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高速列车空心车轴表面裂纹应力强度因子研究

张俊清  
【摘要】:摘要:车轴是铁路机车车辆的关键承载部件,切轴断裂是铁路机车车辆重大倾覆事故最主要的原因之一,有很强隐蔽性和突然性。高速列车车轴的运用环境比较恶劣,车轴表面很可能受到异物高速冲击而引发不同程度的损伤,这种损伤在车轴随机载荷下会萌生裂纹,并逐渐扩展到临界尺寸。因此,裂纹的扩展规律研究可以使我们深入探讨车轴的损伤容限问题,为车轴的检修周期提出更好的建议。 本论文在国家973项目《高速列车安全服役关键基础问题研究》支持下,研究高速列车空心轴表面裂纹应力强度因子在不同载荷工况下的发展变化规律,为科学评价车轴损伤容限提供依据。主要工作如下: 1、采用有限元法计算应力强度因子,进行了裂纹虚拟扩展算法的推导,在二维J积分能量定义的基础上,采用能量变分原理、格林定理推导了三维J积分公式;通过裂纹虚拟扩展技术计算J积分,以有限元分析得到的位移和应力作为J积分计算的输入量,在不考虑体积力和裂纹表面力的情况下,导出J积分表达式,并给出了有限元法计算J积分的有关技术。 2、考虑车轴表面意外损伤的实际情况,研究裂纹面倾斜角度对空心轴表面裂纹应力强度因子的影响。根据横向偏转和纵向偏转裂纹的实际情况,对空心轴表面缺陷进行分析,确定裂纹载荷条件,简化裂纹实体模型,计算出了不同相对裂纹深度和不同偏转角度下的强度因子。结果发现,无论是何种类型的应力强度因子,随着裂纹扩展深度的增加,应力强度因子都是增加的。而Ⅰ型应力强度因子的值要远远大于相应的Ⅱ型和Ⅲ型值。并且Ⅰ型应力强度因子的最大值是出现在没有偏转时,也就是垂直于主应力方向。 3、分析了车轴的运用载荷,给出了车轴表面弯曲应力的计算方法,讨论了车轴表面裂纹在旋转弯曲载荷下的应力变化情况,提出用叠加方法求解裂纹前缘任意旋转角度下的应力强度因子方法,通过计算得到了不同旋转角度下的应力强度因子。 4、分析了车轴扭转载荷产生的运行工况,建立了车轴扭转载荷下的裂纹强度因子模型,得到了三种模式应力强度因子。发现裂纹的存在影响了问题的轴对称性,此时的扭转载荷不仅仅是产生了扭转剪应力,同时在裂纹前缘还产生了正应力和横向剪应力,从而引起了裂纹前缘诱发变形。 5、研究了弯扭混合载荷下的Ⅰ型应力强度因子变化规律。对于平直裂纹,形状比很小,由于扭转载荷的存在,裂纹前缘在最深点以外的应力强度因子比纯弯曲时增加。而对于比较大的形状比裂纹,扭转载荷的影响不是很大。 6、研究了轮轴压装过盈配合区表面裂纹的应力强度因子变化情况,并与非压装区裂纹进行比较发现,过盈配合的存在,使得轴横截面上拉应力侧的轴向应力变化趋于平缓。在弯矩方向与裂纹轴线垂直的位置,不同尺寸裂纹,均是有压装配合时外侧裂纹的应力强度因子大于无配合时的相应值。过盈配合的存在,使得接触外侧裂纹前沿表面点的应力强度因子显著增加,这使得裂纹扩展时更加趋于扁平化。


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