CN108334666A - 一种车轴抗疲劳断裂分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种车轴抗疲劳断裂分析方法，包括以下步骤：步骤一，获取车轴表面缺陷的形状参数；步骤二，构建含有所述缺陷形状参数信息的车轴虚拟模型；步骤三，根据车轴虚拟模型计算至少包含缺陷最深点的多个取样点的应力强度因子范围，并得到平均应力强度因子范围ΔKm；步骤四，比较所获取的平均应力强度因子范围ΔKm与该车轴材料的裂纹扩展门槛值ΔKth的大小，若ΔKm<ΔKth，则该缺陷不会扩展，确定为缺陷休眠；若ΔKm>ΔKth，缺陷萌生裂纹发生扩展，则继续执行下一步；步骤五，计算裂纹扩展至断裂尺寸所需的加载循环次数，根据加载循环次数得到车轴的剩余使用时间或剩余使用里程。本发明能够对车轴中出现的缺陷进行分析和预测，保以证列车运行的安全。
Description
技术领域
本发明涉及疲劳损伤分析技术领域，尤其是一种车轴抗疲劳断裂分析方法。
背景技术
当前高速列车空心车轴设计均基于传统的安全强度设计理论，未考虑到实际材料和结构制造及运行中缺陷或裂纹的形成、演变特性及其局部应力放大效应，无法确保在给定寿命期内的服役安全性，成为高速列车共性基础结构设计和长寿命服役的不确定性因素和重大隐患，也与当前轻量化设计和节能降耗的发展趋势相违背。高速列车的使用过程中，腐蚀坑、飞石撞击及非金属夹杂等都有可能引起局部应力集中，进而产生微裂纹，但传统的安全寿命设计理论却没有考虑这些缺陷的影响，当前科学技术仍然无法完全避免车轴中缺陷的存在，而一旦这些裂纹达到其临界值，车轴将发生断裂，并引发灾难性事故。因此，如何在规定的检修周期内预测出不发生裂纹的破坏性扩展，对于保证列车安全运行至关重要。
鉴于此提出本发明。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于断裂力学理论和扩展有限元技术的车轴抗疲劳断裂分析方法，能够对车轴中出现的缺陷或裂纹进行分析和预测，保证车轴的安全运行。
为了实现该目的，本发明采用如下技术方案：
一种车轴抗疲劳断裂分析方法，包括以下步骤：
步骤一，获取车轴表面缺陷的形状参数；
步骤二，构建含有所述缺陷形状参数信息的车轴虚拟模型；
步骤三，根据车轴虚拟模型计算至少包含缺陷最深点的多个取样点的应力强度因子范围，并得到平均应力强度因子范围ΔKm；
步骤四，比较所获取的平均应力强度因子范围ΔKm与该车轴材料的裂纹扩展门槛值ΔKth的大小，若ΔKm<ΔKth，则该缺陷不会扩展，确定为缺陷休眠；若ΔKm>ΔKth，缺陷萌生裂纹发生扩展，则继续执行下一步；
步骤五，计算裂纹扩展至断裂尺寸所需的加载循环次数，根据加载循环次数得到车轴的剩余使用时间或剩余使用里程。
进一步，所述步骤五包括，
第一步、根据裂纹闭合效应，将ΔKm值扩大n倍，其中1.1<n<1.5；
第二步、计算裂纹扩展增量Δa，并更新车轴虚拟模型中的缺陷尺寸；
第三步、重复步骤三，重新得到平均应力强度因子范围ΔKm；
第四步、将第三步得到的ΔKm值扩大n倍，其中1.1<n<1.5，并判断n·ΔKm是否大于材料固有的断裂韧性Kmat，若大于则判断车轴已破坏；若小于则得到一次加载循环次数，并返回至第二步，循环执行，直到满足n·ΔKm>Kmat，计算结束，得到总的加载循环次数。
进一步，在步骤五中，裂纹扩展增量Δa的计算公式为：
Δa＝ΔN·da/dN
式中，
da/dN：裂纹扩展速率；
裂纹扩展速率计算公式如下：
式中，
a:裂纹深度；
N：疲劳载荷的循环次数；
R：应力比；
C、n、p、q:材料常数；
f:裂纹张开系数。
进一步，步骤二中，构建的车轴虚拟模型为有限元模型，具体包括，首先建立无缺陷的车轴有限元模型，然后导入缺陷的CAD模型，从而得到含缺陷的车轴有限元模型。
进一步，所述步骤二中，在导入缺陷的CAD模型时，直接进行常应变四面体网格剖分，得到含缺陷的车轴有限元模型。
进一步，所述步骤三包括，
