（车辆工程专业论文）重载列车钩舌疲劳裂纹萌生与扩展特性研究.pdf

确7 8 9 0 3 摘要 随着我国铁路运输向高速和重载方向发展，列车纵向冲力急剧增加， 车钩钩舌断裂问题十分突出，已严重影响到运输安全和效益。因此，研究 钩舌在提速、重载条件下的疲劳断裂和极限承载能力问题具有重要的工程 意义。本文以我国重载列车普遍使用的1 7 号车钩钩舌为研究对象，对其 进行了有限元应力分析，根据实测车钩载荷谱计算了钩舌钩腕面的裂纹萌 生寿命，并采用断裂力学方法计算其裂纹扩展寿命，并根据铸造缺陷水平 预估了其极限承载能力。 本文主要作了以下四个方面的工作： 1 钩舌有限元应力分析。根据实际钩舌尺寸，采用大型有限元分析软 件a n s y s 建模、加载计算。结果表明，危险部位应力较大并且和实际服役 中的钩舌产生裂纹并破坏的部位一致。 2 计算钩舌的裂纹萌生寿命。由于发生破坏的部位应力很大，超出其 屈服极限，因此结合车钩载荷谱编制应力谱并采用局部应力应变方法计 算在不同缺陷水平下的裂纹萌生寿命。 3 计算裂纹扩展寿命。根据钩舌材质的特点，它在裂纹萌生后不会立 即断裂破坏，还要有一段裂纹扩展过程，因此，采用断裂力学方法计算其 裂纹扩展寿命。由于钩舌形状的不规则性，本文还分别采用应力法计算了 钩舌钩腕面裂纹尖端的应力强度因子。 4 计算钩舌极限承载能力。采用弹塑性有限元法计算不同缺陷水平下 的钩舌极限承载能力。 关键词：钩舌，裂纹萌生寿命，应力强度因子，扩展门槛值，裂纹扩展 寿命 a b s t r a c t 、t ht h ed e v e i o p m e n to f r a i l w a yt r a n s p o r t ，t h ep o n r a i tw a l l o po f 仔e i g h t w a g o ni n c r e a s e dr 印i d l yt h ep r o b l e mo fc o u p l e rk i l u c k l ec r a c kh a sb e e n s e r i o u s nh a si n n u e n c e dt h es a f e t ya i l db e n e f i to fr a i l w a y ”a n s p o ns oi th a s g r e a ts i g n i f i c a n c et or e s e a r c ht h ep r o b l e mo ff a t i g u ef b c t u r ea n du l t i m a t e c a r r y i n gc 印a c “yo fc o u p l e rk n u c k i eu n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g h e r _ s p e e da n d h i 曲e r - 1 0 a d t h eo b j e c tr e s e a r c h e di nt h i sp 印e ri sn o 1 7c o u p l e rk n u c k l eo n w h i c ha r eu s e du n i v e r s a l l yh e a v y - 1 0 a dw a g o no fo u rc o u m r y i th a sb e e n a n a l y z e du n d e rs t e a d yl o a du s i n ga n s y s ，i t sg e 瑚i n a l i o n1 j f ei sa l s ob e e n c a l c u l a t e db a s i n go nc o u p l e rl o a ds p e c t i u m a n di t s 口o w t h1 i f ci sa l s ob e e n c a l c u l a t e db yu s i n gf r a c t u r em e c h a n i c sm e t h o d b a s e do nt h el e v e lo f f o u n d e db u go nc o u p l e rk n u c k l e ，t h eu l t i m a t ec a h 研n gc a p a c i t yh a sb e e n e s t i m a t e di na d v a n c e t h ec o n t e n t so f t h j sp a p e fc 8 nb es u m m a r i z e da sf 0 1 l o w s ： 1 n i t ee i e m e n ta n a l y s i s t h em o d e lo ft 1 1 i sc o m p o n e n th a sb e e n c o n s t i t u t e da c c o r d i n gt oi t se m i t y ，w h i c hi su s e di na c t u a l1 0 c o