含异物击打伤高速动车组车轴疲劳寿命预测

基于高速动车组EA4T车轴疲劳小试样,采用正方体状钨钢弹丸高速冲击其表面,以模拟车轴表面异物击打伤;采用旋转弯曲疲劳试验方法进行光滑和缺陷试样疲劳性能试验;采用Abaqus软件,模拟分析缺陷附近区域的残余应力;构建基于疲劳指示参数(Fatigue Indicator Parameter,FIP)的缺陷小试样和含击打伤实物车轴疲劳寿命预测模型,并进行台架试验验证。结果表明:小试样疲劳寿命试验数据均在预测值的2倍线内,实物车轴疲劳寿命预测模型与车轴台架试验结果一致,小试样和实物车轴疲劳寿命模型预测结果准确;动车组动力车轴运用检修中深度小于1.0 mm的击打伤类缺陷可不做打磨或其他处理。     

40Cr钢超高周疲劳性能及疲劳断口分析

采用超声疲劳试验方法研究40Cr钢在105周次～1010周次范围内的疲劳性能,其载荷频率为20kHz。用扫描电子显微镜分析了疲劳断口形貌特征。结果表明,40Cr钢的S N曲线始终保持下降趋势,且随疲劳循环数的增加,在106周次处并没有传统意义上的水平段;107周次疲劳强度为443MPa,1010周次疲劳强度为235MPa,二者存在明显差别;超声疲劳断口的扫描电子显微分析结果表明,40Cr钢超声疲劳断口显微形貌与常规疲劳载荷下的疲劳断口形貌无明显差异,疲劳裂纹在光滑试样表面或近表面材料缺陷处萌生,扩展区断口显微形貌观察到明显的疲劳辉纹。     

LZ50车轴钢的疲劳起裂阈值及强度

应用复型技术和逆序观测法对LZ50车轴钢光滑试样的早期疲劳短裂纹扩展行为进行试验研究.根据有效短裂纹理论,采用当量Ⅰ型主导有效短裂纹的概念描述材料群体疲劳短裂纹萌生、扩展的规律,利用最大微观结构障碍的概念推导该材料的疲劳起裂阈值及疲劳强度.研究结果如下:每个试样的有效短裂纹起源于试样表面的某些铁素体,这些裂纹萌生和扩展过程具有强烈的随机多裂纹特征;由于受最大微观组织障碍的约束,当量Ⅰ型主导有效短裂纹的扩展率具有初期下降和后期上升的特征;疲劳短裂纹的起裂阈值与最低扩展率和最大材料微观组织障碍相关,其值为1.973 76 MPa·m0.5;起裂阈值所对应的疲劳强度具有随表面缺陷当量尺寸的增加而下降的特点,当尺度大于50μm时,疲劳强度低于常规疲劳极限.     

40 Cr钢和50车轴钢超高周疲劳性能研究及疲劳断裂机理探讨

在对称拉压超声疲劳试验装置基础上,开发研制非对称拉压超声疲劳试验装置和三点弯曲超声疲劳试验装置。采用超声疲劳试验方法,结合扫描电镜断口微观分析,对40 Cr钢和50车轴钢光滑试样和缺口试样,在超高周疲劳范围内的疲劳性能和疲劳断裂机制进行研究,主要研究成果如下。对40 Cr     

表面处理对动车组用铝合金焊接接头超高周疲劳性能的影响

采用超声冲击和磨平焊缝余高2种表面处理方法对高速列车用A7N01P高强铝合金焊接接头焊趾及焊缝处进行处理,利用超声疲劳试验机,研究母材与未处理和处理后焊接接头的超高周疲劳性能;借助扫描电镜(SEM)观察疲劳断口形貌,并借助显微硬度计和透射电镜(TEM)研究冲击后铝合金焊接接头冲击层的显微硬度变化和晶粒细化现象;探讨超声冲击对高强度铝合金焊接接头疲劳寿命的影响机理。研究表明:超声冲击后焊趾表层组织发生严重的塑性变形,形成较为明显的塑变硬化层,当冲击电流为1.5 A,冲击时间为5 min时,冲击层最外层硬度可达到150.51 HV,相比较未冲击处理提高了27.6%;试样冲击后超高周疲劳寿命较处理前有显著提高,当循环次数为107和109时,超声冲击试样的疲劳强度比未进行表面处理试样分别提高了41.5%和48.6%,磨平焊缝试样的疲劳强度比未进行表面处理试样分别提高了52.5%和59.9%;2种焊缝处理方法对试样的疲劳性能改善效果相差不大,考虑到超声冲击处理在经济性和可加工性上更具优势,推荐工程上采用超声冲击方法来改善和提高焊接接头的疲劳性能。     

