（车辆工程专业论文）货车转向架铸钢件耐久性评定研究.pdf

货车转向架铸钢件耐久性评定研究 摘要 f 研究货车转向桨铸诵侔的疲劳断袈破坏机瑗、袋纹尺寸的分布规律和袈纹昀扩 震癍律，对其关键缩节进行耐久经评定，从而礁定转向桨铸钢侧絮的经济寿命，是 傈涯铁路逸输安全及维修经济性静筵赛手段之一本论文以概搴辑裂力学与结构疲 劳可靠性理论为基磁，建妲了货率转随絮铸镧铡粱豳恁额节的辩久往译定体系e 本论文主要佟了以下凡隽：面的工作： l ，针对铸钢侧粲a 区的图角缨节，建立裂纹形成对阉( t t c i ) 服从三参数威枣零分 毒爨数和对数妥态分布爨数的耐久性译定体系。 2 通过弓l 入对数正态随机变量裂纹扩展模型，建也铸铜律圆角细节的随机藏惫耐久 往评定体系。 3 ，将裂绞_ 扩展筏戈对数歪态平稳然枫避稷，采羯：阶耀逐似法，遣立铸银件嚣霜细 节的隧机过稷耐久燃滓定髂系。 4 对b 级镄曼点弯标准试样进行籀l 纹扩震速攀( d a d z , h 、i 3 槛值( 矗翰) 辩裂绞炎端 张开位移( c t o p ) 的试验研究，绘掇8 缀钢材料门槛俊、新裂甥性豁及裂纹扩展遴 率豹可靠性横烈，并给出拟会骓力曲线的a # 线性最，】、= 乘方法势耐久牲译定提 供基本依擐；模拟费攀b 级镧侧架a 区的豳角细部进行兰种威力永平的辩久瞧试 ， 骏研究，+ 褥鳃i 曼种应力水平下的( m ) 数据集，为确定经济寿命提供依掭恭。- ； ，? 5 建巍荜逑裂纹鸯虢试样长愆裂纹分界处威力强发因予宙尊表达式，绘如材料长短裂 纹足- d 的分莽镶，为采鼹线弹性断撩l 力学：进行8 缎钢翻架耐久牲评宠提供依据。 6 。对耐久住试榉鲍断鞠避行翔籀瓤睫观潮，分辑b 级镧材艇瓣纹产垒与扩展特毪， 跌及袈绞扩震分散住的舔西。 7 根据转8 g 转淘架8 缀锅错架壳区线路实测二维威力港、材料的s 喇麴线和巍i n e r 线憷累积擐伤法则，采用医静穗久性谬定方法预测其经济寿禽。 关键试：货率转淘槊，铸锵锱絮，餐焦继繁，耐久链评定，经济寿命 r e s e a r c ho nd u r a b i l i t ya s s e s s o ft r u c kb o g i ec a s ts t e e lp a r t a b s t r a c t r e s e a r c h i n go nf a t i g u ef a i l u r em e c h a n i s mo ft r u c kb o g i ec a s ts t e e lp a r t ，a n dt h e d i s t r i b u t i o na n dg r o w t hr u l eo fc r a c ks i z e ，a n dp r o c e s s i n gd u r a b i l i t ya s s e s so ni t sk e y d e t a i l a n dt h e ne s t a b l i s h i n gr e a s o n a b l ee c o n o m i cl i r eo fc a s ts t e e lb o g i ef l a m e 、t h i si so n e i m p o r t a n tm e a n st ol ( e e dr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ns a f ea n dm a i n t a i ne c o n o m y i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ep r o b a b i l i t yf r a c t u r em e c h a n i s ma n ds t r u c t u r ef a t i g u er e l i a b i l i t yt h e o r ya r e u s e dt oe s t a b l i s hd u r a b i l i t ya s s e s ss y s t e mo f c a s ts t e e lt r u c kb o g i e t h ec o n t e n t so f t h i sp a p e rc a nb es u m m a r i z e da sf o t l o w s ： 1 t ot h er o u n da