m o t i v eb y u s i n ga n s y s f r o mt h ec 乱c u l a t i o nt e s u l t sw ec 柚o b t a i nt h a tt h ep a r tw i t h t 1 1 eh i 曲e s ts t f e s si sm es a m ep a nw h e r ec r a c kh a sh 印p e n e di na c t u a ls e n ，j n g o f t h i sc o m p o n e n t 2 g e r m i n a t i o ni i f ec a l c u l a t i o i i lt h i sp a p e r ，m el i f ea td i f f e r e n tl e v e l o fb u gw a sc a l c u l a t e db yu s i n gl o c a ls t r e s s s t r a i nm e t h o db a s i n go nt h c c o u p l e r1 0 a ds p e c t r u mb e c a u s eo fi t s1 0 c a lh i g hs t r e s s a n dw ec a ng e tam o r e p r a c “c a l1 i f ei f w eh a v eas a f c t yc o e m c i e n i 3 g r o w t hl i f ec a l c u l a t i o n a c c o r d i n gt oi t sm a t e r i a l ， t h e 丘a c t u r ew i l l n o th a p p e nj u s ta r e rm ea p p e a r a n c eo fi t sc r a c ka n dt h e r cw i l lb eap e r i o do f i 北京交通大学硕士学位论文 t i m eb e f o r ei t sf i a c t u r e i nt 王l i sp a p e ri t s 粤d w t hl i f ei sc a l c u l a t e db yu s i n g f r a c t u r em e c h a i l i c sm e m o d a n db e c a u s eo fi t sa b n o r r n i t y ， t h es t r e s s i n t e n s i t yf a c t o r a tt h et i po ft 1 1 ec r a c kh a sb e e nr e s p e c t i v e l yc a l c u l a t e db y u s i n gc o n c e m e df o n n u l a 趴dm es t r e s sm e t h o d 4 u l t i m a t ec a r r y i n gc a p a c i t yc a l c u l a t i o c a l c u l a t e dt h eu l t i m a t e c a i t y i n gc a p a c i t ya td i f f b r e n tb u g1 e v e lb yu s i n ge l a s t i c i t y - p l a s t i c i t ye l e m e n t m e t h o d k e y w o r d s ：c o u p l e rk n u c k l e ， g e n i n a t i o n1 i f e ， s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r c r a c km r e s h 0 1 dv a l u e ， g r o w t hl i f e 第章绪论 第一章绪论 1 1 疲劳问题的发展历史及研究现状 工程设备中，长期承受随机载荷构件的疲劳破坏高达7 0 到9 0 。小到 螺丝钉的断裂，大到桥梁倒塌、飞机失事、钻井平台倾覆、高速列车出轨， 都有疲劳破坏的先例。疲劳破坏具有突然性，事先没有很明显的征兆，这 样造成的损失非常巨大。因此，从1 9 世纪3 0 年代开始，理论界和工程界 一直都在研究疲劳破坏的机理及防治对策。 自从德国工程师a w h o l e r 为解决断轴问题，实验测定第一条s n 曲线 开创现代疲劳研究以来，对于材料和结构疲劳行为的研究已有近1 5 0 年的 历史，研究成果不断丰富1 。 w h 0 1 e r 在1 8 7 1 年发表的论文中，系统论述了疲劳寿命与循坏应力的 关系，提出了s n 曲线和疲劳极限的概念，确定了应力幅是疲劳破坏的主 要因素【”。g e r b e rw 在1 8 7 4 年研究了平均应力对疲劳的影响，提出了表 达极限应力幅c r o 和平均应力盯。之间关系的抛物线方程。1 8 9 9 年，英国人 g 。