鐵道車輛結(jié)構(gòu)件失效評(píng)定方法研究

王暉 李寧 王宗正 馬龍 李傳迎

摘要：鐵道車輛結(jié)構(gòu)件在制造與服役過(guò)程中，損傷的產(chǎn)生不可避免。當(dāng)損傷尺寸較小時(shí)，損傷件仍能發(fā)揮正常功能，不影響列車的安全運(yùn)行。隨著列車運(yùn)營(yíng)里程增加，損傷會(huì)持續(xù)演化，損傷會(huì)不斷增加，當(dāng)達(dá)到一定尺寸時(shí)，有可能使結(jié)構(gòu)件不再滿足設(shè)計(jì)和使用要求，從而引發(fā)各種安全問(wèn)題，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致運(yùn)行事故，因此確定臨界損傷尺寸對(duì)于列車的安全運(yùn)行具有重要意義。本文以標(biāo)準(zhǔn)CT試樣為研究對(duì)象，通過(guò)疲勞試驗(yàn)得到了試樣在疲勞載荷作用下的臨界損傷尺寸，并通過(guò)兩種不同的方法—斷裂韌度法和靜截面失效法—計(jì)算了臨界損傷尺寸，與疲勞試驗(yàn)作用下的臨界損傷尺寸進(jìn)行了對(duì)比，討論了進(jìn)行臨界損傷尺寸計(jì)算時(shí)不同方法的可靠性和適用性，為鐵道車輛結(jié)構(gòu)件的失效評(píng)定提供依據(jù)。

Abstract：? In the process of manufacturing and operation of railway vehicles， damages are inevitable. When damages are of small size， the components can work normally and there would be no safety issues. Damages can develop to a critical size as the operation of high speed trains， in which situation the components cannot meet the design and operation requirements and may lead to accidents. Thus it is important to study the methods calculating this critical damage size. In this paper， a fatigue test is conducted with CT samples and critical crack size is achieved. A test of plain strain toughness known as KIC is carried to achieve fracture toughness， which is used to calculate critical damage size in the following FEA analysis. Then a net section failure principle is used to calculate critical crack size. Critical crack size calculated by the above tow methods are compared to the fatigue test， then the conservatism and applicability are discussed of the two methods， which are meaningful to the damage tolerance design of high speed trains.

關(guān)鍵詞：鐵道車輛;臨界損傷尺寸;斷裂韌度;靜截面失效

Key words： railway vechicle;critical damage size;fracture toughness;net section failure

中圖分類號(hào)：TG441.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2020）21-0057-04

0? 引言

鐵道車輛結(jié)構(gòu)件在制造與服役過(guò)程中，損傷的產(chǎn)生不可避免。當(dāng)損傷尺寸較小時(shí)，損傷件仍能發(fā)揮正常功能，不影響列車的安全運(yùn)行。隨著列車運(yùn)營(yíng)里程增加，損傷會(huì)持續(xù)演化，損傷會(huì)不斷增加，當(dāng)達(dá)到一定尺寸時(shí)，有可能使結(jié)構(gòu)件不再滿足設(shè)計(jì)和使用要求，從而引發(fā)各種安全問(wèn)題，嚴(yán)重的可能導(dǎo)致運(yùn)行事故，因此確定臨界損傷尺寸對(duì)于列車的安全運(yùn)行具有重要意義。本文以標(biāo)準(zhǔn)CT試樣為研究對(duì)象，通過(guò)疲勞試驗(yàn)得到了試樣在疲勞載荷作用下的臨界損傷尺寸，并通過(guò)兩種不同的方法—斷裂韌度法和靜截面失效法—計(jì)算了臨界損傷尺寸，與疲勞試驗(yàn)作用下的臨界損傷尺寸進(jìn)行了對(duì)比，討論了進(jìn)行臨界損傷尺寸計(jì)算時(shí)不同方法的保守性和適用性，為軌道車輛結(jié)構(gòu)件的失效評(píng)定提供依據(jù)。

本文以7075鋁合金材料制作的CT試樣為研究對(duì)象，進(jìn)行了疲勞損傷試驗(yàn)，加載至試樣失效，得到了試樣在疲勞載荷下發(fā)生快速演化時(shí)的臨界損傷尺寸;同時(shí)進(jìn)行了斷裂韌度試驗(yàn)，測(cè)得了該材料的斷裂韌度。測(cè)得的斷裂韌度被用于計(jì)算臨界損傷尺寸。另外，也應(yīng)用靜截面失效法計(jì)算了疲勞試驗(yàn)中CT試樣的臨界損傷尺寸，通過(guò)對(duì)比分析，得到斷裂韌度法和靜截面失效法在計(jì)算臨界損傷尺寸上的可靠性和適用性。

