多边形条件下高铁车轴裂纹扩展寿命计算及检查间隔制定方法研究

文章调研了目前关于车轴材料属性和载荷条件离散性对剩余寿命的影响的处理方法并进行了简要总结；建立了车辆系统刚柔耦合动力学模型，提取了车轮20阶多边形条件下各工况车轴危险截面应力-时间历程，进行了应力谱的编制；基于小试样裂纹扩展试验数据拟合得到了NASGRO方程裂纹扩展参数，计算得到车轴卸荷槽部位裂纹深度为2～40 mm的剩余寿命；考虑材料属性和载荷条件离散性来制定车轴剩余寿命计算的安全系数；结合剩余寿命计算结果、超声波检测裂纹检出概率曲线和车轴失效概率制定了车轴合理的检查间隔。结果表明，车轮多边形条件下，车轴剩余寿命为38.5万km,考虑材料属性和载荷条件离散性的安全系数分别为1.26和1.33,得到车轴检查间隔为3.8万km。     

车轴裂纹扩展寿命的分析与计算方法

在由加载条件试验得出车轴裂纹扩展规律的基础上,引入有效应力强度因子范围ΔKeff值,建立适用于各种加载条件的裂纹扩展规律模型;给出实际运用条件下初始裂纹尺寸、超偏载、轮轴压装配合导致应力集中等因素影响车轴裂纹扩展的理论分析方法;建立车轴裂纹扩展寿命的计算模型,并采用Romberg数值积分法和Newton-Rophson迭代法对车轴剩余寿命进行预测。运用本文给出的模型和计算方法,以RD轴轮座部为例,对不同运用工况、不同尺寸裂纹车轴的剩余寿命进行了计算分析;以某客车RC轴断轴事故为例,对车轴初始裂纹尺寸进行计算,验证了超限裂纹漏探是导致该车轴断裂的主要原因。     

基于ANSYS/FE-SAFE的高速动车组非动力车轴疲劳寿命分析

以CRH380B型高速动车组的非动力车轴为研究对象,开展高速动车组非动力车轴的疲劳寿命预测分析。采用有限元分析软件ANSYS建立轮对有限元模型,进行车轴危险截面处的应力分析;采用动力学仿真软件SIMPACK建立高速动车组整车模型,分析车轴垂向和横向载荷随时间的变化情况;采用疲劳累计损伤理论,以车轴的应力和载荷谱为输入,基于疲劳寿命专用仿真软件FE-SAFE对车轴进行疲劳寿命分析。结果表明:非动力车轴轮座内侧的过渡圆弧处为最大应力部位和危险部位,最大应力为122.01 MPa,疲劳寿命约为28.6a,均满足车轴静强度和设计寿命的要求。     

基于概率断裂力学的车轴可靠性分析

基于线路实测数据,应用Miner线性累积损伤法则计算了车轴等效应力。根据应力强度因子公式预测了车轴裂纹临界尺寸,并建立了应力-强度干涉模型,通过改变变异系数,评估确定了极限裂纹尺寸情况下车轴裂纹扩展寿命的可靠性。     

基于漏探概率的车轴探伤周期制定方法

针对现行车轴探伤周期制定方法存在的车轴剩余寿命计算结果与实际相差较大、不能在要求的可靠度下制定尽量长的车轴探伤周期和计算车轴裂纹随机扩展条件下探伤周期的可靠度等问题,将沿周向扩展车轴表面裂纹的深度抽象为一维伽马随机过程,建立基于伽马随机过程的车轴裂纹扩展模型;基于试验和运营中取得的车轴裂纹扩展数据从统计学的角度描述车轴裂纹的扩展过程,推导基于漏探概率的车轴失效函数和可靠度函数,建立揭示车轴的剩余寿命、漏探概率和可靠度三者间关系的新的车轴探伤周期制定方法;验证结果表明:采用新方法生成的车轴裂纹效果与实际基本吻合,可计算任意探伤周期的可靠度和给定可靠度下的探伤周期,为车轴探伤周期的制定提供了理论基础。     

LZ50车轴钢超长寿命旋转弯曲疲劳性能

使用旋转弯曲疲劳试验机在室温空气中测试LZ50车轴钢的S-N曲线以获得其在超长寿命区域的疲劳性能.结果显示,材料在弯曲5×106～109次时达到疲劳极限;在高于疲劳极限的应力范围,材料的S-N曲线满足三参数方程.对材料表面及断口的观察表明,疲劳裂纹始于材料表面铁素体组织,裂纹起始位置的断口上没有夹杂物等材料缺陷存在.上述结果与既有文献报道的研究结果不同,既有文献认为夹杂物在超长寿命区引起疲劳破坏.为了阐明LZ50车轴钢中夹杂物是否会引起材料在超长寿命区的疲劳破坏,使用测定的裂纹扩展门槛值和断裂力学理论分析了夹杂物引起车轴钢疲劳裂纹扩展的临界尺寸.     