n g l ed e t a i lo fc a s ts t e e lb o g i es i d e f r a m er e g i o na t w od u r a b i l i t ya s s e s s s y s t e m sa r ee s t a b l i s h e d w h o s et i m et oc r a c ki n i t i a t i o ns u b m i t st ot h et h r e ep a r a m e t e r w e i b u l ld i s t r i b u t i o na n dl o g n o r m a ld i s t r i b u t i o nr e s p e c t i v e l y 2 。t h r o u 醢t h el o g n o r m a lr a n d o mv a r i a b l ec r a c kg r o 锹hm o d e l 。也er a n d o mv a r i a b l e d u r a b i l i t ya s s e s sm e t h o di se s t a b l i s h e dw h i c hi ss u i t a b l ef o rr o u n da n g l ed e t a i lo f c a s ts t e e l p a r t 3 t h r o u g ht h el o 静o r m a ls t a t i o n a r yr a n d o mp r o c e s sc r a c kg r o w t hm o d e l ，a n dt h es e c o n d o r d e rm o m e n tm e t h o d 。r a n d o mp r o c e s sd u r a b i l i t y 鑫s s c s sm e t h o di se s t a b l i s h e d 4 丁h et e s to f c r a c kg r o w t hr a t e ( d a d n ) ，a n dt h r e s h o l dv a l u e ( a 翰) ，a n dc r a c kt i po p e n i n g d i s p l a c e m e n ta r ec a r r i e do nt h es t a n d a r dt h r e e p o i n tb e n d i n gs a m p l e so fg r a d eb c a s ts t e e l w h i c hi st h eb a s eo fd u r a b i l i t yt e s t d e s i g nd u r a b i l i t yt e s to ns i m u t a t i n gr o u n da n g l e r e g i o nao fg r a d ebc a s ts t e e lu n d e rt h r e ek i n d so fs t r e s sl e v e l t h e ak , h ，蠹a c t u r e t o u g h n e s sm a dr e l i a b i l i t ym o d e lo fc r a c kg r o w t hr a t ea r eg i v e n ，a n dn e wn o n l i n e a rl e a s t s q u a r em e t h o di sp r o v i d e dt of i tt h ed r a gc u r v e 5 t h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o re x p r e s sf o r m u l ao fs i n g l e s i d ec r a c kb e n d i n gs a m p l ei s e s t a b l i s h e d 。