o d m a n 对疲劳极限图进行了简化，提出了著名的简化曲线g o o d m a n 图， 此图至今仍在广泛应用。b u s q i u n 首先提出了指数形式的s n 曲线方程， 从而奠定了常规疲劳设计的基础。1 9 0 3 年e w 订n gj a 和h u 【l f e r yj c w 通过微观研究，指出了疲劳破坏是由与单调变形相类似的滑移所产生的。 1 9 1 0 年b a i r s t o w 研究了循环载荷下应力一应变曲线的变化，测定了迟滞回 线，建立了循环硬化和循环软化的概念，并且进行了程序疲劳试验。对于 变幅载荷下疲劳寿命的研究，1 9 2 4 年p a l m g r e n j v 首先提出了线性累积 损伤理论。1 9 4 5 年m i n e rm a 在对疲劳累积损伤问题进行大量实验的基础 上，根据能量原理对累积损伤原理进行了理论推导，形成了p a l m g r e n m i n e r 第1 页 北京交通火学硕士学位论文 线性累积损伤法则( 简称m i n e r 法则) 。尽管人们对疲劳累积损伤理论还在 不断进行探索，并提出了很多非线性计算方法，但m i n e r 法则由于其计算 简单，至今仍被广泛应用。 由于疲劳寿命的离散性，人们开始从确定模型的研究转入概率模型的 研究。1 9 4 7 年美国f r e u d e n t h a l 教授首先建立了用于静强度可靠性设计的 应力强度干涉模型。疲劳可靠性设计就是把静强度可靠性设计的理论 应用于疲劳设计中，只是用疲劳寿命n 次循环下的疲劳强度代替静强度。 1 9 4 9 年，w e i b u l l w 发表了著名的对疲劳试验数据进行统计分析的方法。 1 9 5 9 年p o p ej a 指出疲劳实验的寿命数据符合对数正态分布。1 9 6 1 年 s t u l e nf b 等人在机械设计中考虑了材料疲劳极限的概率分布。 以上研究的重点均针对高周疲劳问题，对于大应变的低周疲劳问题， 1 9 5 4 年美国航空和航天管理局研究所的m a n s o ns s 和c o f f i nl f 在大 量疲劳实验的基础上，提出了表征塑性应变范围与疲劳寿命问关系的 m a n s o n c o f f i n 方程。1 9 6 1 年n e u b e rh 开始用局部应力应变研究疲劳寿 命，得出了描述缺口非线性应力一应变特性的n e u b e r 定律。后由m a n s o n s s 、d o l a nt j 、t o p p e rt h 、w e t z e lr m 和m o r r o wj 等人做了进 一步研究。1 9 7 1 年w e t z e lr m 建立了用局部应力应变分析方法估算零部 件疲劳寿命的方法，形成了今天的裂纹形成寿命计算方法。 断裂力学的发展使得裂纹扩展寿命的研究得到突破性的进展，最有代 表性的是p a i r sp c 提出的裂纹扩展速率公式，给疲劳研究提供了一个估 算疲劳裂纹扩展寿命的新方法，在此基础上发展了损伤容限设计，从而使 断裂力学和疲劳这两门学科逐渐结合起来。随着电子显微镜的出现，人们 开始将宏观与微观分析结合，对材料和结果的疲劳机理进行深入研究。 尽管如此，由于随机载荷的不规则性、疲劳寿命的离散性及影响实际 结构疲劳寿命因素的复杂性，导致了迄今为止仍不断有由于疲劳断裂而造 第2 页 第一章绪论 成的重大以至灾难性事故发生。正因为如此，疲劳问题至今仍引起人们的 极大兴趣，对于像机车车辆承载件这样大型复杂结构，在随机载荷下对其 疲劳寿命进行深入细致的理论和试验研究，以寻求可靠性疲劳设计计算方 法，不仅具有重要的理论意义，而且具有实际应用价值”。 1 2 断裂力学的产生与发展 1 2 1 断裂力学的内容 断裂是构件重要的失效形式之一。很多事故，甚至重大事故多是由构 件的断裂所引起的，因而历来引起人们的重视。 影响材料断裂的因素很多，如构件的形状祁尺寸，载荷的特征及分布， 构件材料本身的状态及应用的环境温度、腐蚀介质等，当然更重要的还有 材料本身的强度水平。 为了防止构件的断裂或变形失效，传统的安全设计思想主要立足于外 加负荷与使用材料的强度级别的选用，根据常规的强度理论，只要构件的 服役应力与材料的强度满足 叮。sj 卺 c 对低塑性材料， 。，一， i 去 ( 对蛆性材料) 则认为使用是安全的。其中，。为构件所承受的最大应力；，吼分别为 材料的强度极限和屈服极限强度；k 、托分别为按强度极限与按屈服强度 取用的安全系数，多年来这种设计思想在工程设计中发挥了主要作用，但 是近半个世纪来，随着生产的发展，各种设备、结构的大型化，随着航空 航天技术的进步，激发了对高强度材料、超高强度材料的需求，许多按常 第3 页 北京交通大学硕士学位论文 规设计思想设计出来的合乎常规标准的设计构件常常发生断裂事故。 这种低应力脆断事故充分暴露了传统强度理论的局限性。这一局限性 是由于传统强度理论把材料看作是均匀、连续的理想固体，而忽略了材料 内部不可避免的存在着诸如夹杂、汽孔、裂纹等初始缺陷的事实。大量的 灾难性事故，正是由于上述初始缺陷在一定外部条件下迅速扩展造成的。 