2019年5月（总第391期）
·27·
第47卷V ol.47第5期No.5
铁道技术监督
RAILWAY QUALITY CONTROL
检验与认证
INSPECTION AND CERTIFICATION
收稿日期：2019-03-26
作者简介：陈刚，工程师；王青权，高级工程师；
杜洪军，工程师
1概述
目前，世界范围内的轨道交通市场呈现出蓬勃
发展的态势，人们对轨道车辆的被动安全、乘坐舒适度等要求也越来越高。对轨道车辆的被动安全研究可借鉴汽车行业的经验。在汽车行业中，被动安全设计主要通过仿真计算模拟、生产试制及整车碰撞试验来实现。轨道交通行业虽然也大致遵循上述流程，但因为整车试验造价昂贵，一般不进行整车级别的碰撞试验，而是用吸能部件的碰撞试验来代替；同时进行部件级以及整车级别仿真计算模拟。
奔驰s500参数
碰撞吸能仿真计算模拟可以通过Hypermesh 等软件建模，然后使用LS-DYNA 等求解器求解。但为了提升计算模拟的精度，除了要让模型尽量反映实体情况之外，材料参数也是最关键的参数之一。在材料参数中，最为重要的就是应力-应变曲线。在碰撞吸能仿真计算中，使用应力-应变曲线不同于常规的准静态应力-应变曲线，需要考虑材料的
应变率效应。对于汽车行业而言，一般需要考虑材料在102/s~103/s 应变率区间内的动态力学响应，轨道交通行业也可借鉴这一经验。
对于材料动态力学性能测试，根据可达到的应变率，采用霍普金森杆、气锤、旋转飞轮式拉伸机、高速拉伸试验机、落锤等测试方法。适用于102/s~103/s 中高应变率区间，且测试准确度比较高的首推高速拉伸试验机［1］。然而，利用高速拉伸试验机进行测试时，需要解决的问题也是多方面的，如应变、力值的精确测量、测试过程中噪声的消除或抑制等。
S500MC 为冷成型用高屈服强热连轧钢，准静
态下屈服强度大于500MPa 。S500MC 既可用于汽车，也可用在轨道车辆的吸能结构上。文章提供的解决方案可以比较精确地获得S500MC 钢板在0.1/s ，10/s ，100/s ，1000/s 等不同应变率下的动态
力学响应。
2
试验设备及方案
2.1
试验设备
试验机选用ZWICK 公司的HTM5020高速拉
S500MC 钢动态力学性能试验研究
陈
刚，王青权，杜洪军
（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春130062）
摘要：为了得到S500MC 钢的动态力学性能，分别对S500MC 钢板样件进行0.1/s ，10/s ，100/s ，
1000/s 等4个不同应变率水平的动态拉伸试验，得到不同应变率下的应力-应变曲线，并与其准静态试验结果进行对比。结果表明：S500MC 钢具有较强的应变率效应，延展性随着应变率的增加而提升；Cowper-Symonds 模型可以对各应变率下的屈服强度和拉伸极限进行数值拟合。
关键词：S500MC 钢板；动态力学性能试验；应变率效应；Cowper-Symonds 模型
中图分类号：U270.41-34
文献标识码：A
文章编号：1006-9178（2019）05-0027-04
Abstract ：To obtain the dynamic mechanical property of S500MC steel ，a dynamic tensile test is carried out on S500MC steel plate samples based on such 4different strain rates as 0.1/s ，10/s ，100/s and 1000/s.Therefore ，the engineering stress based on different strain rates-strain curves are obtained.A comparison is made between it and its quasistate test result.According to the result ：S5
00MC steel has a stronger strain rate effect ，with its material ductil⁃ity improved with the increasing strain rate.The Cowper-Symonds model can conduct numerical fitting in view of the
yield strength and the limit in tension for each strain rate.