a n dt h ef o r m u l a 曩| sf o rt h el o n ga n ds h o r tc r a c kd i v i d i n gp o i n t a n dt h e nt h e d i v i d i n gv a l u eo f g r a d ebi sg i v e n 6 p r o c e e d i n gf r a c t u r ea n a l y s i so fc r a c ki n i t i a t i o n ，a n dc r a c kg r o w t ha n dd i s p e r s i b i l i t y c h a r a c t e ro f t h es a m p l eu s i n gt h es c a n n e re l e c t r o n i cm i c r o s c o p e 7 a c c o r d i n gt ot l i el o a d i n gt e s ts 滟s ss p e c t r u m ，s - nc u r v eu n d e rr a n d o ml o a d i n g ，a n d m i n e rr u l e ，u s i n gf o u rd u r a b i l i t ya s s e s sm e t h o d st h ee c o n o m i cl i r eo f t h eg r a d ebc a s ts t e e l s i d e ，f r a m ei so b t a i n e d k e yw o r d s ：t r u c kb o g i e ，c a s ts t e e ls i d e - f r a m e ， r o u n da n g l e d e t a i l ，d u r a b i l i t y a s s e s s m e n t ，e c o n o m i cl i f e 第一程绪论 第一章概论 1 1 选题背景与工程意义 铸钢材料适用范围非常广泛，而铸钢件则是铸造成形工艺和铸钢材料的结合， 1 三既能获得用其它工艺难以得到的复杂形状，又能保持铸钢件所要求的性能。铁道 机车车辆的许多使用工况恶劣、形状复杂并承受多种载荷的关键部件，如车钩、钩 尾框，走行部的摇枕、侧架、构架、轮心，以及发电机座、柴油机机体等都用铸钢 制造。j 。在过去相当长的时间内，机车车辆用铸钢件主要采用z g 2 3 0 4 5 0 碳素钢制 造。随着列车牵引重量的增加和运行速度的提高，对材料性能的要求越来越高，自 二十世纪七十年代开始，低合金铸钢( 如b 级钢) 被研制并作为车辆用材，1 9 9 9 年 d 月，铁道部下文推广使用b 级钢作为摇枕、侧架材料。 一转8 g 型转向架侧架简介 图卜l 转8 g 型侧架示葸图 转8 g 型转向架的侧架为框架结构( 见图卜1 ) ，断面成槽形或空心形状，由弹簧 支撑部、轴箱定位部以及斜楔定位部等部分组成。由于侧架结构较复杂，为了加强 质量控制，铁标t b l 2 4 9 - 7 7 规定了a 区和b 区。轴箱导框弯角部( a 区) 为承载关键 部位，此部位存在几何突变，是疲劳强度相对薄弱的部位。侧架因其结构尺寸较大、 壁薄和形状较复杂，故铸造难度大，容易产生各种铸造缺陷，甚至是裂纹。 经对一批清砂后未经修复的b 级钢侧架进行原始裂纹尺寸统计表明，统计的裂 纹总数为1 4 4 9 个，其中存在于a 区的裂纹数为7 3 6 个，占总裂纹的5 1 ，且这些裂 纹全部为横向表面裂纹；a 区和b 区的裂纹总量占统计裂纹量的9 5 ，这两个区全 部为圆角细节。同时，对转8 g 型侧架探伤还发现，由于a 部横向裂纹造成侧架的报 废率很高。侧架经过探伤修复后，仍有一些缺陷不能被发现和消除，特别是这些缺 i ：孝：生在内部或内腔时，很难发现或根本发现不了。最常见的缺陷是裂纹、孔洞和 1 i ? ，他们将使结构或显微组织结构破坏，碾2 弱或丧失材料应具备的性能，加速材 ；、 p i 宏观或微观缺陷扩展，使侧架在运，亍中产生早期裂纹并继续扩展导致断裂破坏。 第l 页 北方交通大学博士学位论文 二选题背景及工程意义 目前，我国客、货车同线混跑，货车技术状态的稳定性，已是保证铁路运输安 令和运输秩序的关键。1 9 9 9 年j 月1 日8 8 8 2 次在滨绥线发生货车脱轨，并侵入邻 线与y 2 1 7 次旅客列车侧面冲突而造成的重大安全事故，事故的直接原因就是由于一 个转向架的侧架导框弯角处发生了疲劳断裂，这也充分暴露了当前我们在提速货车 转向架疲劳寿命管理方面的问题。 