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。     

货车RD2车轴应力谱研究

通过建立C64K提速货车系统的非线性动力学模型 ,仿真货车在典型线路上的运行 ,获取作用于轮轴上的随机载荷谱。引入车轴材料的非线性本构关系 ,进行轮轴的有限元分析 ,得到车轴关键部位的应力时间历程 ,以得到车轴危险截面在典型工况的不同存活率和不同置信度下的概率疲劳应力谱 ,为进行货车RD2 车轴疲劳寿命的预测及安全评估提供依据。     

钩尾框尾部弯角疲劳裂纹扩展寿命预测研究

提出了一种预测工程构件疲劳裂纹扩展寿命的方法，应用能量释放率理论，通过3维子模型有限元技术，计算工程构件疲劳裂纹尖端的应力强度因子，由Paris公式预测工程构件在实际载荷谱下的疲劳裂纹扩展寿命。采用该方法预测的13号车钩钩尾框尾部弯角疲劳裂纹扩展寿命与实际检修统计结果一致。     

残余压应力对车轴表面裂纹扩展的仿真研究

为了研究残余压应力对裂纹扩展的影响，通过子程序引入初始残余压应力，利用裂纹扩展仿真技术XFEM与VCCT相结合的方法进行裂纹扩展仿真计算，证实了残余压应力对裂纹扩展有显著的抑制作用；基于Zencrack仿真软件，结合S38C材质车轴试验得到的裂纹扩展参数，预测了CRH2型动车组用S38C材质车轴裂纹扩展寿命，并提出了车轴裂纹检测周期建议。     

轨道车辆车轴强度及疲劳裂纹扩展寿命分析

以GCY300II型轨道车12 t轴重车轴为研究对象,采用机车车轴的强度标准,利用有限元计算方法计算车轴不同轴重下的6种不同工况的静强度和疲劳强度,在获得对应工况的应力分布及数值的基础上,进行车轴的静强度和疲劳强度分析,并确定车轴薄弱部位,然后假定车轴最薄弱部位出现疲劳裂纹,将不同轴重、不同工况下计算得到的应力数值作为车轴裂纹处的载荷应力谱,再结合疲劳断裂分析理论计算分析车轴疲劳裂纹扩展寿命。计算结果表明:车轴薄弱部位为车轴变截面处,其中最薄弱部位为车轮内侧轮座处上边缘。     

SS3B电力机车车轴轮座显微裂纹分析及对策

进行了SS3B电力机车车轴的计算分析 ,结合微动疲劳理论分析了车轴轮座内侧产生显微疲劳裂纹的原因 ,提出了采用使车轴表层形成压应力和提高车轴强度的方法 ,提高SS3B电力机车车轴寿命的对策。     

SS3B及SS4型机车整体轮对车轴轮座显微裂纹分析及对策

对SS3B、SS4型机车车轴进行受力分析,结合微动疲劳理论分析车轴轮座内侧产生显微疲劳裂纹的原因,提出了增大轮座直径、增加卸荷槽、设计车轮突悬,采用使车轴表层形成压应力和提高车轴强度的方法,以提高机车车轴寿命的对策。     

粗糙度诱发裂纹闭合的研究

作者从粗糙度诱发裂纹闭合的几何模型着手，通过推导得出了应力比、显微组织与裂纹闭合间的关系表达式，并就U71Mn钢不同奥氏体晶粒、不同应力比对裂纹闭合以及门槛值附近疲劳裂纹扩展行为的影响进行了研究。结果表明，粗大奥氏体晶粒由于有较大的断面粗糙度，使裂纹闭合程度增大．从而提高门槛值，但它不影响中速区域疲劳裂纹的扩展。应力比除了影响裂纹扩展的微观过程外，主要是影响裂纹闭合。随着应力比的增加，裂纹闭合作用减少，表现出裂纹扩展速率的提高和门槛值的降低。     

铁路“老龄”铆接钢桥剩余寿命评估

进入“老龄”期铆接钢桥剩余寿命估算，不仅对大量既有桥梁的安全性至关重要，同时也具有重要的社会和经济意义。本文概要介绍了以下研究内容：旧桥铆接构件疲劳性能的研究，铁路桥梁运营应力谱的测算方法，疲劳裂纹起始和扩展速率的研究。据此，建立了基于疲劳累积损伤的估算方法和裂纹起始寿命和扩展寿命的估算模型。并对我国各铁路干线上服役了４０～７０年的铆接钢桥剩余寿命进行了实例分析。     