1? CT試樣及試驗(yàn)設(shè)備

用于斷裂韌度測(cè)試的CT試樣按照GB/T 4161-2007《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法》[1]進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)方法同樣依照GB/T 4161-2007《金屬材料平面應(yīng)變斷裂韌度KIC試驗(yàn)方法》進(jìn)行。試驗(yàn)設(shè)備如表1所示。

按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行測(cè)量試樣的厚度B與寬度W。

樣品寬度W和損傷尺寸a從平板加載孔的中心線處測(cè)得。有開(kāi)口的邊緣可以用來(lái)當(dāng)做參考線，減掉從孔的中心線到開(kāi)口邊緣的距離，得到W和a。

2? 斷裂韌度試驗(yàn)

為了模擬實(shí)際構(gòu)件中存在的尖銳損傷，使得到的KIC數(shù)據(jù)可以對(duì)比和實(shí)際應(yīng)用，在疲勞試驗(yàn)機(jī)上使試樣承受循環(huán)應(yīng)力，引發(fā)尖銳的疲勞損傷，損傷長(zhǎng)度a0，a0與試樣寬度W的比值為a0/W≈0.5。圖1為試樣正在試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行預(yù)制損傷測(cè)試。

預(yù)制損傷載荷值則根據(jù)每件試樣尺寸參數(shù)自動(dòng)算出。預(yù)制損傷時(shí)所有試樣加載比為R=0.1，頻率選為4Hz。預(yù)制疲勞損傷時(shí)，同時(shí)監(jiān)測(cè)試樣兩側(cè)損傷的萌生情況，避免兩側(cè)損傷不對(duì)稱發(fā)展。損傷引發(fā)的缺口頂端與試樣兩個(gè)表面的交點(diǎn)距加力孔中心線的距離應(yīng)該相等，損傷缺口垂直于表面。

拉斷過(guò)程如下：①將試樣安放于試驗(yàn)機(jī)上，損傷預(yù)期演化面與加載線處于垂直位置;②調(diào)整加載速率使應(yīng)力強(qiáng)度因子KI增率在規(guī)定范圍內(nèi);③調(diào)整記錄儀的放大比;④對(duì)試樣加載試驗(yàn)并記錄P-V曲線，直至超過(guò)試樣所能承受的最大載荷停止;⑤斷開(kāi)試樣，在厚度中點(diǎn)和兩個(gè)四分之一厚度點(diǎn)三處測(cè)量損傷長(zhǎng)度的平均值為損傷長(zhǎng)度。

拉伸過(guò)程中，程序采用MTS系統(tǒng)中的MPT多功能軟件（程序自編）。采用載荷控制，加載速率采用100N/s。為了得到載荷-缺口張開(kāi)位移（P-V）曲線，測(cè)試采用COD引伸計(jì)測(cè)量損傷張開(kāi)位移。試驗(yàn)過(guò)程中每隔0.1秒采集一次荷載、位移等相關(guān)參量。用測(cè)試儀器連續(xù)記錄載荷增加與缺陷演化情況的P-V曲線、P-載荷、V-損傷兩側(cè)刀口張開(kāi)位移。

試驗(yàn)斷裂后，測(cè)量損傷長(zhǎng)度，測(cè)試方法按圖3所示，在B/4、B/2、3B/4的位置上測(cè)量損傷長(zhǎng)度a2、a3、a4，取損傷長(zhǎng)度平均值（a2+a3+a4）/3：計(jì)算斷裂韌度條件值KQ。

根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中采集到的每一個(gè)試樣的載荷、缺口張開(kāi)位移數(shù)據(jù)，繪制荷載—缺口張開(kāi)位移（P-V）曲線圖。按照規(guī)范要求，根據(jù)曲線上確定的損傷失穩(wěn)損傷臨界狀態(tài)的載荷PQ，以及試樣斷裂后測(cè)出的與PQ相對(duì)應(yīng)的損傷長(zhǎng)度a代入應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度因子KI表達(dá)式，求出損傷失穩(wěn)損傷的臨界KI值，記為KQ。

對(duì)得到的KQ值按下面的方法進(jìn)行有效性判別。

計(jì)算載荷比并滿足式（1）要求，式中Pmax為試驗(yàn)所能承受的最大值。

計(jì)算試樣厚度是否滿足式（2）的要求，其中為屈服強(qiáng)度。

對(duì)5件7075鋁合金試樣進(jìn)行斷裂韌性試驗(yàn)，最終得到該材料的斷裂韌度平均值為28.85MPa√m，拉斷后的試樣如圖4所示。

3? 疲勞試驗(yàn)

