車(chē)輛鑄鋼件疲勞壽命預(yù)測(cè)方法對(duì)比分析

耿 平，段元勇，兆文忠

(1.濟(jì)南軌道交通裝備有限責(zé)任公司 研究院，山東 濟(jì)南 250022 2.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)＊

0 引言

隨著鐵路重載和高速的發(fā)展，車(chē)輛鑄鋼件的疲勞破壞問(wèn)題引起了廣泛關(guān)注，其成因較為復(fù)雜，已成為影響車(chē)輛發(fā)展的重要因素.為確保行車(chē)安全，對(duì)車(chē)輛鑄鋼件的使用期限提出了更高的要求，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就對(duì)車(chē)輛鑄鋼件的疲勞壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，是當(dāng)前鐵路發(fā)展的迫切需求.

目前，應(yīng)用比較廣泛的車(chē)輛鑄鋼件疲勞壽命評(píng)估體系有:北美鐵路協(xié)會(huì)機(jī)務(wù)AAR標(biāo)準(zhǔn)，以及德國(guó)機(jī)械工程研究委員會(huì)FKM標(biāo)準(zhǔn).本文將兩種方法從本質(zhì)上做了對(duì)比研究，并以某B級(jí)鑄鋼側(cè)架為例將兩種方法的計(jì)算進(jìn)行了對(duì)比，對(duì)疲勞壽命的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)具有重要意義.

1 AAR標(biāo)準(zhǔn)的疲勞強(qiáng)度分析方法

AAR標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鑄鋼件的疲勞評(píng)定采用名義應(yīng)力法，以S-N曲線(xiàn)或Goodman曲線(xiàn)為依據(jù)，對(duì)分析需要的疲勞應(yīng)力譜，根據(jù)線(xiàn)性累積損傷法則進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的分析.疲勞分析運(yùn)算的流程為［1］:

a.運(yùn)用雨流計(jì)數(shù)法獲得應(yīng)力-時(shí)間歷程的雨流循環(huán)，獲得分析所需要的疲勞應(yīng)力譜;

b.考慮缺口形狀效應(yīng)，零件表面粗糙度等疲勞強(qiáng)度的影響因素，選擇適當(dāng)?shù)腟-N曲線(xiàn);

c.確定應(yīng)力譜的哪一部分應(yīng)力幅值超過(guò)疲勞損傷極限;

2 FKM標(biāo)準(zhǔn)的疲勞強(qiáng)度分析方法

FKM標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)機(jī)械產(chǎn)品在實(shí)際工程中的應(yīng)用情況，統(tǒng)計(jì)出來(lái)的關(guān)于極限強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的使用規(guī)則.其進(jìn)行疲勞壽命分析的流程為［4］:

a.確定載荷譜下的名義應(yīng)力;

b.根據(jù)圖1，輸入相應(yīng)的材料參數(shù)進(jìn)行通用鑄鋼件的S-N曲線(xiàn)修正;

圖1 S-N曲線(xiàn)的修正過(guò)程

c.在給定期望壽命的條件下，評(píng)價(jià)X、Y、Z三個(gè)方向的每個(gè)主應(yīng)力分量的利用度aBK:

式中:aBK為利用度;Sa為應(yīng)力幅;σBH為構(gòu)件使用強(qiáng)度;jges為總體安全系數(shù).

d.將每個(gè)分量的利用度合成得到總利用度aBK_v，若單個(gè)利用度和總利用度均≤1，則構(gòu)件能達(dá)到期望壽命.

3 AAR和FKM方法對(duì)比研究

AAR標(biāo)準(zhǔn)和FKM標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鑄鋼件的疲勞壽命評(píng)定均采用疲勞極限法，AAR標(biāo)準(zhǔn)采用一定缺陷系數(shù)Kf試驗(yàn)條件下的S-N曲線(xiàn)，對(duì)已知S-N曲線(xiàn)的構(gòu)件可以方便快速的進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單明了，具有針對(duì)性;FKM標(biāo)準(zhǔn)采用經(jīng)驗(yàn)公式修正的S-N曲線(xiàn)，可以對(duì)未知S-N曲線(xiàn)的構(gòu)件進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)是具有通用性，但是在選擇合適的參數(shù)時(shí)比較復(fù)雜.

在疲勞壽命的預(yù)測(cè)過(guò)程中，AAR標(biāo)準(zhǔn)采用Miner累積損傷值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，F(xiàn)KM標(biāo)準(zhǔn)使用利用度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，為了使兩者具有可比性，將利用度與累積損傷值的關(guān)系進(jìn)行如下轉(zhuǎn)化:

FKM標(biāo)準(zhǔn)通用S-N曲線(xiàn)(圖2)的左段:

式中:σAK為N次循環(huán)次數(shù)下的疲勞強(qiáng)度極限;N為S-N曲線(xiàn)拐點(diǎn)處的循環(huán)次數(shù);m為S-N曲線(xiàn)指數(shù)(圖2中，m=5).

圖2 FKM標(biāo)準(zhǔn)通用鑄鋼件的S-N曲線(xiàn)(Ⅰ)

4 應(yīng)用案例的結(jié)果對(duì)比

本文以三大件式轉(zhuǎn)向架中的某B級(jí)鑄鋼側(cè)架為例，分別采用AAR標(biāo)準(zhǔn)和FKM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，并將兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)下的計(jì)算進(jìn)行對(duì)比.

4.1 S-N 曲線(xiàn)

4.1.1 基于AAR標(biāo)準(zhǔn)的S-N曲線(xiàn)

AAR研究報(bào)告R-387“關(guān)于制定疲勞設(shè)計(jì)使用的缺陷—品質(zhì)判據(jù)的AAR指南說(shuō)明”，缺陷系數(shù)Kf=1.5下B級(jí)鑄鋼的S-N曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，圖4.