超声频率加载下50#车轴钢超长寿命疲劳性能研究

利用20kHz超声疲劳试验方法,研究提速列车50#车轴钢的疲劳性能。超声疲劳试验结果表明,50#车轴钢不存在常规疲劳试验曲线所示的"疲劳极限",其S—N曲线表现出"二次下降型"特征,在超长寿命阶段,S—N曲线继平台之后又出现下降趋势。比较50#车轴钢的超声疲劳性能与常规疲劳性能,疲劳性能受频率影响,超声频率使材料疲劳强度提高。超声疲劳试验结果应用于常规疲劳强度设计时需进行强度修正,给出疲劳强度修正公式及修正系数。     

钢筋混凝土桥梁疲劳时变可靠度分析

考虑钢筋疲劳强度随时间变化,提出疲劳强度时变模型.在此基础上对钢筋混凝土桥梁进行疲劳可靠度分析.基于混凝土碳化模型和钢筋锈蚀深度公式推导钢筋截面面积随时间变化公式.根据试验数据,提出S-N曲线中疲劳强度系数下降的疲劳强度时变模型.基于钢筋截面面积和疲劳强度时变,运用极限损伤度法和改进的一次二阶矩法,求解失效概率与疲劳可靠指标,然后根据选定的目标可靠指标获得桥梁的剩余寿命.算例表明:考虑和不考虑钢筋截面面积随时间的变化,对钢筋混凝土桥梁疲劳时变可靠度计算的影响较大;在桥梁的钢筋锈蚀到一定程度后,考虑和不考虑钢筋疲劳强度随时间的变化,对钢筋混凝土桥梁疲劳时变可靠度计算有明显的影响.     

用于铝合金车体外壳焊缝的疲劳设计图

为了开发疲劳强度设计图,作者对铝合金车体外壳焊缝进行疲劳试验。选用组成双层外壳的中空挤压型材焊缝和2种单层外壳补强焊缝作为车体外壳焊缝,通过对小尺寸和全尺寸试样的疲劳试验获得S-N曲线,采用统计处理方式,得出用于中空挤压型材焊缝的疲劳设计图。同样,用全尺寸试样开发了2种单层外壳补强焊缝通用的疲劳设计图。该图适用于评估焊缝附近材料应力范围内的疲劳强度。     

钢桥腐蚀斜焊缝十字接头疲劳性能研究

以45°倾角全熔透承载角焊缝十字接头为研究对象,在试件的边缘焊趾附近构造深度分别为1和2mm的2种人工半球形蚀坑,通过疲劳试验和有限元方法分析腐蚀对斜焊缝十字接头疲劳行为的影响。结果表明:当蚀坑深度分别为0,1,和2mm时,在200万次循环加载下斜焊缝十字接头疲劳强度分别为92.4,91.3和70.2 MPa,当蚀坑深度等于或小于1mm时,可以忽略蚀坑对斜焊缝十字接头疲劳强度的影响,但选取斜焊缝十字接头的S—N曲线时应该考虑不同腐蚀程度的影响;蚀坑深度是影响斜焊缝十字接头疲劳强度的主要因素,在蚀坑半径相同情况下蚀坑越深,等效应力越大,应力集中越明显;由于热点应力集中系数与蚀坑深度的相关性要好于深宽比,且非线性函数优于线性函数,因此推荐采用非线性函数拟合热点应力集中系数与蚀坑深度的关系。     

