“十三五”发展以来，国家大力倡导发展轨道交通系统，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14.14万公里，其中高铁3.6万公里；今年全国铁路已投产新线1310公里，其中高铁733公里。
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。目前主要分为不锈钢蒙皮骨架结构和铝合金型材结构两种方案，其实铝合金在降重、节能、经济性上都拥有较大优势。目前铝合金型材供应商基本上都实现了国产，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，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认真分析，尤其是随着计算机技术的发展，利用仿真的手段去进行原因判断成为一种新方向，并取得了不错的成果。
问题描述
铝合金地铁底架为铝合金型材结构，通过机加工的方式去除指定区域，完成底架边梁部件的生产制造。图1显示的为其中一个底架边梁的加工场景。在该场景中，使用图2中的铣刀，依据文件要求铣削底架边梁的立筋，完成底架边梁的加工。某项目采用了新的型材断面，和组装结构，因此机加工流程也相应更新。在使用的新的工艺后，发现在边梁根部出现了可见裂纹。如图3和图4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，如图 5 图 6 所示。说明裂纹主要由于往复载荷引起的疲劳所致。为了进一步研究裂纹的产生原因和不同工艺的影响，采用基于显式动力学的有限元分析方法对加工过程进行模拟方程，获得部件的应力分布和应力曲线，进而为优化工艺，保证产品质量提供重要依据。
有限元模型
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7和图8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29650个单元。刀具采取刚体单元。如图9，图10所示
通过对加工过程的研讨，初步评估问题的影响因素主要包含铣削方式和铣削深度。在铣削方式上考虑立铣（实际采用加工方案）和卧铣（预计优化方案）两种。在铣削深度上，对立铣设计5mm、10mm、15mm三种加工深度，分别记为工况1、工况2、工况3.对卧铣设计5mm、10mm两种加工深度，分别记为工况4、工况5。铣刀的旋转速度为10000r/min，前进速度取2000mm/min。
材料本构模型
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：
式中，A 为准静态条件下的屈服强度；p为等效塑性应变；0为材料的参考应变率；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；T0为常温系数，通常取 25℃；Tmelt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 1。
表 1 工件材料的 Johnson-Cook 本构模型参数
材料的失效准则，选用 Johnson-Cook 剪切失效准则，失效参数��的定义为：
工件 Johnson-Cook 剪切失效参数见表 2。
表 2 工件材料的 Johnson-Cook 剪切失效模型参数
结果分析
取五种工况下的应力云图，如图所示：
图 13-22 可以直观看出，除了切削区域外，最大的应力出现在立筋根部。当采取立铣铣削方式，加工深度为 5mm 时候，此处发生开裂现象，其他方法并未开裂。为了避让图 14 中的开裂区域，选择图 23 中的一排节点定义路径，提取应力。
图 23 应力取点及节点编号
分别提取各个节点的最终应力，绘制下图：
图 24 五种工况下各节点的应力值
由图24可以看出，最大应力值集中在第6到第8个节点上。对照图23，此处为立筋的根部，亦验证了裂纹的出现位置。由于图24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25所示。
图 25 五种工况下第 7 节点的应力变化曲线
对图25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，从高到底大致为li_5mm 、li_15mm、li_10mm、heng_10mm、heng_5mm。其中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（为5mm），但应力最小值时候不是深度最深（15mm），而是10mm的深度时应力值最小。
6. 结论
1. 由于在铣削过程铣头的高速转动，零部件在加工的时候会存在应力高频振荡现象。立筋根部短时间内承受高频次高应力值的往复载荷，具有较大的疲劳失效隐患。
2.立铣和卧铣两种加工方式中，立铣对立筋造成的应力值要大幅大于卧铣。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。由于深度即影响了立筋的刚度，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；
4.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。
资料来源：达索官方