目前，检修管理的指导思想仍是“物尽其用”，即“新三年，旧三年，修修补补 叉三年”；从设计、制造、修理都没有使用寿命的概念，造成了很多车辆超期服役， 一些裂纹没有及时发现并进行维修，使其加速扩展，导致重大的安全行车事故。特 别是提速以来，已经明显暴露出检修管理模式滞后于运输发展的要求，近几年连续 发生由于侧架折断造成重大的行车事故。 有关资料统计研究表明，自列车提速以来，仅转向架疲劳破坏的经济损失就达 到数千万元以上。由此可见，对车辆及其关键零部件实行寿命管理，是保证铁路运 输安全和提高经济效益的重要手段，是货车实施修制改革的主要内容之一，疲劳寿 俞已成为现代设计的一个重要指标。要建立适合我国国情的货车转向架关键零部件 寿命管理制度，首先需要研究侧架、摇枕、制动梁等关键部件疲劳断裂破坏的机理、 裂纹尺寸分布规律以及裂纹的扩展规律。 本论文选题为货车转向架铸钢件耐久性评定研究。是铁道部科技发展计划项 目( 项目编号：2 0 0 0 j 4 1 ) “货车转向架关键零部件寿命及管理的研究”的理论研究和 试验研究内容之一，采用耐久性设计方法研究侧架圆角细节的经济寿命。为合理制 定我国货车铸钢件转向架的检修周期提供了理论依据及方法，这不仅具有学术意义， 而且具有很大的工程实用意义。 1 2 耐久性设计的发展 二十世纪八十年代，结构件的设计已由静强度设计向抗疲劳设计方向“3 发展。随 着无损检测技术。o 的发展，概率损伤容限设计和耐久性设计方法订”开始发展起来， 并在航空领域得到广泛应用。飞机结构的耐久性采用经济寿命取代安全寿命准则， 目的是为了提高设计的精确性，降低寿命的分散性，确保结构安全。 美国在2 0 世纪7 0 年代中期就开始建立发展耐久性分析方法，8 0 年代初在美国 空军莱特实验室主持下，由m a n n i n gs d 与y a n gj n 。”共同发展为一项综合性 设计技术，着重采用线弹性断裂力学方法研究紧固孔细节相对小的裂纹。耐久性技 术建立在安全寿命设计的基础上，吸收了损伤容限设计的优点，总结和改进了传统 的抗疲劳设计方法，提高了设计的精确性和可靠性。耐久性设计的目标是使疲劳开 裂或结构和材料的退化减到最小，以便尽可能防止过度的或昂贵的维修，给出结构 的_ 济寿命。 第2 页 第一章绪论 我国航空领域在8 0 年代开展损伤容限设计的研究”，1 9 8 6 年建立抗疲劳与断裂 改计“a f f d ”系统工程，并专门设置了“飞机结构耐久性设计技术研究”( a s d ) 课 题组，其总体目标是移植国外飞机结构耐久性分析与试验新技术，提高我国现有的 飞机结构设计水平。主要结合新机研制和现役机种进行可靠性定寿工作的开展， 对耐久| 生设计与分析技术进行了大量的理论和试验研究，逐渐形成完整的评定体系， 掉且成功地应用于工程评定中。其研究重点是飞机结构的紧固孔细节，而在其它细 节方面的研究工作还做得很少。 我国铁路在耐久性设计方面尚未开展。随着车辆的提速、重载化，要求结构件 改计在安全性和经济性方面更加合理，因此引入耐久性设计思路来确定铁路机车车 辆零部件的经济寿命己迫在眉睫。 耐久性被定义为结构在特定的使用条件下抗疲劳开裂的定量度量，即在舰定时 甥内，结构抵抗疲劳开裂、腐蚀、热退化、剥离和外来物损伤作用的能力。结构在 使用前就存在许多微小的初始缺陷，在外载的作用下就会逐渐形成一定长度和一定 数量的裂纹和损伤，如果继续扩展下去将造成结构功能性损伤或维修费用的剧增， 此时必须进行经济修理。耐久性的目的是确保整个使用寿命期内功能可靠和最经济 修理，使结构能经常处于良好的状态。耐久性分析的准则是经济寿命，衡量经济寿 命的量化指标有：裂纹超越概率和费用比( 修理费用和更换费用之比) 。 由于耐久性设计所研究的裂纹尺寸较小，仔细研究和用实验验证的困难较大。 目前在工程上有两类方法可以用来进行耐久性分析j8 。3 1 。第一类是“裂纹萌生”法： 以为结构在正常服役期间是“无裂纹的”。一旦“萌生”了疲劳裂纹，就应当进行经 济修理。第二类是断裂力学1 方法，该方法直接研究裂纹尺寸随时间( 循环数) 扩 展的情况，又分为确定性裂纹扩展方法( d c g a ) 和概率断裂力学方法( p f m a ) 。p f m a 疗法是美国空军8 0 年代研究的一项专门用于耐久性分析的新技术。它以结构细节模 拟试件的耐久性试验所获得的裂纹形成时间( t t c i ) 数据集为基础，应用概率断裂力 学原理，建立描述结构原始疲劳质量( i f q ) 的通用当量初始缺陷尺寸( e i f s ) 分布， 进而给出结构的经济寿命，或在一定运用时间时超越一定裂纹长度的概率。