2.1 振动时效的原理
振动时效消除应力实际上就是用周期的动应力与残余应力叠加，使构件局部产生塑性变形而释放应力。通常振动时效通过工件低频共振，促使交变载荷产生的动应力与原有的焊接残余应力迭加，超出材料屈服应力，导致工件的焊缝处产生塑性变形，残余应力得到释放，从而达到降低或均化构件的残余应力的目的。
振动时效的发展其实就是来自于锤击松弛法的启发，锤击法就是给工件施加一个冲击载荷，使得工件产生激励响应，然后工件又以固有频率和衰减的振幅迅速作减幅振动。对于振动时效处理的过程，首先通过激振装置给需要处理试件施加一交变载荷，如果构件上某些点产生的交变应力幅与被处理的所存在的残余应力相加达到材料的屈服应力时，这些点处的晶格将产生滑移现象，同时产生塑性变形，在残余应力最大点上通常更早的出现塑性变形，使这些点受约束的变形得以释放，从而降低了残余应力。可以用简单的公式得以表达，即 σ动 + σ残 ＞σs时，构件内的残余应力就会得到相应的消减或均化。其式中σ动为施加在试件上的交变载荷的产生的最大动应力,σ残为试件内的残余应力,σs被试件材料的屈服应力极限值。以上所介绍的就是振动时效的基本原理。
2.2 振动时效的工艺
振动时效设备的通常是由激振器、振动参数控制器和振动传感器共同组成的。在工件上安置一个具有偏心轮的电机激振器，并用橡皮垫等弹性物体将工件支撑起来，减少工件和支撑架之间的刚性接触。
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