Keywords ：S500MC Steel Plate ；Dynamic Mechanical Property Test ；Strain Rate Effect ；Cowper-Symonds Model
·28·
S500MC 钢动态力学性能试验研究
检验与认证伸试验机，最大动态载荷为50kN ，最大拉伸速度为20m/s 。使用CSI 公司提供的非接触式应变测量系统测量试验过程中样件的应变。试验设备如图1
所示。
（a ）HTM5020
高速拉伸试验机
（b ）CSI 非接触应变测量系统
图1
试验设备
2.2试验方案
高速拉伸试验遵照ISO 26203-2：2011《金属
材料高应变率下的拉伸试验第2部分：液压伺
服与其他测试系统》［2］
进行。S500MC 化学成分见
表1。
表1
S500MC 化学成分
%试验样件厚度为3mm ，其他尺寸如图2所示。
15
60
12.5
Φ17
30
R 1
单位：mm 图2
试验样件尺寸
采用图1的试验设备，分别对试验样件进行
0.1/s ，10/s ，100/s ，1000/s 等4个不同应变率水平的动态拉伸试验。为了保证数据的可重复性，每个应变率进行5次试验。对于应变率为100/s 及1000/s 的试验，由于试验速度较快，弹性应力波
导致试验机内部产生较强振荡，直接使用试验机上附属的动态荷重传感器读数会有较大噪声，因此，在图2试验样件长端（长度为60mm 一端）粘贴应变片。在试验过程中通过应变片采集应变，通过此应变值反推试验载荷。采用这种方式可以大大降低载荷测量值的噪声。
3
试验结果及分析
3.1
试验结果
对试验数据进行处理，用试验样件公称截面
面积除以载荷数据得到应力。用处理后的数据绘图，得到不同应变率下的应力-应变曲线，如图3所示。
由图3可知，每个应变率下的5次试验重复性均较好。但当应变率为100/s 及1000/s 时，应力-应变曲线出现振荡，且应变率越高，振荡越强烈。3.2
结果分析
为了比较S500MC 钢板的应变率效应，进行应变率为0.01/s 的准静态拉伸试验，并将准静态拉伸试验结果与图3试验结果的平均值绘制在同一坐标
中。S500MC 钢板在不同应变率下的应力-应变曲线如图4所示。
由图4可以看出，S500MC 钢板呈现出较明显的应变率效应。动态拉伸试验中的屈服强度高于准静态拉伸试验，而且随着应变率的增加，应变强化现象愈加明显。此外，随着应变率增加，断裂应变也不断上升。也就是说，在高应变率条件下，S500MC 韧性上升，这一现象也可以从断后伸长率试验中得到验证。然而根据Symonds ［3］等人研
究，低碳钢的延展性大多数会随着应变率的增加而降低，这与文中的研究结论并不一致。分析原因可
·29·
铁道技术监督
第47卷第5期
—准静态；—应变率为0.01/s ；—应变率为
10/s ；—应变率为100/s ；—应变率为1000/s
能因为在拉伸过程中产生的热量，快速传递到试验件，使试验件温度升高，延展性得到改善。而Sy⁃monds 等人的研究，完全处于绝热状态，也就是说
热量没有及时传播，高应变率造成更低的塑性。Dong ［4］等人在针对DP600双相钢的研究中也发现与文中研究类似的现象。
在材料拉伸过程中，加工硬化和塑性流变是相互竞争的过程，所以也可以认为随着应变率的上升，塑性流变占据主要地位。
图4中的1000/s 应变率下的应力-应变曲线，尽管经过算术平均，仍然存在较大振荡。为了获得较为光滑的曲线，可以使用不同的本构模型来进行
数值拟合。常用本构模型包括加工硬化模型、Cow⁃per-Symonds 模型以及Johnson-Cook ［5］模型等。加
工硬化模型表达式为
σ=σ0+kεn 。
（1）
式（1）中，σ为真应力；σ0为屈服强度；k 为与材料相关的常数；ε为真应变；n 为加工硬化
指数。
Cowper-Symonds 模型的表达式为
σd 0σ0=1+æèöø
εD 1/q
。（2）
式（2）中，σd 0为应变率为ε时的塑性流动应
力；σ0为准静态拉伸条件下的塑性流动应力；ε
为应变率；D ，q 为与材料相关的常数。
Johnson-Cook 模型表达式为
σ=()σ0+Bεn æè
çö
ø÷1+C ln εε0()1-T *m 。（3）
式（3）中，σ0，B ，C 为与材料相关的常数；ε为
塑性应变；n 为加工硬化指数；ε
为应变率；ε0为参考应变率；T *m 为归一化温度。
在上述3个模型中，加工硬化模型未考虑应变率效应，不适合研究的拟合。Cowper-Symonds 与Johnson-Cook 模型都可以用于研究的拟合。但由于试验温度不变，均为室温，所以可以不考虑温度的
影响，得到室温下Johnson-Cook 本构模型。但对
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
应变
1000
800600400200应力/M P a
800
600
4002000.0
0.1
0.2
0.3
0.4
应力/M P a
应变
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
800600400200应力/M P a
应变
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
800
600400200应力/M P a
应变0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
应变
1000
800600400200应力/M P a
图3
不同应变率下的应力-应变曲线
图4
S500MC 钢板在不同应变率下的应力-应变曲线
（a ）应变率为0.1/s （b ）应变率为10/s
（c ）应变率为100/s
（d ）应变率为1000/s
·30·
S500MC 钢动态力学性能试验研究
检验与认证于ANSYS 的分析而言，形式较为复杂繁琐。故选择表达形式较为简洁的Cowper-Symonds 模型，且Cowper-Symonds 模型可以更方便地与仿真计算软件ANSYS 兼容。分别对各应变率下的屈服强度和
拉伸极限进行拟合，结果见表2。
表2
Cowper-Symonds 模型拟合参数
4结论
（1）S500MC 具有较强的应变率效应。准静
态拉伸屈服强度为590MPa 左右，而在应变率为1000/s 时，屈服强度可达700MPa 以上。
（2）S500MC 的延展性随着应变率的增加而
提升。
（3）Cowper-Symonds 模型可用于文中试验数值的拟合。参考文献
［1］余希同，邱信明．冲击动力学［M ］．北京：清华大学出版
社，2011．［2］金属材料
高应变率下的拉伸试验
第2部分：液压伺服与
其他测试系统：ISO 26203-2：2011［S ］.