腐蚀对Al-Zn-Mg合金型材疲劳强度影响规律的研究

通过腐蚀疲劳、应力腐蚀相结合的方法模拟“服役—停放”状态,研究了不同加速周期下Al-Zn-Mg合金型材的疲劳强度、腐蚀疲劳强度,并通过灰色理论模型预测了Al-Zn-Mg合金材料疲劳强度的衰减规律。结果表明:Al-Zn-Mg合金型材的常规疲劳强度、腐蚀疲劳强度会随模拟加速试验周期的延长而衰减,腐蚀疲劳条件下Al-Zn-Mg合金型材的性能衰减比常规疲劳条件下的性能衰减更快。     

超声波锤击对钢桥构造细节疲劳性能的影响

针对我国客运专线铁路大跨度斜拉桥设计中出现的2种新型构造细节——十字形熔透焊接构造(传力型)和焊接盖板构造开展疲劳试验,制定了其疲劳S-N曲线和疲劳抗力设计指标。在此基础上,进行了2种试件在超声波锤击后不同应力幅下的疲劳试验,掌握了超声波锤击对不同构造细节疲劳强度的影响,以及对同一构造细节不同应力幅下疲劳性能的影响。试验结果表明:超声波锤击后试件的200万次疲劳强度有明显提高,为原状试件的2倍以上;但超声波锤击后试件的疲劳S-N曲线斜率明显减小,即随着应力幅的增加,超声波锤击对其疲劳性能的改善程度越来越小;当应力幅大到一定程度时,超声波锤击不会改善其疲劳性能。     

转向架用SMA490BW钢焊接接头超高周疲劳性能的影响因素

对转向架用SMA490BW钢焊接试样,采用冲击电流为1.5A、冲击时间分别为5,10,15或20min的超声冲击、低温热处理、机械打磨(磨平焊缝余高、打磨焊趾)的处理方法,通过残余应力测试和超声疲劳试验,对比分析应力集中、晶粒细化、残余应力等因素单独作用时对焊接接头超高周疲劳性能的影响程度,并借助扫描电镜观察疲劳断口,分析焊接接头超声冲击前后的裂纹萌生位置变化及失效模式。结果表明:经超声冲击或机械打磨后,焊接试样的疲劳寿命均得到不同程度的提高;磨平焊缝余高对提高焊接接头疲劳寿命最为显著,较原始焊接试样其疲劳寿命可提高约86.4倍;改善应力集中、细化表层晶粒、引入残余压应力对延长焊接接头寿命的贡献比分别约为59%,28%和13%;焊态及冲击态试样的疲劳裂纹大多萌生于焊趾表面,部分冲击态试样的裂纹转而从表面的机械加工的缺陷处萌生,少数从材料内部缺陷处萌生并扩展至断裂失效。     

提高车辆铸钢件疲劳寿命估算精度的研究

研究表明，进行铸钢件寿命估算时，考虑铸造缺陷及疲劳缺口的双重影响是必要和合理的。当用修正Ｎｅｕｂｅｒ法对车辆铸钢件进行寿命评估时，宜采用疲劳强度综合影响系数Ｋ＝Ｋｌ．Ｋｌ（Ｋｌ为铸造缺陷系数，Ｋｌ为疲劳缺口系数），对Ｋｆ建议采和随名义应力变化的公式计算。     

钢桁梁焊接构造细节的疲劳性能及基于XFEM的疲劳寿命评估

通过3组共9个试件的疲劳试验,研究沪通长江大桥主桁对接杆件中过焊孔构造细节的疲劳性能,通过扩展有限元方法(XFEM)结合断裂力学方法对过焊孔构造细节裂纹扩展阶段的疲劳寿命进行预测。研究结果表明:过焊孔与翼缘板-腹板焊缝交叉处的焊趾是过焊孔构造细节疲劳性能的薄弱环节;试验测得该细节对应200万次荷载循环的疲劳强度小于欧洲规范对类似构造细节的规定,过焊孔处腹板-翼缘板的角焊缝质量对构造细节的疲劳强度有重要影响;采用XFEM结合断裂力学方法预测疲劳裂纹扩展阶段的寿命与测试结果较吻合,可以作为疲劳寿命评估的手段。     