为了弥补常规强度理论的不足，近几十年来，通过力学工作者的大量深入 研究，逐步形成了一个研究含裂纹体的裂纹扩展规律的新力学分支断 裂力学】。 结构常常因为存在裂纹或裂纹状的缺陷而在远低于结构材料屈服应力 的加载条件下发生破坏，这种破坏表明：仅用常规的结构强度分析无论做 得怎样精确都不能充分保证结构在运行状况下的完整性。 为了研究玻璃、陶瓷等脆性材料的实际强度比理论强度低的原因， g r i f f i t h 提出了在固体材料中或在材料的运行过程中产生裂纹的构想，计 算了当裂纹存在时，板状构件中应变能的变化进而得出了一个十分重要的 结果： 以= 常数( 卜2 ) 其中，盯是裂纹扩展的临界应力，为裂纹半长度。该理论十分成功地揭 示了玻璃等脆性材料的开裂现象，但应用于金属材料并不成功，又由于当 时金属材料的低应力破坏事件并不突出，所以在很长的一段时间里没有得 到人们的重视。 e o r o w a n 在分析了金属构件的断裂现象后对g r i f f i t h 公式提出了修 f ，他认为产生裂纹所释放的应变能不仅能转化为表面能，也应转化为裂 纹前沿的塑性应变功，而且由于塑性应变功比表面能大很多，以至于可以 不考虑表面能的影响，其提出的公式为： 第4 页 第一章绪论 盯，石：( 掣) ；：常数 ( 1 3 ) 吒叫口2l _ j 2 吊裂 l l jj o r o w a n 公式虽然有所进步，但认为超出经典的g r i f f i t h 公式的范围， 而且同表面能一样，形变功u 也是难以测量的，因而该公式仍难以实现工 程上的应用。 断裂力学理论的重大突破应归功于i r w i n 应力场强度因子概念的提 出，以及以后断裂韧性概念的形成。i r w i n 应用了解平面问题的一个应力 函数求解了带穿透裂纹的空间大平板两向拉伸的应力问题，并引入了应力 场强度因子k 的概念，随后又在此基础上形成了断裂韧性的概念，并建立 起测量材料韧性的实验技术，从而奠定了线弹性断裂力学的基础。 1 2 2 断裂力学研究目的 按照断裂力学的观点，结构中难免会出现裂纹或是类似裂纹的缺陷。 它们可能是材料中固有的缺陷或是加工、使用中产生的。断裂力学研究的 目 7 1 的就是控制这些已经存在的裂纹或缺陷不再扩展，或者有扩展但在结 构使用期限内扩展的程度不致影响结构的安全性。断裂力学应用于起裂控 制，是断裂力学应用的重要方面。起裂控制并不意味着裂纹完全不扩展。 它是以控制裂纹尺寸不达到临界尺寸，因而不产生失稳扩展为目标的，它 允许裂纹缓慢而有限度的扩展。 断裂力学运用弹性及塑性力学的方法研究裂纹尖端的应力场，并由此 分析裂纹扩展的条件和规律，因而有着坚实的理论基础。它所提出的断裂 韧度、裂纹扩展速率等指标能够用来定量的预计临界的裂纹尺寸和构件的 寿命，这是传统的韧性指标所做不到的。 固体的断裂可分为脆性断裂和韧性断裂。材料从受力变形开始一直到 断裂，从宏观看，均保持线弹性的称为脆性断裂。线弹性断裂力学主要研 第5 页 北京交通大学硕士学位论文 究的就是脆性断裂的规律。目前线弹性断裂力学己经发展的比较成熟，在 生产中已经得到应用。 在裂纹或缺陷的周围不存在大塑性屈服区时，用线弹性材料物理模型， 按照弹性力学方法，研究含裂纹弹性体内的应力分布，给出描述裂纹尖端 应力场强弱的应力强度因子k ，并由此建立裂纹扩展的临界条件，处理工 程问题，人们把这个方面的研究称为线弹性断裂力学【8 j 。 断裂力学包括线弹性断裂、弹塑性断裂和断裂动力学等，这三个部分 几乎是同时开始研究的。由于线弹性理论分析较成熟，所以建立在线弹性 力学基础上的线弹性断裂力学得到迅速发展，从而建立起了一套系统的完 整的理论体系。1 9 4 8 年，g r 1 r w i n ( 欧文) 发表了他的第一篇经典的文章， 将a a g r i f f it h 的理论推广，用于金属和其它的工程材料。1 9 5 5 年，他 又提出应力场强度观点，当表示裂纹尖端应力场强度的应力强度因子达到 临界值( 即材料的断裂韧度) 时，就发生断裂，这就是应力强度因子断裂准 则。该准则与g r i f f i t h 能量准则构成了线弹性断裂力学的核心内容。在这 领域里的主要研究方向是三维问题、表面裂纹问题、各向异性体问题等， 确定应力强度因子的理论计算和实际测量方法一直是人们关心的问题之 一一n 1 3 选题意义 产品的疲劳寿命是现代设计的一个重要指标，随着市场竞争的日趋激 烈，产品的寿命对用户来说越来重要。有资料表明，机械结构的疲劳破坏 占机械结构失效破坏的8 5 以上。1 9 8 2 年美国政府委托b a t t e l l e 实验室调 查统计，结果是因机械设备疲劳寿命设计不当造成的事故损失占国民经济 总值的4 4 ( 约1 1 9 0 亿美元) ，应用当前的疲劳技术可能将这些损失降低 近3 0 ( 约3 5 0 亿美元) ，利用当前和将来的疲劳研究成果还可能将损失再 第6 页 第一章绪论 降低2 5 ( 约2 8 0 亿美元) | 9 l 。 车钩钩舌是货物列车中最重要的承载件之一，它直接关系着列车的运 行安全和可靠性，因此，国内外铁路运输部门对车钩的强度都有一定的要 求。但是由于铁路运输不断向高速和重载方向发展，车辆的纵向牵引及冲 击载荷大幅度增加，钩舌的性能已越来越难以满足现代铁路的要求，其接 触面摩擦磨损严重，返修率极高，严重地制约了铁路运输的发展。