鐵道車輛結構件失效評定方法研究

王暉 李寧 王宗正 馬龍 李傳迎

摘要：鐵道車輛結構件在制造與服役過程中，損傷的產生不可避免。當損傷尺寸較小時，損傷件仍能發揮正常功能，不影響列車的安全運行。隨著列車運營里程增加，損傷會持續演化，損傷會不斷增加，當達到一定尺寸時，有可能使結構件不再滿足設計和使用要求，從而引發各種安全問題，嚴重的可能導致運行事故，因此確定臨界損傷尺寸對于列車的安全運行具有重要意義。本文以標準CT試樣為研究對象，通過疲勞試驗得到了試樣在疲勞載荷作用下的臨界損傷尺寸，并通過兩種不同的方法—斷裂韌度法和靜截面失效法—計算了臨界損傷尺寸，與疲勞試驗作用下的臨界損傷尺寸進行了對比，討論了進行臨界損傷尺寸計算時不同方法的可靠性和適用性，為鐵道車輛結構件的失效評定提供依據。

Abstract：? In the process of manufacturing and operation of railway vehicles， damages are inevitable. When damages are of small size， the components can work normally and there would be no safety issues. Damages can develop to a critical size as the operation of high speed trains， in which situation the components cannot meet the design and operation requirements and may lead to accidents. Thus it is important to study the methods calculating this critical damage size. In this paper， a fatigue test is conducted with CT samples and critical crack size is achieved. A test of plain strain toughness known as KIC is carried to achieve fracture toughness， which is used to calculate critical damage size in the following FEA analysis. Then a net section failure principle is used to calculate critical crack size. Critical crack size calculated by the above tow methods are compared to the fatigue test， then the conservatism and applicability are discussed of the two methods， which are meaningful to the damage tolerance design of high speed trains.

關鍵詞：鐵道車輛;臨界損傷尺寸;斷裂韌度;靜截面失效

Key words： railway vechicle;critical damage size;fracture toughness;net section failure

中圖分類號：TG441.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0057-04

0? 引言

鐵道車輛結構件在制造與服役過程中，損傷的產生不可避免。當損傷尺寸較小時，損傷件仍能發揮正常功能，不影響列車的安全運行。隨著列車運營里程增加，損傷會持續演化，損傷會不斷增加，當達到一定尺寸時，有可能使結構件不再滿足設計和使用要求，從而引發各種安全問題，嚴重的可能導致運行事故，因此確定臨界損傷尺寸對于列車的安全運行具有重要意義。本文以標準CT試樣為研究對象，通過疲勞試驗得到了試樣在疲勞載荷作用下的臨界損傷尺寸，并通過兩種不同的方法—斷裂韌度法和靜截面失效法—計算了臨界損傷尺寸，與疲勞試驗作用下的臨界損傷尺寸進行了對比，討論了進行臨界損傷尺寸計算時不同方法的保守性和適用性，為軌道車輛結構件的失效評定提供依據。

本文以7075鋁合金材料制作的CT試樣為研究對象，進行了疲勞損傷試驗，加載至試樣失效，得到了試樣在疲勞載荷下發生快速演化時的臨界損傷尺寸;同時進行了斷裂韌度試驗，測得了該材料的斷裂韌度。測得的斷裂韌度被用于計算臨界損傷尺寸。另外，也應用靜截面失效法計算了疲勞試驗中CT試樣的臨界損傷尺寸，通過對比分析，得到斷裂韌度法和靜截面失效法在計算臨界損傷尺寸上的可靠性和適用性。

1? CT試樣及試驗設備

用于斷裂韌度測試的CT試樣按照GB/T 4161-2007《金屬材料平面應變斷裂韌度KIC試驗方法》[1]進行設計，試驗方法同樣依照GB/T 4161-2007《金屬材料平面應變斷裂韌度KIC試驗方法》進行。試驗設備如表1所示。

按標準要求進行測量試樣的厚度B與寬度W。

樣品寬度W和損傷尺寸a從平板加載孔的中心線處測得。有開口的邊緣可以用來當做參考線，減掉從孔的中心線到開口邊緣的距離，得到W和a。

2? 斷裂韌度試驗

為了模擬實際構件中存在的尖銳損傷，使得到的KIC數據可以對比和實際應用，在疲勞試驗機上使試樣承受循環應力，引發尖銳的疲勞損傷，損傷長度a0，a0與試樣寬度W的比值為a0/W≈0.5。圖1為試樣正在試驗機進行預制損傷測試。

