[發明專利]一種車軸抗疲勞斷裂分析方法

在審

• 申請號: 201810015837.1
• 申請日: 2018-01-08
• 公開（公告）號: CN108334666A
• 公開（公告）日: 2018-07-27
• 發明（設計）人: 王玉光;李忠文;張振先;周平宇;馬利軍
• 申請（專利權）人: 中車青島四方機車車輛股份有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京元中知識產權代理有限責任公司 11223
• 代理人: 曲艷

本發明涉及一種車軸抗疲勞斷裂分析方法，包括以下步驟：步驟一，獲取車軸表面缺陷的形狀參數；步驟二，構建含有所述缺陷形狀參數信息的車軸虛擬模型；步驟三，根據車軸虛擬模型計算至少包含缺陷最深點的多個取樣點的應力強度因子范圍，并得到平均應力強度因子范圍ΔKm；步驟四，比較所獲取的平均應力強度因子范圍ΔKm與該車軸材料的裂紋擴展門檻值ΔKth的大小，若ΔKm<ΔKth，則該缺陷不會擴展，確定為缺陷休眠；若ΔKm>ΔKth，缺陷萌生裂紋發生擴展，則繼續執行下一步；步驟五，計算裂紋擴展至斷裂尺寸所需的加載循環次數，根據加載循環次數得到車軸的剩余使用時間或剩余使用里程。本發明能夠對車軸中出現的缺陷進行分析和預測，保以證列車運行的安全。

技術領域

本發明涉及疲勞損傷分析技術領域，尤其是一種車軸抗疲勞斷裂分析方法。

背景技術

當前高速列車空心車軸設計均基于傳統的安全強度設計理論，未考慮到實際材料和結構制造及運行中缺陷或裂紋的形成、演變特性及其局部應力放大效應，無法確保在給定壽命期內的服役安全性，成為高速列車共性基礎結構設計和長壽命服役的不確定性因素和重大隱患，也與當前輕量化設計和節能降耗的發展趨勢相違背。高速列車的使用過程中，腐蝕坑、飛石撞擊及非金屬夾雜等都有可能引起局部應力集中，進而產生微裂紋，但傳統的安全壽命設計理論卻沒有考慮這些缺陷的影響，當前科學技術仍然無法完全避免車軸中缺陷的存在，而一旦這些裂紋達到其臨界值，車軸將發生斷裂，并引發災難性事故。因此，如何在規定的檢修周期內預測出不發生裂紋的破壞性擴展，對于保證列車安全運行至關重要。

鑒于此提出本發明。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于斷裂力學理論和擴展有限元技術的車軸抗疲勞斷裂分析方法，能夠對車軸中出現的缺陷或裂紋進行分析和預測，保證車軸的安全運行。

為了實現該目的，本發明采用如下技術方案：

一種車軸抗疲勞斷裂分析方法，包括以下步驟：

步驟一，獲取車軸表面缺陷的形狀參數；

步驟二，構建含有所述缺陷形狀參數信息的車軸虛擬模型；

步驟三，根據車軸虛擬模型計算至少包含缺陷最深點的多個取樣點的應力強度因子范圍，并得到平均應力強度因子范圍ΔKm；

步驟四，比較所獲取的平均應力強度因子范圍ΔKm與該車軸材料的裂紋擴展門檻值ΔKth的大小，若ΔKm&lt;ΔKth，則該缺陷不會擴展，確定為缺陷休眠；若ΔKm&gt;ΔKth，缺陷萌生裂紋發生擴展，則繼續執行下一步；

步驟五，計算裂紋擴展至斷裂尺寸所需的加載循環次數，根據加載循環次數得到車軸的剩余使用時間或剩余使用里程。

進一步，所述步驟五包括，

第一步、根據裂紋閉合效應，將ΔKm值擴大n倍，其中1.1&lt;n&lt;1.5；

第二步、計算裂紋擴展增量Δa，并更新車軸虛擬模型中的缺陷尺寸；

第三步、重復步驟三，重新得到平均應力強度因子范圍ΔKm；

第四步、將第三步得到的ΔKm值擴大n倍，其中1.1&lt;n&lt;1.5，并判斷n·ΔKm是否大于材料固有的斷裂韌性Kmat，若大于則判斷車軸已破壞；若小于則得到一次加載循環次數，并返回至第二步，循環執行，直到滿足n·ΔKm&gt;Kmat，計算結束，得到總的加載循環次數。

進一步，在步驟五中，裂紋擴展增量Δa的計算公式為：

Δa＝ΔN·da/dN

式中，

da/dN：裂紋擴展速率；