防止货 物列车分离事故的发生是铁路货运向重载、高速发展的同时必须急待解决 的一个重要问题。 钩舌实际工作状况如图1 1 所示。由图看出，在工作过程中钩舌不仅 要受到另一个与之配对钩舌的强烈冲击，而且在列车运行过程中还要受到 来自这个钩舌的摩擦磨损。在石家庄车辆厂钩舌修理车间，我们观察到许 多需要补焊和已经报废的钩舌，使用效率很低，工作中存在的隐患较大。 图1 1 钩舌工况图 众所周知，裂纹是一种不完全的断裂缺陷，它的存在减小了材料的有 效承载面积，是导致材料失效的最直接原因。根据车钩的运用调查统计资 料钩舌的报废总数中有9 7 4 属疲劳裂纹超限所致，且其寿命比钩体低( 钩 第7 页 北京交通大学硕士学位论文 舌平均寿命为2 4 5 a ，钩体为2 8 4 a ) ，故以钩舌作为研究对象“。 本文研究的对象是e 级钢1 7 号钩舌，这是一支能够由国外引进的新结 构的钩舌，采用e 级钢铸造，强度比b 级钢和c 级钢要高，众所周知，材 料的强度越高，其断裂韧性越低，而疲劳寿命与断裂韧性有很重要的关系， 因此，开展钩舌裂纹萌生与扩展特性研究、确定极限载荷不仅对现有钩舌 的生产与使用有很大的指导意义，而且对今后钩舌在材料与性能上的改进 与提高也可提供可靠的理论依据和技术参考。 1 4 本论文研究的内容 为了研究钩舌的疲劳裂纹形成和扩展寿命，确定极限载荷，我们需要 根据实际的载荷情况来进行分析，本论文的研究内容包括： 1 根据钩舌实际尺寸建模，模拟裂纹的几种实际情况，用a h a i r 公司的 典型软件h y p e r m e s h 建立钩舌有限元模型，采用大型有限元分析软件a n s y s 对钩舌进行静应力分析。 2 计算钩舌裂纹萌生寿命。 使用局部应力一应变法根据钩舌的材料特性与车钩载荷谱计算。 3 估算裂纹扩展寿命。 a 裂纹尖端应力强度因子的确定： 先根据己有的规则模型的应力强度因子的公式，假定一个形状系数， 再根据a n s y s 分析出的实际应力结果，拟合出系数，进而得到整个表达式。 b 裂纹扩展寿命的确定： 采用p a r i s 公式，分析裂纹扩展到规定的临界裂纹尺寸时的裂纹扩展 寿命，并考虑裂纹闭合效应。 4 确定钩舌极限承载能力。 采用断裂力学方法，确定不同裂纹尺寸下钩舌的极限承载能力。 第8 页 第二章钩舌有限元应力分析 第二章钩舌有限元应力分析 2 1 有限单元法的基本概念 有限元法是一种采用电子计算机求解结构静、动态力学特性等问题的 数值解法。在机械结构的动力学分析中，利用弹性力学有限元法建立结构 的动力学模型，进而可以计算出结构的固有频率、振型等模态参数以及动 力响应( 包括响应位移和响应应力) 。由于有限元法具有精度高、适应性强 以及计算格式规范统一等优点，所以在短短5 0 多年间已广泛应用于机械、 宇航航空、汽车、船舶、土木、核工程及海洋工程等许多领域，已成为现 代机械产品设计中的一种重要工具。特别是随着电子计算机技术的发展和 软、硬件环境的不断完善以及高档计算机和计算机工作站的不断普及，现 有许多著名的有限元程序如( a n s y s 、a n d i a 、n a s t r a n 、s a p 等) 可用，从而 为有限元法在机械结构动态设计中的推广应用创造了更为良好的条件，并 将展示出更为广阔的工程应用前景【1 4 】。 有限元法的基本思路i “j 是：把很复杂的结构拆分为若干个形状简单 的单元，这些单元一般要小到可以用简单的数学模型来描述特性参数在其 中的分布，这步骤称为离散；通过对单元的研究来建立各特性参数之 间的关系方程，这一过程称为单元分析。在弹性力学中，单元分析的任务 是：建立联系应变与节点位移之间的关系，以及把作用在单元中间的外载 荷转化为节点载荷；在单元分析基础上，利用平衡条件和连续条件，将 各个单元拼装成整体结构。对整体在确定边界下进行分析，从而得到整体 的参数关系方程组，即矩阵方程，这过程称为整体分析：解这样的矩 阵方程，即可得到各种参数在整体结构中的分布。 第9 页 北京交通大学硕士学位论文 2 2 钩舌模型的建立 钩舌的形状非常不规则，所以建立钩舌模型时是比较困难的，建模必 须采用高级三维建模软件。因为有限元分析的网格模型并不同于一般c a d 的建模，其网格单元必须要完整的连接，不能出错，否则会漏掉单元，从 而导致模型不完整而出错。 将结构简化后绘制模型，如图2 一l 所示。 2 3 网格的划分 图2 1 钩舌模型 采用有限单元法对钩舌建立有限元模型，建模时要特别注意钩舌容易 产生裂纹的部位，为了提高计算精度，对不同的部位设定不同的单元大小 及单元类型，特别是对在实际检修中出现裂纹的部位进行局部的细划。 第1 0 页 第二章钩舌鸯鞭露旋为分耩 2 3 1 等参元概念简介 划分网格的时候，瑟考虑至6 裂纹的实琢愦况，由于裂纹前绦容易产生应 力祭中，嚣善逶戆，k 繁点s 。l i 薛5 摹嚣，蜜象产生应力鸯雾，结果导致斑 力结果不准确，因此浠采用带有中间结点的等参元s o l i d 9 5 牮元。下图显 示的是两种单元的区别【1 4 】 ( b ) ( b ) s o l i d 9 5 单元 图2 2 划分网格的两种单元 第i i 甄 蕊。