第一步、设置裂纹计算参数，把缺陷最深点定义为A点，A点缺陷深度为a，缺陷宽度为c,且c的取值范围为1.25a<c<2.5a；
第二步、通过扩展有限元XFEM自动获取缺陷最深点A处的应力强度因子范围；
第三步、在A点周围选取多个取样点，并计算平均应力强度因子范围ΔKm；
进一步，所述步骤一中，通过无损探测设备获取车轴表面缺陷的深度。
进一步，所述车轴为高速列车空心车轴。
采用本发明所述的技术方案后，带来以下有益效果：
本发明能够对车轴中出现的缺陷或裂纹进行分析和预测，并根据预测结果调整检修周期，确保在下一个检修周期内，裂纹不会发生破坏性扩展，保证列车运行的安全，同时，本发明的建模过程简单，便于操作。另一方面，本发明能够对上下游车轴需求进行快速而高效的强度和剩余寿命预测及维护决策，确保车轴既要满足给定环境和工况运行的基本需求，又能对新一代产品设计提供科学决策依据。
附图说明
图1：本发明的流程图；
图2：缺陷初始形状示意图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。
结合图1、图2所示，一种车轴抗疲劳断裂分析方法，包括以下步骤：
步骤一，获取车轴表面缺陷的形状参数，如缺陷的深度，并定义为a；
步骤二，构建含有所述缺陷形状参数信息的车轴虚拟模型；
步骤三，根据车轴虚拟模型计算至少包含缺陷最深点的多个取样点的应力强度因子范围，并得到平均应力强度因子范围ΔKm，如定义缺陷最深点为A点，在A点周围选取多个取样点(包括A点)，并分别计算每个点的应力强度因子范围，然后求取平均值后得到平均应力强度因子范围ΔKm；
步骤四，比较所获取的平均应力强度因子范围ΔKm与该车轴材料的裂纹扩展门槛值ΔKth的大小，若ΔKm<ΔKth，则该缺陷不会扩展，确定为缺陷休眠；若ΔKm>ΔKth，缺陷萌生裂纹发生扩展，则继续执行下一步；其中，裂纹扩展门槛值ΔKth为材料的固有属性，在比较时可以直接代入，需要说明的是，现有方法中，一般采用缺陷最深点A的应力强度因子与裂纹扩展门槛值ΔKth比较，由于裂纹最深点A的应力强度因子幅值较大，导致后续最终获得的计算结果过于保守，与实际情况差距较大，故本申请采用平均应力强度因子范围ΔKm与裂纹扩展门槛值ΔKth比较，使得最终的计算结果与实际情况更加相符；
步骤五，计算裂纹扩展至断裂尺寸所需的加载循环次数，根据加载循环次数得到车轴的剩余使用时间或剩余使用里程。
具体地，所述步骤五包括，
第一步、根据裂纹闭合效应，将ΔKm值扩大n倍，其中1.1<n<1.5；
第二步、计算裂纹扩展增量Δa，并更新车轴虚拟模型中的缺陷尺寸；
第三步、重复步骤三，重新得到平均应力强度因子范围ΔKm；
第四步、将第三步得到的ΔKm值扩大n倍，其中1.1<n<1.5，并判断n·ΔKm是否大于材料固有的断裂韧性Kmat，若大于则判断车轴已破坏；若小于则得到一次加载循环次数，并返回至第二步，循环执行，直到满足n·ΔKm>Kmat，计算结束，得到总的加载循环次数。
优选地，在n·ΔKm<Kmat时，先判断一下是否满足其他破坏准则，如壁厚穿透率，若满足则表示车轴发生破坏，直接停止计算，若不满足，则执行返回至第二步。
在步骤五中，裂纹扩展增量Δa的计算公式为：
Δa＝ΔN·da/dN
式中，
da/dN：裂纹扩展速率；
裂纹扩展速率计算公式如下：
式中，
a:裂纹深度；
N：疲劳载荷的循环次数；
R：应力比；
C、n、p、q:材料常数；
f:裂纹张开系数。
具体地，步骤二中，构建的车轴虚拟模型为有限元模型，具体包括，首先建立无缺陷的车轴有限元模型，然后导入缺陷的CAD模型，从而得到含缺陷的车轴有限元模型，其中，无缺陷的车轴有限元模型在构建后可以存储在数据库中，下次使用则可以直接从数据库中调出，在构建有限元模型时，需要将缺陷进行规则化处理，如将缺陷形状近似为等深度的半圆形或椭圆形处理，以简化有限元模型。
优选地，步骤二中，在导入缺陷的CAD模型时，直接进行常应变四面体网格剖分，得到含缺陷的车轴有限元模型，现有方法一般需要手动建立缺陷的有限元模型，同时还只能是高精度的六面体网格，这样计算成本和周期较长。
