[发明专利]一种车轴抗疲劳断裂分析方法

说明书

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。

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&lt;ΔKth，则该缺陷不会扩展，确定为缺陷休眠；若ΔKm&gt;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&lt;n&lt;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&lt;n&lt;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&gt;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；