(2.1)-01材料金屬構(gòu)件失效分析

鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輪輻板疲勞分析

1.背景介紹車(chē)輪是鐵路車(chē)輛行走的關(guān)鍵部件，運(yùn)行中受到輪軌間相互作用，踏面制動(dòng)車(chē)輪還會(huì)承受制動(dòng)熱載荷。在機(jī)械和熱載荷下，車(chē)輪輻板的某些部位可能產(chǎn)生較高的應(yīng)力，因此在車(chē)輪設(shè)計(jì)時(shí)，需要評(píng)價(jià)車(chē)輪輻板的靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度。車(chē)輪輻板靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的評(píng)價(jià)可采用有限元分析方法，即針對(duì)特定形狀和尺寸的車(chē)輪，在給定材料性能、邊界約束和載荷工況等條件下，按照某一有限元分析模型計(jì)算各種載荷工況下車(chē)輪輻板的應(yīng)力分布和大小，然后按照特定準(zhǔn)則評(píng)定車(chē)輪是否發(fā)生屈服和疲勞失效。2.失效車(chē)輪基本情況一件按AAR標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，規(guī)格為D42(新輪直徑為1067mm)，輪輞磨耗接近報(bào)廢的機(jī)車(chē)車(chē)輪發(fā)生輻板斷裂。失效模式為：車(chē)輪運(yùn)行過(guò)程中，輻板內(nèi)側(cè)面靠近輪輞圓弧處(具體位置見(jiàn)圖1)的銹蝕坑在交變應(yīng)力作用下，萌生周向裂紋并逐步擴(kuò)展，直到最后發(fā)生快速斷裂，斷口形貌見(jiàn)圖2。。3.有限元計(jì)算方法及參數(shù)設(shè)置將車(chē)輪cAD二維圖導(dǎo)入ANsYS軟件中。用plane77單元進(jìn)行二維熱應(yīng)力分析，用plane77單元進(jìn)行二維機(jī)械應(yīng)力分析。Plane77是二維8節(jié)點(diǎn)熱實(shí)體單元，是二維4節(jié)點(diǎn)熱單元Pl齟e55的高階版本，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只有1個(gè)自由度一溫度㈣。8節(jié)點(diǎn)單元具有一致的溫度形函數(shù)，可較好地適應(yīng)具有曲線邊界的模型【2】，故plane77單元適用于車(chē)輪的二維熱分析。Plane83單元用于承受非軸對(duì)稱(chēng)載荷的二維軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的建模，此單元是二維4節(jié)點(diǎn)單元plane83的高階版本，有8個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度，可以適應(yīng)不規(guī)則形狀而較少損失精度，故plane83單適用于車(chē)輪的二維機(jī)械應(yīng)力分析。新車(chē)輪及磨耗到限車(chē)輪對(duì)應(yīng)的有限元模型分別見(jiàn)圖3，4。新車(chē)輪共劃分單元1268個(gè)，節(jié)點(diǎn)4086個(gè)，磨耗到限車(chē)輪劃分單元1009個(gè)，節(jié)點(diǎn)3299個(gè)。。有限元模型建立在AARS-660標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于直徑≥1016mm機(jī)車(chē)車(chē)輪，規(guī)定的載荷：垂向載荷(V1，V2)和橫向載荷(L1)分別為317520，158760N，踏面輸入的熱載荷(Th)為27．59kW，作用時(shí)間為1200s，載荷加載位置見(jiàn)圖5。除按照AARS-660標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算新輪與磨耗車(chē)輪在V1+L1和V2種載荷工況下的應(yīng)力外，文中增加計(jì)算新輪與磨耗車(chē)輪在V1+L1+Th及V2+Th2種載荷工況下的應(yīng)力。載荷實(shí)際殘余應(yīng)力和銹蝕坑應(yīng)力集中效應(yīng)的考慮實(shí)際使用的車(chē)輪熱處理后還經(jīng)歷全表面機(jī)加工和輻板強(qiáng)化拋丸處理。車(chē)輪輻板殘余應(yīng)力并非僅是熱處理殘余應(yīng)力，為使計(jì)算符合實(shí)際，在疲勞源處取樣測(cè)試殘余應(yīng)力，以測(cè)試的殘余應(yīng)力值代替式(1)中熱處理殘余應(yīng)力"。采用Proto—ixRD型x射線應(yīng)力分析儀測(cè)試殘余應(yīng)力，檢測(cè)過(guò)程執(zhí)行AsTME915—20lo，ENl5305—2008及GB7704—2008標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于失效車(chē)輪，測(cè)得尸點(diǎn)銹蝕坑底部殘余應(yīng)力為+70MPa(正號(hào)代表拉應(yīng)力)；對(duì)于新車(chē)輪，測(cè)得P點(diǎn)表面殘余應(yīng)力為一300MPa(負(fù)號(hào)代表壓應(yīng)力)。4.結(jié)果分析按AARS-669標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算V1+L1，V2，V1+L1+Th，V2+Th等4種載荷工況下的Sp，所得輻板各處Sp值均為負(fù)值，其中P點(diǎn)Sp見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，P點(diǎn)Sp值為負(fù)數(shù)，且其絕對(duì)值遠(yuǎn)大于零.說(shuō)明表面不拋丸、無(wú)銹蝕坑車(chē)輪的p點(diǎn)，即使在車(chē)輪磨耗到限且有熱載荷作用的條件下,疲勞強(qiáng)度依然滿(mǎn)足使用要求.對(duì)于輻板表面拋丸、無(wú)銹蝕坑車(chē)輪，采用實(shí)際測(cè)得表面殘余應(yīng)力代替有限元計(jì)算得到的熱處理殘余應(yīng)力,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。對(duì)于輻板表面拋丸、有銹蝕坑車(chē)輪，采用實(shí)際測(cè)得的尸點(diǎn)銹蝕坑深度處的殘余應(yīng)力代替有限元計(jì)算得到的熱處理殘余應(yīng)力，并將其他應(yīng)力項(xiàng)乘以應(yīng)力集中系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。5.結(jié)論1)根據(jù)ARRS-669標(biāo)準(zhǔn)對(duì)失效車(chē)輪進(jìn)行疲勞分析，結(jié)果表明車(chē)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合ARRS-669標(biāo)準(zhǔn)的要求。2)若車(chē)輪無(wú)表面缺陷，即使車(chē)輪未經(jīng)拋丸處理且承受大的熱載荷，也不可