所述步骤三具体包括，
第一步、设置裂纹计算参数，缺陷最深点A通过测量获取，设定A点缺陷深度为a，缺陷(裂纹)面与车轴外表面交点定义为B点，缺陷宽度为c,且c的取值范围为1.25a<c<2.5a；
第二步、通过扩展有限元XFEM自动获取缺陷最深点A处的应力强度因子范围；
第三步、在A点周围选取多个取样点，并计算平均应力强度因子范围ΔKm；
优选地，所述步骤一中，通过无损探测设备获取车轴表面缺陷的深度。
本发明中过所述车轴为高速列车空心车轴。
以上所述为本发明的实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明原理前提下，还可以做出多种变形和改进，这也应该视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种车轴抗疲劳断裂分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，获取车轴表面缺陷的形状参数；
步骤二，构建含有所述缺陷形状参数信息的车轴虚拟模型；
步骤三，根据车轴虚拟模型计算至少包含缺陷最深点的多个取样点的应力强度因子范围，并得到平均应力强度因子范围ΔKm；
步骤四，比较所获取的平均应力强度因子范围ΔKm与该车轴材料的裂纹扩展门槛值ΔKth的大小，若ΔKm<ΔKth，则该缺陷不会扩展，确定为缺陷休眠；若ΔKm>ΔKth，缺陷萌生裂纹发生扩展，则继续执行下一步；
步骤五，计算裂纹扩展至断裂尺寸所需的加载循环次数，根据加载循环次数得到车轴的剩余使用时间或剩余使用里程。
2.根据权利要求1所述的一种车轴抗疲劳断裂分析方法，其特征在于：所述步骤五包括，
第一步、根据裂纹闭合效应，将ΔKm值扩大n倍，其中1.1<n<1.5；
第二步、计算裂纹扩展增量Δa，并更新车轴虚拟模型中的缺陷尺寸；
第三步、重复步骤三，重新得到平均应力强度因子范围ΔKm；
第四步、将第三步得到的ΔKm值扩大n倍，其中1.1<n<1.5，并判断n·ΔKm是否大于材料固有的断裂韧性Kmat，若大于则判断车轴已破坏；若小于则得到一次加载循环次数，并返回至第二步，循环执行，直到满足n·ΔKm>Kmat，计算结束，得到总的加载循环次数。
3.根据权利要求2所述的一种车轴抗疲劳断裂分析方法，其特征在于：在步骤五中，裂纹扩展增量Δa的计算公式为：
Δa＝ΔN·da/dN
式中，
da/dN：裂纹扩展速率；
裂纹扩展速率计算公式如下：
式中，
a:裂纹深度；
N：疲劳载荷的循环次数；
R：应力比；
C、n、p、q:材料常数；
f:裂纹张开系数。
4.根据权利要求1所述的一种车轴抗疲劳断裂分析方法，其特征在于：所述步骤二中，构建的车轴虚拟模型为有限元模型，具体包括，首先建立无缺陷的车轴有限元模型，然后导入缺陷的CAD模型，从而得到含缺陷的车轴有限元模型。
5.根据权利要求4所述的一种车轴抗疲劳断裂分析方法，其特征在于：所述步骤二中，在导入缺陷的CAD模型时，直接进行常应变四面体网格剖分，得到含缺陷的车轴有限元模型。
6.根据权利要求1所述的一种车轴抗疲劳断裂分析方法，其特征在于：所述步骤三包括，
第一步、设置裂纹计算参数，把缺陷最深点定义为A点，A点缺陷深度为a，缺陷宽度为c,且c的取值范围为1.25a<c<2.5a；
第二步、通过扩展有限元XFEM自动获取缺陷最深点A处的应力强度因子范围；
第三步、在A点周围选取多个取样点，并计算平均应力强度因子范围ΔKm。
7.根据权利要求1所述的一种车轴抗疲劳断裂分析方法，其特征在于：所述步骤一中，通过无损探测设备获取车轴表面缺陷的深度。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种车轴抗疲劳断裂分析方法，其特征在于：所述车轴为高速列车空心车轴。
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