概率断 裂力学方法能够给出较准确的损伤度预测和经济寿命估算，富有很大的吸引力和较 为广阔的前景。这种方法直接包含了加速、迟滞等效应的影响，无需专门考虑加载 | | 页序的效应，从而使计算简化。同时还避开了两个棘手的问题：一是到目前为止， 还没有完全认识清楚小裂纹扩展的微观机制及其规律；二是不需要直接观n d , 裂纹 的扩展，从而避免直接准确可靠地测试小裂纹的困难。 耐久眭讨论的通常是相对小的亚临界裂纹尺寸，这一尺寸只会影响结构的功能 损伤、维修要求及检修周期等。虽然这些相对小的裂纹不会直接引起安全问题，但 是如果这些裂纹尺寸超过某一极限尺寸，就可能在修理含有这些裂纹的结构细节时 变得极不经济，；：考如果不进行及时修理，势必也会危及到结构的安全。现有的不 ，研究已表明“2 ，金属晶粒量级尺寸裂纹到工程可见裂纹阶段是小裂纹扩展有独特 扩曩觇律，i 可f l 这种小( 短) 裂纹扩展也受诸多因素( 如材料、几何形状、表面 猜3 砸 北方交通大学博士学位论文 状态、应力水平等等) 的彰响，假很小裂纹的精确测量也有豳难，尚有待进步研 究解决。为了在工程上解决结构疲劳寿命预渊问趱，l i 薅久往方法绳赉了一种新的概 念秘分聿斤计算方法，郢麸结稳缓节静当量幸刀始妖貉尺寸( e i f s ) 出发，定量地遴纾 评6 或 十算。当然这萃申评 砉或计算豹藜本方法是选 娃瓣绞计方法。姐累遮转评估统 计方法给如了结构细节的裂纹超如量搬率( 即在绘定时间趣出指定裂纹长度的概 率) ，那么，就可以作为确定结构经济寿命的基础( 因为裂纹超出量太大，结构就无 法进行经济地维修) 。从这照我们又可以看出，由e i f s 分布描述的原始疲劳质量( i f q ) 黾i 时久性分析的出发点和基础，正确和合理地确定 f q 或e i f s 分布是及其重要的。 明确了当蓬初始裂纹尺寸的含义，必须清楚为什么需要确定这种假慧的、实际 土趸无法蠢接测量钓当薰裙始缺貉分布，叛及它究竟有侍么实际意义，这也楚穗久 性没讨分援黪令核心闫题。众爨周始，结构传或郝件鲍寿余主簧包摆裂纹形成寿 俞细裂纹扩展寿命，工程可检裂纹的扩展寿俞一牧可用蹶裂力学方法毒十冀确定。裂 纹形成寿命则可以用传统的疲劳分析方法估募。两个阶段用强蚕申不同的檄念和方法 来处理，而且交界处常不明确而叉不易处理，因而耐久性设计方法正是引入当量初 始缺陷尺寸( e i f s ) 来解决这个问题。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文的主要研究内容有： 1 耐久後评定方法 ， 建立裂纹影成黠润( t t c i 照麸三参数威奄尔分凑函数垂孽耐久性概搴羝裂力学 评定方法； 建立裂纹形成时间服从对数最态分布函数的铸钢 牟圆角缎节的嚼久性概率断裂 力学评定方法。 以裂纹形成时间数据集为基础，结合裂纹长魔随时间扩展的规律，应用概率断 裂力学和可靠往原理反推出原始疲势质麓( i f q ) ；掖导了通用巍羹初始缺陷尺寸 ( e i f s ) 分布：结合使用精裂纹扩展控制曲线( s c g m c ) ，预测菜一时捌裂纹尺寸超 过菜一援定僮静概率；给不瀚可靠度下的损伤浚。 2 。随掇变爨耐久蛙评定方法 通过引入对数正态随机变攫裂纹扩展模型，借助t t c i 服从三参数w e i b u l l 分东 函数的e i f s 分布酾数，建立铸钢件圆角细节的随机变霪耐久性评定方法。 3 随机过程瓶寸久性评定方法 引入对数芷态平稳随机过程描述随机裂纹扩展模挺，采用二阶矩近似方法，以 及二三参数w e i b u l l 分布函数的e i f s 分布函数，建立随桃过程耐久性评定方法。 r 8 缀钢萋本性髓试验研究及耐久性试验研究 对8 级钢标港三点弯试榉送行裂纹扩攫速率( 如积i f ) 、f 1 槛德蜀 和袈绞尖端 j i 亡一波移( c t o d 鳇试验研究；对b 级钢鲻架圆楚细节进行三秘应力水平静瓣久矬 第4 嚣 第章绪论 试验研究；给出以上试验中最少试样个数的确定方法；给出不同方法计算裂纹扩展 速率的可靠性模型及门槛值大小：利用c t o d 试验结采拟合阻力曲线，确定临界张 7 1 ：位移，嗣糟其与j 积分及其与断裂韧往蜀c 酌关系，计算得到蝎c 。 5 。 函精细节翡耐久性湃定 推导b 级钢材料三点弯试样单选裂纹长短裂纹尺寸的分界篷，给如转囱絮测黎 a 区在一定可靠度下的裂纹超越概率及损伤度；结合线路实测应力谱及m i n e r 线性 累积损伤法则，给出不同可靠皮下圆角部的经济寿命。 