預制損傷載荷值則根據每件試樣尺寸參數自動算出。預制損傷時所有試樣加載比為R=0.1，頻率選為4Hz。預制疲勞損傷時，同時監測試樣兩側損傷的萌生情況，避免兩側損傷不對稱發展。損傷引發的缺口頂端與試樣兩個表面的交點距加力孔中心線的距離應該相等，損傷缺口垂直于表面。

拉斷過程如下：①將試樣安放于試驗機上，損傷預期演化面與加載線處于垂直位置;②調整加載速率使應力強度因子KI增率在規定范圍內;③調整記錄儀的放大比;④對試樣加載試驗并記錄P-V曲線，直至超過試樣所能承受的最大載荷停止;⑤斷開試樣，在厚度中點和兩個四分之一厚度點三處測量損傷長度的平均值為損傷長度。

拉伸過程中，程序采用MTS系統中的MPT多功能軟件（程序自編）。采用載荷控制，加載速率采用100N/s。為了得到載荷-缺口張開位移（P-V）曲線，測試采用COD引伸計測量損傷張開位移。試驗過程中每隔0.1秒采集一次荷載、位移等相關參量。用測試儀器連續記錄載荷增加與缺陷演化情況的P-V曲線、P-載荷、V-損傷兩側刀口張開位移。

試驗斷裂后，測量損傷長度，測試方法按圖3所示，在B/4、B/2、3B/4的位置上測量損傷長度a2、a3、a4，取損傷長度平均值（a2+a3+a4）/3：計算斷裂韌度條件值KQ。

根據試驗過程中采集到的每一個試樣的載荷、缺口張開位移數據，繪制荷載—缺口張開位移（P-V）曲線圖。按照規范要求，根據曲線上確定的損傷失穩損傷臨界狀態的載荷PQ，以及試樣斷裂后測出的與PQ相對應的損傷長度a代入應力場強度因子KI表達式，求出損傷失穩損傷的臨界KI值，記為KQ。

對得到的KQ值按下面的方法進行有效性判別。

計算載荷比并滿足式（1）要求，式中Pmax為試驗所能承受的最大值。

計算試樣厚度是否滿足式（2）的要求，其中為屈服強度。

對5件7075鋁合金試樣進行斷裂韌性試驗，最終得到該材料的斷裂韌度平均值為28.85MPa√m，拉斷后的試樣如圖4所示。

3? 疲勞試驗

為了模擬實際構件中存在的尖銳損傷，使得到的測試數據可以對比和實際應用，須進行疲勞損傷預制，預制損傷長度約為2.5mm。按照規范的要求，預制疲勞損傷最后一級的最大力值不得超過開始記錄試驗數據時的最大力值。預制損傷時所有試樣加載比為R=0.1，頻率為4Hz。

疲勞試驗過程如下：

①將試樣安放于試驗機上，損傷損傷面與加載線處于垂直位置。

②調整并設置疲勞加載參數，保持力的穩定并設置保護，避免力過載引起遲滯效應。正式試驗采用最大載荷值為3.2kN，應力比為R=0.1，頻率為2Hz。

③試驗過程中，記錄若干循環次數及對應的損傷長度，為了得到足夠多的數據點，程序設置為損傷每增加0.02mm記錄一次相關數據。

④試驗采取損傷損傷進入快速階段，當試樣斷裂時作為最終停機點。損傷損傷試驗過程中，采用MTS試驗機自帶的疲勞損傷損傷試驗程序。疲勞循環次數和損傷損傷長度自動采集。損傷長度采用柔度法自動換算。

疲勞損傷損傷速率的確定采用擬合a-N曲線求導的方法確定da/dN。da/dN曲線數據的確定采用試驗機自帶軟件自動獲取的方式進行。后續處理將所有試樣的a-N曲線數據集中整理。

對于緊湊拉伸（CT）試樣，ΔK可按公式（3）計算[1]：

式中α=a/W

本次對3件7075鋁合金試樣進行損傷損傷速率試驗，最終3件試驗件的損傷損傷速率da/dN與ΔK的關系在雙對數坐標下的關系如圖5所示，破壞試樣如圖6所示。3件試樣破壞時的損傷長度a為26.28mm、28.56mm和28.90mm。

4? 斷裂韌度法計算臨界損傷尺寸

根據疲勞損傷損傷試驗的CT試樣圖紙，應用Zencrack建立含損傷的CT試樣有限元模型如圖7所示[3]，按規范中的計量方法，初始損傷長度為11.5mm，由于本次計算的目的為得到臨界損傷尺寸，初始損傷長度不會顯著影響計算結果，含初始損傷模型中共1172個單元和6356個節點，單元類型選取二階全積分單元C3D20。