够娜冠每露察 北京交通大学硕士学位论文 2 3 2 几种裂纹分布的有限元模型 在车钩的厂修统计中，钩舌内侧面裂纹是车钩报废的主要原因，占报 废总数的9 7 2 7 ，还有部分裂纹产生在钩舌内侧面的边界部位，下图是实 际检修中发现的裂纹分布情况。 图2 3 裂纹实际分布 箭头a 是钩舌典型表面裂纹，箭头b 所示的近似线状裂纹在钩舌失效 分析过程中也是很常见的。该处是钩舌表面的端部，不仅存在较大的应力， 第1 2 页 第二章钩舌有限元应力分析 而且该处也是铸造缺陷容易存在的地方。观察中发现，在离此裂纹垂直方 向几毫米处通常有肉眼可见的大块夹渣物，降低了该处的强度从而产生了 裂纹。同时还发现即使在不存在铸造缺陷的情况下也会产生如图所示的裂 纹形貌，这充分说明钩舌本身“结构上的缺陷”也会造成很大的应力集中， 当钩舌表面总的拉应力值达到或超过表面极限强度时，就会导致产生裂纹。 这样在被反复冲击和摩擦磨损的过程中裂纹会不断扩展，扩展的方向一般 是垂直于主应力的方向【1 ”。 根据钩舌裂纹的实际分布情况，本文模拟了钩舌内侧面即中间部位两 处表面裂纹及边缘部位的一种角裂纹。根据钩舌实际的尺寸，宽度约为 3 0 0 m m ，因此对待容易产生裂纹的部位采用等参元s o l i d 9 5 ，单元尺寸选为 3 唧，其余部分用s o l i d 4 5 单元，单元尺寸定位1 0 m 。钩舌钩弯面上裂纹 的形状为椭圆形表面裂纹及角裂纹，首先使用p r o e 软件模拟一组相同外 形椭圆形裂纹其长短轴之比a c = o 6 ，但其中的裂纹长度各不相同，裂纹 长度分别为3 m m 、6 m m 、9 唧。再应用h y p e r m e s h 对其进行网格划分，倒入 a n s y s 效果如图，下图即为a = 6 m m 时各种裂纹的有限元模型。 ( a ) 正中位置裂纹及有限元模型 第1 3 页 北京交通大学硕士学位论文 ( b ) 偏中位置裂纹及有限元模型 ( c ) 角位置裂纹及有限元模型 图2 - 4 钩舌6 r n m 裂纹不同位置的有限元模型 2 4 钩舌加载计算 对钩舌进行加载计算，取拉伸载荷1 0 0 t 施加在牵引载荷作用区上，且 平行于钩舌的纵向中心线，向钩舌外部作用。支点在钩舌销孔上，约束钩 锁面不让钩舌产生旋转，钩舌的上下牵引台平均分配、均布承受载荷的反 作用力【”。 施加约束后的钩舌模型如图2 5 所示。 第1 4 页 第二章钩舌有限元应力分析 图2 5 钩舌载荷分布 为了便于比较，本文对两种材料的钩舌分别进行计算。 新型钩舌采用e 级钢( z g 2 5 m n c r n i m o ) 铸造，其化学成分列表2 1 。 表2 1e 级钢钩舌化学成分 元素 c simnps cr nim0cu 试样成分 0 2 4o 2 9l - 2 00 0 2 8o 0 3o 4 60 0 60 2 5o 1 4 a a r 技术 条件 03 21 5 01 8 50 0 4o ，0 4 m 一2 0 l 一8 4 热处理工艺：正火( 预处理) + 调质处理；金相组织为回火索氏体。 其常规力学性能如表2 2 ，由齐齐哈尔车辆厂提供。 表2 2e 级钢钩舌力学性能指标 性能指标 c r 6 ( m p a ) 吒( m p a ) 玩( ) 甲( ) 实验结果 8 5 0 7 5 5 1 84 4 a a r m 一2 0 1 8 48 3 06 9 0 1 4 3 0 第1 5 页 北京交通大学硕士学位论文 c 级钢材料成分及性能如表2 4 ，2 5 表2 ，4c 级钢的钩舌化学成分 c 兀系 csi mnpscr nimo u 试样成 分 o 2 60 4 01 2 60 0 1 70 0 1 90 4 20 4 4o 2 3o 2 标准范 02 20 2 01 2 004 00 3 50 2 0 围 o 0 4 00 0 4 00 3 o 2 8o 4 0l5 00 6 0o 5 50 3 0 表2 5c 级钢钩舌力学性能指标 性能指标 ( m p a ) 盯( m p a ) 坑( ) 甲( ) 实验结果 5 4 35 5 02 35 7 a a r m 一2 0 l 一8 44 5 04 1 42 24 5 计算中使用的有关材料参数如下： 弹性模量： e = 1 7 4 1 0 5 m p a 泊松比： v = o 3 材料密度：p = o 0 0 0 7 8 k g m m 3 对三种位置的裂纹进行有限元计算，得出v o nm i s e s 应力云图如图 2 6 ( a ) ( b ) ( c ) 所示。 第1 6 页 第一二章钩舌有限元应力分析 ( a ) 正中位置裂纹应力云图 ( b ) 偏中位置裂纹应力云图 第1 7 页 北京交通大学硕士学位论文 ( c ) 角位置裂纹应力云图 图2 66 r m 裂纹不同位置应力云图 上顽所示三张图没有把所有尺寸的裂纹情况全部列出来，这里只想显 示三种裂纹情况下在受载1 0 0 t 时钩腕面上应力的分布。