6 耐久性试样断酗扫描电镜的微观观测 通过对试样断口扫描电镜的观测，分析b 级钢材料裂纹源的形状、尺寸与扩展 特穗，解释了其袈纹扩髓分散一陵的原因。 第5 炙 第二章瓣久牲设砖理论 第二章耐久性设计理论 瓣久性繇关心靛是相对，l 、数耍糕界裂纹扩袋足寸，这足寸影响功能牲损伤、 结枣句维修要求及寿念周期费用，虽然这些小裂纹可能不会弓| 起直接的安全性阅题， 但是如果这些裂纹超过一个极限尺寸，就可能使修理雷有这些裂纹的结构细节时变 得不经济。因此从结构运营的安全性和经济性方面考虑，有必要把结构设计成耐久 的。 耐久性分祈的概率断裂力学方法( p f m a ) 包括两个步骤”3 ：( 1 ) 定量地确定所 萼惑的结拇细节静淼始疲势质羹：( 2 ) 用原始疲劳质藿( i f q ) 及适警的设计条件( 如 钱蓠谱、应力求平等) 鞭溅裂纹超患量翁概率。嚣筵，结梅原始疲劳臻量的定量确 定楚耐久性分摄中裴豢重要故个阉题，邈是避符合理检修蜀缎必须解决豹一个蘸 提条件。i f q 是用结构细节麴当量初始缺陷尺寸( e i f s ) 分东表示的。只有知道结构 危险部位的当量初始缺陷尺寸分布，才能选择合理的初始质量，计算经济寿命，并 制订合理的检修周期。所以定爨评估结构细节的原始疲劳质量是耐久性分析试验中 最基本、最重要的工作之一。 结构的损伤累积过程胃戳着俸是裂纹觚怒始豹零时间开始捌破坏的整个过程 。工程结擒懿原始疲劳袋蠹评信方法虢戳魏为崮发点，瘸特定尺寸和形状的当羹 疲势裂纹来表示原始质攫，企图以鼗姆裂纹形成与扩展兹璐会熠这一裂纹豹整个扩 展寿命来表，征。 本章考虑的结构细节为圆角，根据调查发现。“，圆角部位开裂憝侧架等关键 承载部件中最常见的开裂源之一。所以为了评估圆角细节作为时间函数的结构耐久 性，需采用统计方法进行研究。 2 1 耐久性设计基本术语 耐久性。在规定时期内，结构抵抗疲劳开裂( 包括应力腐蚀和氢引起的开裂) 、腐蚀、 热道化、剥离和外来物损伤作用的能力。 使丽寿命。其有高可靠度的结构可使用海命，邋常以运行小时数、运行年限或循环 次数等表示。使用寿命分为设计使籍寿命和菔役使胡寿命，设计使用寿命燕用户预 鹚黪结橡使糟寿翕，雳于整个捻件抟设计磷涮阶段。骚役使用潜命是校据实测载簿 氆寒修正耐久挫分攒和试验结累评继的窭骣哥馒震寿念。使雳痔鑫靛译售痰考虑试 验结果嬲分散性靼分析计算豹不确定性。 经济寿命。按照要求对耐久性试验结果进行评储所得到的使用寿命称为经济寿命。 当结构大范阐出现功能损伤，若不修理则影响结构的使用功能，而在此时间以后修 理又是不经济的，刚认为结构达到了经济寿命。其特征是损伤部位的数量或修理费 弼迅速蹭船。对于经济寿命的确定，廷蔽据使用经验取裟纹超越概率中的裂纹超过 - 籀6 爱 北方交j m 大学博上学位论文 数不趣过2 或j ，躐嚣以维修更换爨鼹不越过更换费蠲来 乍为辍醛鲍判叛。”2 。 结梅缁节。结构中对疲劳开裂敏感的精部区域或元件( 鲡紧潜孔、嚣角、切口、凡 何不连续处、耳片等) 。 裂纹尺寸。揍结睾句细节部位的裂纹在其扩展方向上的长度。耐久性通常关心的是相 对小匏裂纹尺寸。 奎簿疲劳裂纹。措结构中每个细节的初始缺陷扩餍中起主导作用的一条疲劳裂纹， 它可以代表该细节相对小裂纹群的扩展。 裙始疑跟。指枣子榜料黎制造等漾濯，爝典型生产工艺制造静结聿奄零、部件，程使 用前必然广泛缝存在赭的许多微，j 、缺陷。 原始疲劳疑量( 1 f q ) 。( i n i t i a lf a t i g u eq u a i t y ) 它表征个缓擒细节藏多个缨 “酗0 原始铡造状态，即必然广泛存在的无数捌始缺 ：是。幽手这些切始缺陷郯非常小， 霹爝当量秘始缺陷尺寸分奄寒定爨播述骚始疲劳矮璧。 滔羹初始缺陷尺寸( e i f s ) 分布。( e q u i v a l e n ti n i t i a lf l a ws i z e ) 它表征在个 或雾个结构细节中，初贻缺陷的当蹙影响，愚一个啜想的数学羹，丽不是真正鲍缺 陷疋寸。它是蠹实验褒察结粟反推确定静。反撼的方法楚根据多个试样督蕊察的裂 纹嘎寸分布和它们随时闯交纯的规律，反推到傻霄前( 爵于简为零) 假憨的裙始缺陷 尺寸群鲍尺寸分布。在消除饺鼹变量( 蔑旖谱、应力水平、环境等) 的澎媲蘑，可 群到仅袋梭子材料秘制造承乎熬遽用e i f s 分毒。 孬 久滢极隈尺寸。