利用微观结构模型评估受电弓滑板的材料性能

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概述

铁路所使用的摩擦材料如受电弓滑板和车轮踏面制动器,大多都由复合材料制成。而复合材料的宏观性能在很大程度上取决于其几何微观结构,如尺寸、形状和成分的分布。传统的铁路材料倾向于通过试错进行试验开发。为更有效地改进和开发材料,可通过数值仿真研究材料微观结构与宏观性能间的关系。

本项目利用 X 射线计算机断层扫描技术开发了一种基于图像的浸金属碳微观模型,通过均质化方法评估其杨氏模量、热导率和电阻率,计算分析应力、温度和电流密度的分布。

图像处理

本研究所用受电弓滑板的材料为浸金属碳(PC78A),由多孔碳与铜浸渍制成,认为几乎是各向同性。

表1:PC78A 的材料性能和各成分的体积分数

使用 Bruker SkyScan 2211 CT 扫描设备获取 PC78A 的微观结构,导入Simpleware 软件进行图像处理。为缩短图像处理时间,先将像素间距从 1 μm 调整为 3 μm,采用中值滤波器去除脉冲噪声。

图1:CT 扫描获得的图像数据

裁剪边长为 600 μm 的立方体(模型 600)作为感兴趣区域,基于灰度值将图像分割为铜、碳和空隙。考虑到后续产生网格单元的数量和计算资源,将空隙区域体素小于 10 和铜中体素小于 50 的部分重新划分为碳的区域。按照不同位置将模型 600 分为 8 个边长为 300 μm 的立方体(模型 300①-⑧)。在 Simpleware FE 模块为所有模型 300 生成高质量的网格模型。

图2:模型 600 中不同模型 300 的位置关系
图3:图像分割结果和生成的网格模型

将模型 600 与模型 300①-⑧ 的体积分数进行比较,模型 300 的平均值与模型 600 相近。在构建计算模型时,尺寸越大,受到材料不均匀性的影响就越小。而随着尺寸的增大,图像处理耗时和材料性能计算量也随之增加。因此,有必要根据结构特性和计算目的确定合适的计算模型大小。

表2:各模型的体积分数和计算的材料性能

结果

铜体积分数与材料性能的关系

在 Simpleware 软件采用均质化方法计算材料性能。铜的比例越大,杨氏模量和热导率越高,电阻率越低。与杨氏模量相比,热导率和电阻率更依赖于铜的体积分数。产生的差异可认为是由铜与碳的材料性能比值不同造成的,铜的杨氏模量是碳的 5 倍,热导率是碳的 110 倍,而碳的电阻率是铜的 2250 倍。铜的体积分数在 12% ~ 16% 的范围内,各材料性能的计算值均与实验测量值接近。

图4:铜体积分数与材料性能间的关系
表3:分析所用碳和铜的材料性能

与基于 Voigt 模型混合法则的估算值相比,采用均质化方法的计算值更接近实验测量值。因为混合法则仅需要各成分的体积分数,而均质化方法还考虑到各成分的排列和形状等微观结构。

图5:估算和实验测量材料性能的比较:均质化方法计算评估(橙色)、实验测量(蓝色)、基于 Voigt 模型估算(灰色)

应力、温度和电流密度分布

受电弓滑板在集电时沿接触导线滑行,除机械负荷外,滑板还经受通电引起的焦耳热及滑板与接触导线分离时电弧放电引起的热负荷。考虑到材料的非均质性,更详细的应力和温度分布对了解表面附近的摩擦现象极为必要。采用模型 300④ 进行结构分析计算应力分布,底部完全受约束,模拟施加到顶部接触导线的接触力。铜的杨氏模量高于碳,因此铜区域的应力高于碳区域。

图6:边界条件
图7:模型与等效应力分布

采用模型 300④ 通过焦耳热进行热分析计算温度和电流密度分布,接触导线在滑板某一位置的接触时间为 4.5 ms。初始温度为 20 ℃,底部电位为 0 V,瞬态分析目标时间为 6.5 ms。由于碳的热导率低于铜的热导率,碳区域的温度高于铜区域,碳区域从上表面到下表面的传热较慢。铜的导电率比碳的导电率高,电流主要在铜区域流动。摩擦表面附近的温度分布有助于了解摩擦造成的磨损、损伤和劣化等现象。

图8:t = 5 ms 时的温度分布和电流密度分布

总结

本研究利用 X 射线 CT 扫描技术创建 PC78A 材料的微观结构模型,计算浸铜碳的材料性能。均质化法计算的杨氏模量、热导率和电阻率值比基于 Voigt 模型混合法则的估算值更接近实验测量值,通过有限元分析获得应力、温度和电流密度的分布。使用基于 CT 扫描图像数据构建微观模型模拟评估材料性能的方法有助于在材料开发过程中提出更为理想的材料结构。

参考

  • MORIMOTO F, KUBOTA Y. Evaluation of Material Properties of Pantograph Contact Strip by Microscopic Structure Model[J]. Quarterly Report of RTRI, 2022, 63(3): 200-205.
  • Fumiko MOIMOTO,周贤全.用微观结构模型评定受电弓滑板的材料性能[J].国外铁道机车与动车, 2022.
 
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