可以看出最大的等 效应力均超过了c 级钢及e 级钢的屈服强度，且裂纹处于偏中位置时其应 力最大，因此钩舌的破坏属于高应力破坏，对于高应力、低周疲劳的寿命 计算，根据疲劳分析方法及应用介绍，宜采用局部应力一应变法来计算 裂纹的萌生寿命，因此在本论文的计算中，采用的是局部应力一应变法。从 计算结果也可以看出，在局部细画网格后，应力最大部位( 危险部位) 和实 际检修中产生裂纹的部位是一致的。 第1 8 页 第三章钩舌疲劳裂纹萌生寿命计算 第三章钩舌疲劳裂纹萌生寿命计算 3 1 概述 3 1 1 疲劳寿命计算概述 在复杂疲劳载荷的作用下的疲劳寿命计算是一个十分困难的问题。因 为要计算疲劳寿命，必须有精确的载荷谱，材料特性，合适的累积损伤理 论，合适的裂纹扩展理论等，同时还要把一些影响疲劳寿命的主要因素考 虑进去，要作到这一点，目前还十分困难。因此，目前国内外的疲劳寿命 计算，都还没有十分精确的方法，只能作到估算或者说预算。 疲劳破坏过程大致经历着四个时期7 1 ，即疲劳成核期、微观裂纹增长 期、宏观裂纹扩展期以及最后断裂期。在工程实践中，又常常把这四个时 期综合为两个阶段，也就是疲劳裂纹形成阶段和疲劳裂纹扩展阶段。裂纹 形成阶段包括疲劳裂纹成核期和微观裂纹增长期，疲劳裂纹扩展阶段包括 宏观裂纹增长阶段和最后断裂阶段。 早期的疲劳寿命，是指构件在循环载荷的作用下，从开始加载到出现 眼睛可见裂纹这一历程，也就是说，早期人们认为一个结构件，只要出现 眼睛看得见的裂纹，就认为构件达到寿命了。后来发现许多构件出现了眼 睛可见的裂纹后，并不马上破坏，构件还能承受一定时期循环载荷的作用， 有的甚至可以经历很长的时间，所以提出新的疲劳寿命概念。这新的寿命 概念认为，疲劳寿命应该包括疲劳裂纹形成寿命和疲劳裂纹扩展寿命两者 的总和。疲劳寿命估算方法当然也就分成了裂纹形成阶段的寿命估算和裂 纹扩展阶段的寿命估算了。 本章首先进行疲劳裂纹萌生阶段的寿命计算。疲劳扩展寿命将在下章 叙述。 第1 9 页 北京交通大学硕士学位论文 3 1 2 疲劳裂纹形成阶段寿命估算方法选取 裂纹形成阶段的寿命估算又分为常幅加载和变幅加载两种方法 变幅载荷就是指载荷幅值随时间变化的载荷。在实际使用中，构件承 受常幅载荷的情况是很少的，绝大多数情况下，构件都是承受变幅载荷或 随机载荷作用的。 变幅载荷下疲劳寿命估算方法有下列几种9 1 。 a 名义应力法 名义应力法实际上是一个传统的安全疲劳寿命估算法。所谓名义应力， 就是指缺口试样或要计算的结构元件的载荷，被试样的净面积所除得到的 应力值，也就是该面积上平均分布的应力值。 一般地说，构件或结构的实际破坏，往往是从结构内部或表面具有应 力集中的部位开始的。从理论上来讲，应该用缺陷部位的局部应力来进行 结构的疲劳寿命估算。但是这样做有较大的实际困难。因为缺陷往往是随 机分布的，缺陷的尺寸和部位对各种结构也是变化的，再加上残余应力的 作用，使问题变得复杂。我们在作损伤计算和寿命预计时，不可能对每一 缺陷部位的应力或应变水平都进行理论分析和实际测量。因此，不少人就 采用名义应力法去估算疲劳寿命。 用名义应力法估算疲劳寿命的步骤为： ( 1 ) 确定结构中的危险部位； ( 2 ) 确定疲劳载荷谱和试验应力谱； ( 3 ) 建立对应于各应力谱的s 州曲线： ( 4 ) 选取合适的累积损伤理论； ( 5 ) 选取疲劳寿命的分散系数( 国内多数研究取分散系数为4 ) 。 第2 0 页 第三章钩舌疲劳裂纹萌生寿命计算 b 局部应变法 疲劳寿命的估算，实际上往往需要处理复杂的几何形状和不规则的循 环载荷历史。局部应变法是这样一种方法，它把疲劳寿命的估算建立在最 危险的切口或其它应力集中部位的应力和应变的局部估算上。近几年来， 这种方法得到了较大的发展。 用局部应变法估算疲劳寿命的目的，就是用分析的方法代替各种试验 程序，减少实验工作量，节省试验费用。而且由于这种方法处理了复杂的 几何形状和不规则的循环载荷历史，考虑了局部地区的应力应变状态，因 此能得到较准确的疲劳寿命估算。 c 局部应力应变法 局部应力一应变法基于这样的假定：如果一个结构在危险部位处的应 力和应变能够与实验室光滑试样的循环应力和应变联系起来，那么结构的 疲劳裂纹形成寿命将和试样的疲劳寿命是相同的。 局部应力一应变法可用图3 1 概述： 图3 1 局部应力应变法示意图 第2 i 页 麓塞交逶大学疆圭擎经论文 用局部应力一应变法估算疲劳寿命的步骤是： ( 1 ) 输入一系列现场载荷或名义应变。这些现场载荷或名义应变是经 过数字转换成波峰或波褥系列的。 ( 2 ) 。稳焉 垂舔载麓一嶷交趋线将载麓一辩涸掰程转换鸯澎交一霹溺历程。 ： 香环载荷一应变曲线相溺于应力应变曲线，它可以在循环裁葡下铡量应变 的实验中得到，也可以用弹塑性有限元分析中求出。如果采用w e t 2 e l “有 效媳阵”法，就可将载荷历程转换为应变历程。 3 ) 。整鬟霹e t 2 e l “有效矩终”法结合簇繇应力一瘟交麴线，挺应变一拜雩 潮掰程转换为应力一附阀历程。 d n e “b e r 公式 利用n e u b e r 公式将名义应力应变转换为缺口根部应力应变【6 】。 考虑到钩舌钩腕疆上鼹受应力较大，箍铸造材料本身难以避免铸造缺 麓，它籍弓| 起鞍严羹静应力或瘟交集中，遮罨致麓辩在瘟力或瘦变集中区 域产生一定程度的塑性流动，成为疲劳源。