当裘纹扩震至l 哥能损害结梅零夯或邻盍薹结祷动能辩，该裂纹尺寸 称为耐久性极限尺寸。耐久性极限尺寸依赖于失效模型和受损害功能的性质。 缀游修理极限如。指可以经济修理的擐大损伤尺寸。它蔹赣予骖毽撂准。 确定性裂纹扩藤方法( d c g a ) 。 d e t e r m i n i s t i cc r a c kg r o w t ha p p r o a c h ) 裂纹扩展 参数被处避为确定的值，从而对裂纹长度可鞋得嗣个单独的预测值。 援率辑裂力学方法( p f m a ) 。( p r o b a b i l i t yf r a c t u r e 涎c h a n i c sa p p r o a c h ) 在醚久 挫分橇中，一种能够撼述结梅原始疲劳震爨并轰接考惑裂纹扩展分数牲懿方法。 攒伤度。损伤度楚指在绘定酶使用时阔上，结褥辩久缝损伤的一个定薰度遭。铡 如：具有超过某一指定裂纹尺寸的细节数或其百分数。显然，裂纹长度和数蠼怒继 _ l j 损伤的基本发爨。 裂纹超越数概率。在莱一给定的时刻，编节裂纹超过指定襞纹尺寸的概率，它最损 伤度的定基量度乏。 2 ，2 裂纹扩展速率模型 耐久i 蛙评定中缓曩要豹内容之一是裂纹扩震遮睾方程静确定。疲劳裂纹扩鼹特 谗通常可表达为： 掣叫脒趣刚) ( 2 i1 ) 茎兰兰墼垒垫墨生墨鎏 一一 式中，f 为时间藏德环：8 ( f ) 为时刻的裂纹尺寸；蚁，k 。：，r ，a ，d ) 为非负函数； 括号中髓有簿号代袭影响裂纹扩展速率麴各个参变量；a k 为应力强发困子变化蕊 旧；。为最大应力强度因子；r 为应力比：o 为载荷谱中的应力水平。此模型本质 。e 燕确定性数学模型。 2 。2 1裂绞扩震逮率模型 结构转：j 箜馒羁申捡盔薅查恕的疲劳裂纹或经实验室试件试验中鼹黎到的疲劳裂 纹可以 乍为研究e i f s 款起点。鬻用的方法是对褥到的裂纹扩曩速率配以裂纹扩展公 式，然后用以找出时间为零时的裂纹长度。目莳描述裂纹扩展遮率最通用的是p a r i s 幂律关系式o ” 塑：f 世) 州 2 。2 ) d t 式中，丝筑单位计藿时间( 循环) 内的裂纹增长： d f 叭m 是回归参数，通过式( 2 2 ) 拟合试验数据得到； 为谱峰值j 受力强度因子，定义为 k = 萨。7 日，( d ) ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 中载拶。是落峰傻疲力，夕a ) 是应力强发因子修正系数，裂绞长度g 为 游酯数。 在一定的裂纹长度区阐，周幂级数来近织成力强度因予。”： k = 玎。弧口4 ( 2 4 ) 爆留( 2 3 ) 式的第一项： 鲁嘲硝驴) 鹏锄g ( 2 - 弱 式中，b = 。( 仃。c ，) “；r ；b i m 是参数，取决于载荷谱、材料特性和结构几何形状。 2 2 2 模型的可行性 由公式( 2 5 ) 引出以下几个问题：从等蝠试验知道，在提等的应力强发情援下， 通裂纹比长裂纹有更高的裂纹扩展速率，那么此裂纹扩展关系式的正确性如何，即 在选择的裂纹尺寸范围内预测裂纹扩展时线弹性断裂力学原理的适用性如何；另外， 门槛应力强度可能存在，低于它，裂纹不会扩展。故需要对式( 2 5 ) 通过实验来考 核裂纹扩震速率静委确健。 一参数求解 箍8 贾 北方交通大学博士学位论文 对式( 2 5 ) 两漏联对数，褥 i n f ! 竺、：l n 嚣+ r l n & ( 2 8 ) d f 设y ：i n ( 粤) ，x = i n 口，c = i n b ，则式( 2 6 ) 为 g f y = r x + c ( 2 7 ) 盔i n ( 睾) 一l 珏g 坐标中，上式的函数戍为条直线。应周最小二隳法拟会上式中的 待定系数r 帮c ，设 e 2 = e 口一r x c ) 2 = r a i n 2 8 ) 对式( 2 8 ) ，需簧取最小值，敌 式( 2 9 ) 变为 对上式求解得 式中 f 裾2 1 一= u l 静 | 望。0 10 c f y 一蟛一c ) 羽= 0 i ( y r x c ) = 0 l ，：五 屯 日：e x p ( 薹! 二：薹兰) t 丹 z 。= n x 2 一( 固2 ，= 月y 2 一( y ) 2 毛= 搿搬一ex e y ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 由式( 2 1 1 ) 即可得列最佳拟合崴线的参数。 