[发明专利]一种车轴抗疲劳断裂分析方法

权利要求书

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。