机器或构件如果带商切口，切 口根部周围的应变就会大大提高，疲劳裂纹往往就是在这些地方形成。构 件的绝大部分地区仍处于弹性应变状态，然而切口根部却进入了塑性应变 状态。 若疲劳试样承受麓轴向加载的循环载葡，由于应力沈较高，所以试样 在每次循环中既出现于立伸，又出现压缩。试样的材料特性变化不同于原始 材料的特性。在循环几次以后，材料特性变化会慢慢稳定下来。开始几周， 软的念属材辩会循环磺化，瑟硬金藩材料剡会搪环较化。 摄据钩舌裂纹发生的位嚣和实际懿捡修数箍来看，钩蓄襞绞产生部位 应力较大，属于低周疲劳问题。而局部应力一廒变法适合于处理黼应力问题， 因此选用局部应力一应变法来进行这一阶段的寿命估算。这种方法把疲劳寿 命的估算建立在最危险的切口或其它应力袋中部位的应力和应变的局部估 第2 2 熨 第三章钩舌疲劳裂纹萌生寿命计算 算上。 3 2 选取钩舌载荷谱及其所用材料的疲劳特性 3 2 1 确定钩舌应力谱 货车种类较多，包括敞车、棚车、罐车等多种车型，研究表明，车钩 载荷的影响因素众多，包括以下几个方面 1 8 】： 车辆构造( 包括车辆型号、车钩型号、缓冲器型号、制动机型号等) ； 车辆使用( 包括周转期、运行时间、调车作业次数、货物作业次数 等) ； 列车运行( 包括运行速度、载货重量、线路状况、司机操纵技术、 运行调度、意外因素等) ； 调车作业( 包括编挂组数、冲击速度等) 。因此车钩载荷谱的确定也 是一项困难的工作。 国内外关于车钩载荷的报道不多，作为设计参考，仅有a a r 机务规程 给出了较为全面的敞棚漏斗车和罐车车钩载荷谱 1 9 】。本论文将参考这些载 荷谱，计算钩舌纵向疲劳载荷载荷谱作用下的疲劳寿命。 a a r 机务规程中9 0 7 吨漏斗车重车车钩载荷( 一般环境) 的线路环境事 件百分率谱，该载荷谱载荷循环总数为8 6 7 0 1 次、谱长为2 3 6 5 9 k m 、平均 每公里循环为3 6 2 次；9 0 7 吨漏斗车重、空车的车钩载荷( 恶劣环境) 的 线路环境事件百分率谱，该重车载荷谱载荷循环总数为2 4 1 8 0 次、谱长为 9 0 0 0 k m 、平均每公里循环为2 6 8 次；载荷谱详细请见文献 1 4 。载荷谱 应力幅值的单位是兆帕( m p a ) ，低应力出现的次数多，而高应力出现的次数 少。 第2 3 页 北京交通大学硕士学位论文 3 2 2 钩舌所用材料疲劳特性 国内已对c 级钢进行了大量疲劳试验，包括其应力一寿命曲线和应变寿 命曲线，但e 级钢的疲劳性能数据5 1 没有人做过。通过查阅美国m s c 公司 的m s c f a t i g u e 的疲劳分析软件中的材料疲劳性能数据，选择与e 级钢屈 服极限和强度极限相接近的国外铸钢，得出适用于e 级钢的循环应力一应变 曲线和应变一寿命曲线，发现他们基本相同，说明本计算所选用的e 级钢疲 劳性能数据是可靠的9 1 。 a 材料循环应力一应变曲线 应力一应变曲线上任一点的应变占均可表示为弹性占。与塑性s 。之和， 可将应力一应变关系写为： s = 占。+ 占，= 墨+ ( 三 “” c s 一。， 式中，k 为强度系数，单位m p a ；n 为应变硬化指数。 同一种材料，在恒幅对称应变循环下，随着循环次数的增加，同样的 应变幅下，应力幅不断的增大。大多数金属材料，再循环数达到一定次数 以后，仃一占献给应逐渐趋于稳定，形成稳态滞后环。 由不同应变横幅对称循环控制下的疲劳试验，可得到一组稳态滞后环。 将这些稳态环置于同一坐标内，各稳态滞后环地顶点的连线反映了不同应 变幅l 循环下的应力幅吒响应，由此所给出的吒一关系，称为循环 一吒曲线。 循环一乞曲线，可以仿照( 3 4 ) 式进行数学描述，即： s 。= t + 。= 詈+ ( ”“ c 。一s ， 式中，足。为循环强度系数，单位为m p a ；n 分别与循环应变硬化指数。是 第2 4 页 第三章钩舌疲劳裂纹萌生寿命计算 无量纲量。对于大多数金属材料，循环应变硬化指数n 值一般在o 1 o 2 之间。 循环应力一应变曲线给出得是不同应变幅 。控制下，循环稳定状态时 的应力幅盯。，它不仅反映实际盯一s 加载路径。反映加载路径的是滞后坏 曲线。其表达形式与循环应力一应变曲线相似。稳定的迟滞回线方程表示为： 址等+ ( 等厂 s ， ei 七j 国内已经对c 级钢进行了大量疲劳试验，包括其应力一应变曲线和应变一 寿命曲线，但e 级钢的疲劳性能数据还无处可查，通过查阅美国m s c 公司 图3 2c 级钢和e 级钢的循环应力一应变曲线 的m s c f a t i g u e 疲劳分析软件中的材料疲劳性能数据库，选择与e 级钢屈 服极限和强度极限相接近的国外铸钢，得出适用于e 级钢的循环应力一应变 曲线和应变一寿命曲线。 b 应变一寿命曲线 低周疲劳的本质为塑性应变循环累积损伤，由于控制塑性应变的疲劳 第2 5 页 l 衷空运夫学疆： 举袋论文 试验较复杂，一般采用控制总应变幅的方法进行疲劳试验，用不同的总应 变幅s 2 与到达失效的反向次数2 n 作圈得到的应变一寿命曲线首先来进 行疲舞分析。在局部威力应变法中揭示威变寿命关系的为m o r r o w 公式： 气。+ ，= ! ( 2