内部夹杂物缺陷对EA4T车轴钢裂纹萌生寿命的影响

根据EA4T车轴钢疲劳试验，建立基于滑移理论的体心立方晶体塑性理论框架，从介观角度研究车轴钢材料内部夹杂物对疲劳裂纹萌生的影响。模拟材料内部CaS球状夹杂物和Al₂O₃块状夹杂物附近应力分布规律。研究材料内部夹杂物对裂纹萌生寿命预测参数的影响，标定关键变量塑性应变能密度。以裂纹形成过程中能量的变化为切入点，研究不同夹杂物对裂纹萌生寿命的影响。结果表明：材料内部夹杂物缺陷形态以及弹性矩阵的差异是引起应力集中的主要诱因，对于EA4T车轴钢材料而言，Al₂O₃块状夹杂缺陷通常比CaS球状夹杂缺陷的对钢基体微观结构的破坏更严重，更容易萌生裂纹。     

考虑车轮谐波磨耗的动车组车轴疲劳寿命

以CRH380BL型高速动车组为研究对象,基于车轮谐波磨耗的实测结果,建立刚性轮轨、刚性轮柔性轨、柔性轮刚性轨以及柔性轮轨4种不同轮轨关系下的车辆-轨道耦合动力学模型,通过对比分析4种模型的轮轨振动特性,得到最能反映真实情况的轮轨耦合动力学模型;基于车轴受力分析,采用有限元软件ANSYS进行车轴静强度计算;采用多体动力学软件计算考虑车轮谐波磨耗的车轴载荷时间历程;根据疲劳累积损伤理论,采用FE-SAFE软件分析考虑车轮谐波磨耗的车轴疲劳寿命。结果表明:柔性轮轨关系更能反映轮轨的真实接触状态;车轴轮座内侧圆弧过渡处的应力最大,为114.4 MPa;考虑车轮谐波磨耗的车轴疲劳寿命约为19.2 a;车轮谐波磨耗导致轮轨振动加剧,对车轴疲劳寿命产生明显不利的影响。     

焊接残余应力对对接接头疲劳裂纹扩展的影响

为提供一种考虑焊接残余应力重分布效应的疲劳裂纹扩展数值模拟方法,并以此研究焊接残余应力对对接接头疲劳裂纹扩展的影响,采用热弹塑性有限元法计算焊接残余应力,再基于计算机图形学与等参元逆变换提出应力映射技术,并借助该技术将计算的应力映射到疲劳裂纹扩展分析模型.采用NASGRO方程,考虑焊接残余应力的重分布效应,研究焊接残余应力对疲劳寿命的影响.研究结果表明:1)即使是很小的焊接残余拉应力也可能对材料疲劳寿命造成显著的降低.相反,很小的焊接残余压应力也可能显著地提高材料的疲劳寿命,本算例不到10％材料屈服强度的焊接残余拉/压应力,将疲劳寿命降低了/提高了25％/75％以上;2)焊接残余拉应力对疲劳寿命的影响随着应力的增大而增大,但增大的比例随着应力值的增大而显著减小;3)残余压应力对疲劳寿命的影响程度要比同值的拉应力影响大.此外,根据研究结果还给出了一些降低焊接残余应力不利影响及提高材料疲劳性能的工程建议.     

高速列车空心轴表面裂纹前缘应力强度因子解析模型

高速列车运行中其车轴可能受到硬物的高速冲击造成缺口,由于缺口所造成的应力集中会在车轴表面萌生疲劳裂纹,如果没有及时发现而继续使用,车轴会受到扰动载荷的作用,导致表面裂纹不断扩展,直至发生断裂。对车轴的疲劳断裂问题进行研究时,可通过应力强度因子进行断裂安全分析。由于空心轴的使用越来越广泛,其裂纹扩展问题也成为了研究的重点。空心车轴与实心车轴相比,表面裂纹情况更加复杂,无法利用已有公式计算出应力强度因子的解。通过对实心轴表面裂纹应力强度因子解析式进行修正,得出空心轴表面裂纹应力强度因子,将其与Carpinteri通过有限单元法得到的应力强度因子进行比较。结果表明,空心轴半椭圆表面裂纹应力强度因子解析模型具有较高的精度,为空心轴裂纹扩展的进一步研究提供了参考。