钢制车体疲劳强度校核方法

介绍了在缺乏材料疲劳性能数据时进行钢制车体疲劳强度校核的方法,从静态应力极限值和焊接疲劳数据的选取、Goodman疲劳极限线图的绘制方法、常用焊接接头类型、疲劳许用应力极限的确定、设计应用等方面对该方法进行了讨论。     

润滑条件下钢轨接触疲劳性能的试验研究

通过室内试验研究了三种轨钢(不同金相组织的U71Mn轨样）的接触疲劳性能。试验表明，试样表层产生严重的塑性变形是形成接触疲劳破损的主要原因，通过热处理可提高轨钢的强度及硬度，接触疲劳强度也随之提高。作者分析了曲线地段的外轨内侧轨距角处(采用轮轨润滑方法)形成接触疲劳破损的原因，并根据室内试验结果提出在具有润滑条件的曲线上，钢轨以采用高强度淬火轨或合金轨为宜。     

两种评定准则下的车轮疲劳强度分析

分别采用基于单轴疲劳理论的车轮疲劳强度评定准则和Dang-Van多轴高周疲劳评定准则2种方法,对同一车轮进行疲劳强度计算,比较2种方法的安全度和适用范围.结果表明:车轮疲劳强度在2种评定准则下均满足要求,车轮的疲劳危险区域位于轮缘侧辐板孔边中间位置,其中使用单轴疲劳准则评定辐板更偏于安全,而Dang-Van多轴高周疲劳准则适用于辐板孔的评价.     

车轮滚动接触疲劳裂纹萌生寿命预测

利用有限元软件ABAQUS建立带缺陷孔的车轮二维有限元模型,循环塑性本构关系采用LemaitreChaboche非线性各向同性/随动硬化循环塑性模型,通过在滚动接触表面上施加移动法向分布压力和切向分布力模拟反复滚动过程。采用Jiang-Sehitoglu损伤参量和基于临界平面法的疲劳裂纹萌生寿命模型,分析循环载荷大小、缺陷孔深度和摩擦因数等因素对车轮缺陷孔处损伤参量及滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响规律。结果表明:经过反复施加10次循环载荷,车轮材料缺陷孔处应力应变响应逐渐趋于稳定。循环载荷大小、缺陷孔深度和摩擦因数等因素对车轮缺陷孔处损伤参量和滚动接触疲劳裂纹萌生寿命的影响比较明显。疲劳裂纹萌生寿命随着循环载荷与摩擦因数的增加而增大,随着缺陷孔深度的增加而逐渐减小。     

焊接缺陷对动车组铝合金车体疲劳寿命影响研究

由铝合金型材焊接而成的高速列车车体,如考虑焊缝处初始焊接缺陷的存在,将造成焊缝质量等级的不同,进而造成其抗疲劳能力产生差异。为寻求在设计阶段能较准确地预测含初始焊接缺陷的动车组车体疲劳寿命的评估方法,通过试验获得3种含初始焊接缺陷试件的疲劳寿命数据,并基于美国ASME(2007)标准中的结构应力法计算出含不同焊接缺陷试件疲劳寿命的"等效初始裂纹";建立包括焊缝在内的动车组车体有限元模型,并依据BS EN12663-1:2010标准的加载方式,基于等效结构应力法和Miner线性累积疲劳损伤理论,预测车体关键焊缝的疲劳寿命;根据反求出来的等效裂纹对模型进行修正,研究初始焊接缺陷的存在对车体疲劳寿命的影响。     

超声冲击对转向架用16MnR钢焊接接头疲劳性能的影响

采用HJ2-Ⅱ型超声冲击枪,对转向架用16MnR钢的焊接接头表面进行超声冲击处理.利用EHF-EM200K2-070-1A疲劳试验机,采用较低载荷频率(低于10 Hz)对16MnR钢焊接接头超声冲击前后的疲劳性能进行对比试验.试验结果表明:在疲劳寿命为2×106时,焊接接头试样在超声冲击处理前后的疲劳强度分别为265和325 MPa,提高了22.6％;超声冲击处理后焊接接头的疲劳寿命是处理前的51～59倍.经过超声冲击处理后,焊接接头焊趾处的应力集中程度和焊接残余应力降低,表明超声冲击处理对提高16MnR钢焊接接头疲劳性能具有显著的效果.