CT試樣的材料為7075鋁合金，彈性模量為71.0MPa，泊松比取0.3，屈服強度為455MPa。

損傷演化準則應用Paris公式，將疲勞損傷試驗的數據進行擬合，得到Paris公式中的材料常數，其中C值為C=3.37 497×10-12，n值為n=3.16 806，da/dN的單位為mm/cycle，應力強度因子單位為MPa√mm，在計算應力強度因子時，采用VCE（虛擬裂紋擴展）方法[4]計算能量釋放率，并應用平面應變假設導出應力強度因子。

在進行試驗時，CT試樣通過夾具固定于試驗機，在有限元模型中，分別在兩個加載孔中心建立了參考點（Reference Point），參考點與兩個圓孔的內表面進行耦合。疲勞載荷峰值大小為3.2kN，載荷比為0.1，施加于兩個參考點上，加載方向為垂直于損傷面;位移邊界條件同樣施加于參考點上，約束與加載方向垂直的兩個方向的平動位移，如圖8所示。

經計算，在疲勞載荷作用下，損傷的演化情況如圖9所示，由圖9可見，損傷損傷后出現了一定的弧度，這與實驗結果是相符的。損傷最深點最由初始的11.5mm損傷至35.45mm。

為通過斷裂韌度得到臨界損傷尺寸，可按照斷裂韌度對損傷尺寸與應力強度因子的變化關系進行插值。斷裂韌度試驗值為28.85MPa√m，即912. 32MPa√mm。

應力強度因子隨著損傷尺寸變化的曲線如圖10所示，由圖10可見，當損傷長度較大時，應力強度因子隨損傷尺寸會迅速增大。

5? 靜截面失效法計算臨界損傷尺寸

用靜截面失效法判定臨界損傷尺寸，在實施時較為簡單，即求取截面的平均應力，當平均應力達到屈服強度時即認為試件失效。本次試驗中的材料為7075鋁合金，其屈服強度為455MPa。載荷大小為3.2kN，當平均應力達到屈服強度455MPa時，通過計算可得W-a=7.03mm，從而得到臨界損傷尺寸為32.97mm。

6? 分析與討論

在疲勞試驗中，三個試件分別在損傷長度為26.28mm、28.56mm和28.90mm時發生快速損傷演化，可將這一損傷長度認為是實際的疲勞載荷作用下試件的臨界損傷長度，在此處取為三者的平均值27.91mm。通過斷裂韌度計算得到的臨界損傷長度為26.40mm，而通過靜截面失效法得到的臨界損傷長度為32.97mm。通過比較可以發現，用斷裂韌度計算得到的臨界損傷長度與試件實際發生快速損傷的損傷長度接近，略小于實際發生快速損傷的臨界損傷長度;而用靜截面失效法得到的臨界損傷長度則大于實際試驗中發生快速損傷時的臨界損傷長度，說明如用靜截面失效法進行臨界損傷尺寸的計算，其結果對于7075鋁合金來說是偏危險的。用于測定斷裂韌度的試驗件與疲勞損傷損傷試驗件相比，其厚度較大，需要保證試件的平面應變狀態。而疲勞損傷損傷試件則相對較薄，其應力狀態與斷裂韌度試件相比更接近平面應力狀態。在此種條件下，應用平面應變假設計算得到的應力強度因子與試件在試驗中實際的應力強度因子相比是偏保守的，因而此時用斷裂韌度求得的臨界損傷尺寸也偏保守。同時也應注意到，7075鋁合金的屈服強度較高，這也是導致應用靜截面失效準則計算臨界損傷尺寸較大的原因。可以進行合理的推測，對于屈服強度較小而斷裂韌度較大的材料，存在以下可能：用靜截面失效法計算得到的臨界損傷尺寸會偏保守。通常，對于韌性較好的材料，其斷裂韌度很大，僅進行強度分析即可。

7? 結論

對于板殼等薄壁構件，進行臨界損傷尺寸的計算時，采用平面應變假設下的應力強度因子結果，并用平面應變斷裂韌度作為臨界條件進行計算，可以得到相對保守的結果。但對于韌性非常好的材料，其斷裂韌度值可能較大，因此進行失效評定時，要綜合考慮構件凈界面屈服情況與脆性斷裂。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家質量檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，GB/T 4161-2007，金屬材料平面應變斷裂韌度KIC試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2007.

[2]中華人民共和國國家質量檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會，GB/T 6398-2017，金屬材料 疲勞試驗 疲勞裂紋擴展方法[S].北京：中國標準出版社，2017.

[3]Zentech International Limited， Zencrack user manual， version 8.3. London： Zentech International Limited， 2018， [26-28].

[4]Dassault Systèmes. Abaqus 2016， Analysis User's Guide， Volume II： Analysis. Paris： Dassault Systèmes ，2015， 11.4.2[9-13].