為了模擬實(shí)際構(gòu)件中存在的尖銳損傷，使得到的測(cè)試數(shù)據(jù)可以對(duì)比和實(shí)際應(yīng)用，須進(jìn)行疲勞損傷預(yù)制，預(yù)制損傷長(zhǎng)度約為2.5mm。按照規(guī)范的要求，預(yù)制疲勞損傷最后一級(jí)的最大力值不得超過(guò)開(kāi)始記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)的最大力值。預(yù)制損傷時(shí)所有試樣加載比為R=0.1，頻率為4Hz。

疲勞試驗(yàn)過(guò)程如下：

①將試樣安放于試驗(yàn)機(jī)上，損傷損傷面與加載線處于垂直位置。

②調(diào)整并設(shè)置疲勞加載參數(shù)，保持力的穩(wěn)定并設(shè)置保護(hù)，避免力過(guò)載引起遲滯效應(yīng)。正式試驗(yàn)采用最大載荷值為3.2kN，應(yīng)力比為R=0.1，頻率為2Hz。

③試驗(yàn)過(guò)程中，記錄若干循環(huán)次數(shù)及對(duì)應(yīng)的損傷長(zhǎng)度，為了得到足夠多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，程序設(shè)置為損傷每增加0.02mm記錄一次相關(guān)數(shù)據(jù)。

④試驗(yàn)采取損傷損傷進(jìn)入快速階段，當(dāng)試樣斷裂時(shí)作為最終停機(jī)點(diǎn)。損傷損傷試驗(yàn)過(guò)程中，采用MTS試驗(yàn)機(jī)自帶的疲勞損傷損傷試驗(yàn)程序。疲勞循環(huán)次數(shù)和損傷損傷長(zhǎng)度自動(dòng)采集。損傷長(zhǎng)度采用柔度法自動(dòng)換算。

疲勞損傷損傷速率的確定采用擬合a-N曲線求導(dǎo)的方法確定da/dN。da/dN曲線數(shù)據(jù)的確定采用試驗(yàn)機(jī)自帶軟件自動(dòng)獲取的方式進(jìn)行。后續(xù)處理將所有試樣的a-N曲線數(shù)據(jù)集中整理。

對(duì)于緊湊拉伸（CT）試樣，ΔK可按公式（3）計(jì)算[1]：

式中α=a/W

本次對(duì)3件7075鋁合金試樣進(jìn)行損傷損傷速率試驗(yàn)，最終3件試驗(yàn)件的損傷損傷速率da/dN與ΔK的關(guān)系在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的關(guān)系如圖5所示，破壞試樣如圖6所示。3件試樣破壞時(shí)的損傷長(zhǎng)度a為26.28mm、28.56mm和28.90mm。

4? 斷裂韌度法計(jì)算臨界損傷尺寸

根據(jù)疲勞損傷損傷試驗(yàn)的CT試樣圖紙，應(yīng)用Zencrack建立含損傷的CT試樣有限元模型如圖7所示[3]，按規(guī)范中的計(jì)量方法，初始損傷長(zhǎng)度為11.5mm，由于本次計(jì)算的目的為得到臨界損傷尺寸，初始損傷長(zhǎng)度不會(huì)顯著影響計(jì)算結(jié)果，含初始損傷模型中共1172個(gè)單元和6356個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元類型選取二階全積分單元C3D20。

CT試樣的材料為7075鋁合金，彈性模量為71.0MPa，泊松比取0.3，屈服強(qiáng)度為455MPa。

損傷演化準(zhǔn)則應(yīng)用Paris公式，將疲勞損傷試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到Paris公式中的材料常數(shù)，其中C值為C=3.37 497×10-12，n值為n=3.16 806，da/dN的單位為mm/cycle，應(yīng)力強(qiáng)度因子單位為MPa√mm，在計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)，采用VCE（虛擬裂紋擴(kuò)展）方法[4]計(jì)算能量釋放率，并應(yīng)用平面應(yīng)變假設(shè)導(dǎo)出應(yīng)力強(qiáng)度因子。

在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，CT試樣通過(guò)夾具固定于試驗(yàn)機(jī)，在有限元模型中，分別在兩個(gè)加載孔中心建立了參考點(diǎn)（Reference Point），參考點(diǎn)與兩個(gè)圓孔的內(nèi)表面進(jìn)行耦合。疲勞載荷峰值大小為3.2kN，載荷比為0.1，施加于兩個(gè)參考點(diǎn)上，加載方向?yàn)榇怪庇趽p傷面;位移邊界條件同樣施加于參考點(diǎn)上，約束與加載方向垂直的兩個(gè)方向的平動(dòng)位移，如圖8所示。