式( 2 7 ) 中的y = l n ( d a i d t ) 是单位计薰时间肉的袋纹增长，需臻觚溯褥的袭纹长 度口与形成裂纹的时溺t 的实验数据关系中瓠合褥虱。逶常韵掇合方法有蓑分法和滑 动羧合法，差分法主要有割线法、修疆豹割线法；潺动投合法是美誉材料试验学会 a s t m 在其标准a s t m e 6 4 7 - 8 1 中搂荐豹? 点递增多颂式渡，实鼯上是7 点擞物线潺动 拟合法( 7 点增量多项式法) 。此外，推广使用的还有5 点及9 点增量多i 英式拟合方 法。增量多项式法拟合的曲线光滑性较好，假需要的数据点较多。割线法基于线性 方法，用两点之间割线斜率表示裂纹扩展速率，由于采样间隔大，计算出的裂纹扩 展速率波动性较大。鍪于数据点能有限性，本文只介绍割线法和修正割线法的拟合 关系式。 溥9 砸 一 笙三兰塑墨堡篓竺墨丝一一 m - _ _ m _ h h _ - “4 p _ 。”_ 。“_ + 一一 割线法即用两点之间割线斜率表示裂纹扩展速率。设( a i , t i ) 为裂纹尺寸和对应 定循环数的时间，刚任意两点之间连线的斜率为 修正的割线法拟合公式为 ：坠 二旦( f = 1 ，2 ，丘) ( 2 1 3 ) t f + l f f ( = 丛：生f = 1 t 。+ l t 三f 曼正墅十墨墨i 1 1 露( 2 1 4 ) 2 l t ：“t ，t 。一t ：_ j 壁! 二陋：l 。k f j t ，。i 二线性相关毪检验 弼巢交燕x 与y 线性裰关，弱南试验得出靛数据缝 成，刘表翡x 与y 是线径相关的，反之，弼莱f p f l 时，裂纹盘如辩藏髂诎扩袋委t 2 霹粼滟砚，对式( 2 5 ) 进行积分： p 8 d a ：p b d t ( 2 2 1 ) j a lf l 零剖始下粒裂纹增长关系式： _ ， q = l a 2 ”- b ( i - r ) ( t 2 - t ，) f ( 2 2 2 ) 设c = r l ，刚上式变为 铲时+ e b ( t ：_ 妇槊t t = 0 ，龟= t ，以及a ( o ；a l 必裂纹形戏对熬参考尺寸， 豹当霪榜始缺陷表达式 ( 2 z 3 ) 则上式簿他必如下 e 臻s = a o = 1 ”e 船r 牡 + ( 2 ，2 4 ) 遐氘表示谫始缺赡尺寸数上界，它毒逮过裂纹形我辩麟t 熬下界攘f 褥到： 屯= 0 ；+ c b 占严 ( 2 2 5 ) 同理， 的下界值。可以通过萋新熬遵上式，用蕊的上界值乾袭示出： 占= 壶k 咱“ 屯 汜黝 圆她，a o 载分农霹运过残 琢给出的裂纹形或对耀韵分帮稻式( 2 2 4 ) 攉簿出。豢l i t 裙娥零绞尺寸分奄疋o ( j ) 袭运为 芦二( 工) = p k 。蔓x 】 第1 3 嚣 第二章耐久整设 埋论 ：晦式( 2 1 9 ) 代入上式得 或苔 ：尹贮，w 嚣c ，y ”。x 】 ：l 一一r 苎：二( j l c b j f o o ( 并) = 咒。( 善) = e x ” ( 点二学) 8 ；。x x 。：。：， 1 0 ： 工x 。 e x p 一( 等) o x 蔓工。 ( 2 2 7 ，) 1 o ； x 工。 当r = l 讦于，裂纹由t i 时刻的( 1 扩震到t 2 时猁的a 2 ，对式( 2 ，5 ) 迸行积分： e ：三妇= ( 。肋 ( 2 2 8 ) 进一步计算得到如下的裂纹增长关系式 撑 = e x p t n a 2 一b ( t ：一 ) 】 ( 2 2 9 ) 或者 a i = 群2e x p - b ( t 2 一f l 露 ( 2 2 9 ) 如果f l = 0 ，t 2 = t ，以及a ( f ) = a l 为裂纹形成时的参考尺寸，则当萤初始缺陷表 达为 e i f s = a o = e x p ( i n a l 一b t ) ( 2 3 0 ) 或者 e i f s = a 。= a l , x p ( - b t ) ( 2 。3 1 ) 当薰裙始缺陷尺寸静上群稀袭绞形成时黼酶下界分帮表这为 并。= a 1e x p ( - 艿占) ( 2 3 2 ) 占。砉k 如黾) ( 2 3 3 ) 当量翅始裂纹尺寸分南只0 0 ) 表达蔻 f o = 唯k x 】 m p e x p ( 1 n a b t ；) x 】 第t 4 页 北方交通大学博学位论史 将式( 2 t 9 ) l 弋入上式褥 戴嚣 ：p f 旺堂幽1 l b j = ，p i j n ( a , ) 疋( x ) = f