［3］Symond P S ．Survey of methods of analysis of plastic deformation
of structures under dynamic loading ：Brown University ，Division of Engineering Report ：BU/NSRDC/［R ］．1967：1-67.［4］Dong Danyang ，Liu Yang ．Microstructure and dynamic tensile be⁃
havior of DP600dual phase steel joint by laser welding ［J ］．Ma⁃terials Science &Engineering A ，2014（594）：17－25．［5］Johnson G R ，Cook W H ．A constitutive model and data for met⁃
als subjected to large strains ，high strain rates ，and high tempera⁃tures ：Proc ．7th Intern.Symp ．Ballistics ［C ］．Netherlands ：
Am.Def.Prep.Org （ADPA ），1983．
（编辑牛建利）
成的试验项目全部符合试验大纲要求。运行性能中的制冷与取暖效果检查试验，由于气候条件的原因未能进行，将随综合巡检系统一起在上海局管内衢九线进行。
4结语
160km/h 电传动内燃综合巡检车不仅可以检
测、监测高铁设备设施的异常情况，也能提供设
备设施趋势变化数据，适应性和针对性比较强，是对高速综合检测车的有益补充。可实现一次出乘同步完成高速铁路轨道、隧道、接触网、电务轨旁设备等关键设备设施、沿线动车组地面安全监测设备状态及重点病害和环境灾害监测设备状态信息的定位、同步采集和处理，高效指导铁路基础设备设施养护维修与管理。参考文献
［1］中国铁路总公司．基于160km/h 轨道车的高铁设备综合检测
监测分析及运营维护决策系统研究［Z ］．北京：中国铁路总公司，2015．
［2］中国铁道科学研究院集团有限公司．综合巡检车试验简要
报告［Z ］．北京：中国铁道科学研究院集团有限公司，2018．
［3］高兴华，苗新芳，王浩．高速综合检测列车的研制［J ］．国
外铁道车辆，2012（3）：38-42．
［4］唐磊，袁其刚，王勇涛，等．货运重载铁路综合检测列车的
研制［J ］．铁道机车与动车，2016（11）：43—46．［5］国家铁路局．铁路大型养路机械
检查与试验方法：GB/T
25336—2018［S ］．
［6］综合巡检车型式试验大纲：GTJ （JL ）304-G00-040—2018
［S ］．
［7］铁道车辆强度设计及试验鉴定规范：TB/T 1335—1996［S ］．［8］铁道车辆冲击试验方法：TB/T 2369—2010［S ］．
（编辑牛建利）
（上接第26页）10204：2014［S ］．布鲁塞尔：欧洲标准化委员会，2014．［3］欧洲标准化委员会．铜及铜合金
符合性声明：EN 1655：
1997［S ］．布鲁塞尔：欧洲标准化委员会，1997．［4］国家铁路局．电气化铁路用铜及铜合金接触线：TB/T 2809—2017［S ］．北京：中国铁道出版社，2017．
［5］国际电工委员会．铁路应用
地面设备
电力牵引
铜及铜
合金沟槽接触线：IEC 62917：2016［S ］．日内瓦：国际电工
委员会，2016．
［6］中华人民共和国国务院．铁路安全管理条例：中华人民共和
国国务院第639号令［S ］．北京：中华人民共和国国务院，2013．
［7］国家铁路局．铁路产品认证目录：国铁科法〔2014〕30号
［S ］．北京：国家铁路局，2014．
［8］中国铁路总公司．中国铁路总公司铁路专用产品认证采信目
录：铁总科信〔2018〕196号［S ］．北京：中国铁路总公司，2018．（编辑冯姗姗）
（上接第20页）