經(jīng)計(jì)算，在疲勞載荷作用下，損傷的演化情況如圖9所示，由圖9可見(jiàn)，損傷損傷后出現(xiàn)了一定的弧度，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是相符的。損傷最深點(diǎn)最由初始的11.5mm損傷至35.45mm。

為通過(guò)斷裂韌度得到臨界損傷尺寸，可按照斷裂韌度對(duì)損傷尺寸與應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化關(guān)系進(jìn)行插值。斷裂韌度試驗(yàn)值為28.85MPa√m，即912. 32MPa√mm。

應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著損傷尺寸變化的曲線如圖10所示，由圖10可見(jiàn)，當(dāng)損傷長(zhǎng)度較大時(shí)，應(yīng)力強(qiáng)度因子隨損傷尺寸會(huì)迅速增大。

5? 靜截面失效法計(jì)算臨界損傷尺寸

用靜截面失效法判定臨界損傷尺寸，在實(shí)施時(shí)較為簡(jiǎn)單，即求取截面的平均應(yīng)力，當(dāng)平均應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)即認(rèn)為試件失效。本次試驗(yàn)中的材料為7075鋁合金，其屈服強(qiáng)度為455MPa。載荷大小為3.2kN，當(dāng)平均應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度455MPa時(shí)，通過(guò)計(jì)算可得W-a=7.03mm，從而得到臨界損傷尺寸為32.97mm。

6? 分析與討論

在疲勞試驗(yàn)中，三個(gè)試件分別在損傷長(zhǎng)度為26.28mm、28.56mm和28.90mm時(shí)發(fā)生快速損傷演化，可將這一損傷長(zhǎng)度認(rèn)為是實(shí)際的疲勞載荷作用下試件的臨界損傷長(zhǎng)度，在此處取為三者的平均值27.91mm。通過(guò)斷裂韌度計(jì)算得到的臨界損傷長(zhǎng)度為26.40mm，而通過(guò)靜截面失效法得到的臨界損傷長(zhǎng)度為32.97mm。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，用斷裂韌度計(jì)算得到的臨界損傷長(zhǎng)度與試件實(shí)際發(fā)生快速損傷的損傷長(zhǎng)度接近，略小于實(shí)際發(fā)生快速損傷的臨界損傷長(zhǎng)度;而用靜截面失效法得到的臨界損傷長(zhǎng)度則大于實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)生快速損傷時(shí)的臨界損傷長(zhǎng)度，說(shuō)明如用靜截面失效法進(jìn)行臨界損傷尺寸的計(jì)算，其結(jié)果對(duì)于7075鋁合金來(lái)說(shuō)是偏危險(xiǎn)的。用于測(cè)定斷裂韌度的試驗(yàn)件與疲勞損傷損傷試驗(yàn)件相比，其厚度較大，需要保證試件的平面應(yīng)變狀態(tài)。而疲勞損傷損傷試件則相對(duì)較薄，其應(yīng)力狀態(tài)與斷裂韌度試件相比更接近平面應(yīng)力狀態(tài)。在此種條件下，應(yīng)用平面應(yīng)變假設(shè)計(jì)算得到的應(yīng)力強(qiáng)度因子與試件在試驗(yàn)中實(shí)際的應(yīng)力強(qiáng)度因子相比是偏保守的，因而此時(shí)用斷裂韌度求得的臨界損傷尺寸也偏保守。同時(shí)也應(yīng)注意到，7075鋁合金的屈服強(qiáng)度較高，這也是導(dǎo)致應(yīng)用靜截面失效準(zhǔn)則計(jì)算臨界損傷尺寸較大的原因。可以進(jìn)行合理的推測(cè)，對(duì)于屈服強(qiáng)度較小而斷裂韌度較大的材料，存在以下可能：用靜截面失效法計(jì)算得到的臨界損傷尺寸會(huì)偏保守。通常，對(duì)于韌性較好的材料，其斷裂韌度很大，僅進(jìn)行強(qiáng)度分析即可。

7? 結(jié)論

對(duì)于板殼等薄壁構(gòu)件，進(jìn)行臨界損傷尺寸的計(jì)算時(shí)，采用平面應(yīng)變假設(shè)下的應(yīng)力強(qiáng)度因子結(jié)果，并用平面應(yīng)變斷裂韌度作為臨界條件進(jìn)行計(jì)算，可以得到相對(duì)保守的結(jié)果。但對(duì)于韌性非常好的材料，其斷裂韌度值可能較大，因此進(jìn)行失效評(píng)定時(shí)，要綜合考慮構(gòu)件凈界面屈服情況與脆性斷裂。

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