圖3 B級(jí)鑄鋼件對(duì)稱(chēng)循環(huán)的S-N曲線(xiàn)

圖4 B級(jí)鑄鋼件零拉和零壓脈動(dòng)循環(huán)的S-N曲線(xiàn)

4.1.2 基于FKM標(biāo)準(zhǔn)的S-N曲線(xiàn)

FKM標(biāo)準(zhǔn)中鑄鋼件的通用S-N曲線(xiàn)如圖2所示，對(duì)于本文中的 B級(jí)鑄鋼(抗拉強(qiáng)度為485MPa，最小屈服強(qiáng)度為260 MPa)的具體S-N曲線(xiàn)需按圖1進(jìn)行修正.在修正過(guò)程中，缺陷系數(shù)Kf為1.5;表面粗糙度系數(shù)KR，σ根據(jù)其與表面粗糙度、抗拉強(qiáng)度的關(guān)系選取;平均應(yīng)力系數(shù)KAK，σ根據(jù)其與應(yīng)力比，平均應(yīng)力靈敏度，平均應(yīng)力，應(yīng)力幅的關(guān)系選取.

4.2 疲勞載荷加載及考核標(biāo)準(zhǔn)

疲勞載荷的加載依據(jù)AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)M-203-05“鑄鋼轉(zhuǎn)向架側(cè)架設(shè)計(jì)和試驗(yàn)規(guī)范”中規(guī)定的試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)，疲勞載荷與考核標(biāo)準(zhǔn)如表1所示.

表1 疲勞載荷工況與考核標(biāo)準(zhǔn)

4.3 計(jì)算模型

采用高精度十節(jié)點(diǎn)四面體單元(Tet10)對(duì)側(cè)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散，共計(jì)708788個(gè)單元，1169267個(gè)結(jié)點(diǎn).側(cè)架的有限元離散模型圖如圖5所示［5］.

圖5 側(cè)架結(jié)構(gòu)離散網(wǎng)格模型

4.4 疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比

4.4.1 AAR標(biāo)準(zhǔn)的疲勞壽命預(yù)測(cè)

基于最大﹑最小主應(yīng)力或等效應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行薄弱部位的疲勞壽命預(yù)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表2.

由表2可見(jiàn)，各載荷工況下側(cè)架的疲勞累積損傷均小于1，能通過(guò)31.25萬(wàn)次的疲勞試驗(yàn).

表2 疲勞試驗(yàn)載荷下大應(yīng)力點(diǎn)疲勞損傷計(jì)算結(jié)果

表3 疲勞試驗(yàn)載荷下危險(xiǎn)點(diǎn)利用度計(jì)算結(jié)果

4.4.2 FKM標(biāo)準(zhǔn)的疲勞壽命預(yù)測(cè)

FKM標(biāo)準(zhǔn)的疲勞壽命預(yù)測(cè)需要鑄鋼側(cè)架的具體點(diǎn)位置.采用可視化的運(yùn)算法則，施加準(zhǔn)靜態(tài)載荷得到側(cè)架的最大利用區(qū)域，并通過(guò)實(shí)際運(yùn)用中疲勞裂紋的調(diào)研，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析確定側(cè)架的缺陷分析部位.在此，選取導(dǎo)框內(nèi)彎角處(節(jié)點(diǎn):95443)和枕簧承臺(tái)彎角處(節(jié)點(diǎn):97643)2個(gè)危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行分析.分析結(jié)果見(jiàn)表3.

由表3可見(jiàn)，各載荷工況下側(cè)架危險(xiǎn)點(diǎn)的利用度和總利用度均小于1，能通過(guò)31.25萬(wàn)次的疲勞試驗(yàn).

4.4.3 結(jié)果對(duì)比分析

以側(cè)架的危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)95443和97643為例，據(jù)本文中累積損傷與總利用度的關(guān)系，基于AAR和FKM標(biāo)準(zhǔn)的累積損傷結(jié)果對(duì)比如表4所示.

表4 危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)的累積損傷對(duì)比計(jì)算結(jié)果

由表4可見(jiàn)，AAR標(biāo)準(zhǔn)和FKM標(biāo)準(zhǔn)分別計(jì)算的疲勞累積損傷基本一致.

5 結(jié)論

AAR標(biāo)準(zhǔn)和FKM標(biāo)準(zhǔn)疲勞壽命預(yù)測(cè)的方法本質(zhì)是一樣的，計(jì)算結(jié)果是趨于一致的，但是，輸入條件是不同的，因此，為了確保預(yù)測(cè)的可靠性，建議兩種方法要同時(shí)使用，一旦兩種方法的結(jié)果趨于一致，預(yù)測(cè)的壽命是可信的.

［1］美國(guó)鐵路標(biāo)準(zhǔn).AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)［M］.美國(guó):北美鐵路協(xié)會(huì)，1999.

［2］程海濤，于文濤，劉宏友.國(guó)內(nèi)外貨車(chē)轉(zhuǎn)向架主要標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析［J］.鐵道車(chē)輛，2004(5):11-15.

［3］趙少汴，王忠保.抗疲勞設(shè)計(jì)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［4］ERWIN HAIBACH.Analytical Strength Assessment of Components in Mechanical Engineering［M］.5th ed，［s.l.］:FKM-Guideline，2003.

［5］濟(jì)南軌道交通裝備有限責(zé)任公司.JJZ23轉(zhuǎn)向架側(cè)架靜強(qiáng)度、剛度、疲勞強(qiáng)度有限元分析報(bào)告［R］.濟(jì)南:濟(jì)南軌道交通裝備有限責(zé)任公司，2011.