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货车车轮辐板孔裂纹形成原因及疲劳扩展特性研究

作　者: 郑红霞
导　师: 谢基龙
学　校: 北京交通大学
专　业: 车辆工程
关键词: 车轮有限元分析失效分析疲劳强度断裂力学裂纹萌生裂纹扩展应力强度因子寿命估算
分类号: U272.33
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

目前，大约有20％(约70万片)的840D货车车轮出现辐板孔裂纹，并且呈上升趋势，对铁路运输安全构成了严重威胁。当前迫切需要了解840D车轮辐板孔疲劳裂纹的成因及继续使用的安全性问题。本论文以840D货车车轮为研究对象，研究了车轮辐板孔裂纹的形成条件、扩展条件、裂纹扩展规律及其剩余寿命，揭示了车轮辐板孔裂纹形成及扩展机理，对科学地制定辐板孔裂纹车轮的检修周期与管理方法具有重要的指导意义。本论文主要进行了以下几个方面的研究工作：1．根据大量车轮辐板孔裂纹调查统计数据，分析货车车轮辐板孔裂纹的形式和尺寸分布，得出裂纹率与轮辋厚度、使用时间、辐板孔位之间的关系，以确定研究辐板孔裂纹形成与扩展应该考虑的车轮几何因素。2．选取典型辐板孔裂纹车轮进行辐板材质的机械性能、硬度及化学成分检验，以确定辐板材质是否存在缺陷；借助金相、扫描电镜、能谱分析等手段，对裂纹断口宏观、微观形貌及金相特征进行分析，确定裂纹性质、裂纹源位置、裂纹走向及裂纹前沿的形状变化规律等，为进一步分析裂纹形成原因及扩展规律奠定基础。3．基于UIC510-3标准，确定机械载荷下车轮的边界条件，通过摩擦功率法确定制动过程中的热量输入；采用有限元方法，分别对辐板孔边在机械载荷作用下的应力场、典型制动热负荷下的温度场及热应力场进行数值模拟，分析辐板孔偏向轮辋和踏面磨耗对温度场及应力场的影响，为进行辐板孔疲劳强度评定和寿命预测提供载荷条件。4．利用Haigh-Goodman疲劳极限线图评价机械载荷下辐板孔的疲劳强度；采用Goodman方程，将制动热负荷产生的零-拉脉动循环转化为对称循环，根据辐板孔的S-N曲线评价制动热负荷下的疲劳强度；提出机械载荷和制动热负荷组合作用下的应力叠加方法，由此应力叠加方法分析制动热应力和机械波动应力的综合作用效果；采用名义应力法和Miner法则建立辐板孔裂纹形成寿命预测模型，预测机械载荷与制动热负荷组合作用下辐板孔裂纹寿命，用来评价两种载荷组合作用下车轮辐板孔的疲劳强度。5．利用局部应力应变法Neuber准则，采用Morrow方程考虑平均应力的影响，建立辐板孔裂纹萌生寿命的预测模型，估算机械载荷谱与制动热负荷谱组合作用下辐板孔裂纹的萌生寿命，分析踏面磨耗和辐板孔偏向轮辋对萌生寿命的影响以及促使辐板孔裂纹形成的载荷因素。6．采用1／4节点位移法及子模型技术，建立车轮辐板孔裂纹的三维有限元模型，分析不同载荷作用下应力强度因子的变化规律及辐板孔偏向轮辋和踏面磨耗对应力强度因子的影响，为研究辐板孔疲劳裂纹扩展规律及预测剩余寿命打下基础。7．提出机械载荷与制动热负荷作用下辐板孔裂纹应力强度因子叠加方法，采用Forman公式考虑平均应力的影响，建立辐板孔疲劳裂纹扩展模型，分析不同载荷下辐板孔裂纹扩展规律，确定使辐板孔裂纹扩展的载荷条件。8．计算两种孔位中等磨耗轮在机械载荷谱与制动热负荷谱组合作用下的剩余寿命，并与大秦线试验结果、HMIS跟踪统计结果进行比较，为含辐板孔裂纹车轮能否继续使用提供理论和试验依据。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-8
ABSTRACT  8-13
1 绪论  13-25
  1.1 选题背景与工程意义  13-14
  1.2 车轮损伤及破坏的主要形式  14-16
  1.3 车轮强度与疲劳的研究现状  16-22
    1.3.1 车轮应力分析技术的发展  16-18
    1.3.2 车轮疲劳强度评定技术的发展  18-19
    1.3.3 车轮疲劳的断裂力学研究现状  19-21
    1.3.4 疲劳寿命预测方法的发展  21-22
  1.4 本文主要研究内容  22-25
2 840D车轮辐板孔裂纹的调查与统计分析  25-32
  2.1 辐板孔裂纹调查数据的宏观分析  25-27
  2.2 参数相关性分析  27-29
    2.2.1 轮辋厚度与使用时间、裂纹率的关系  27-28
    2.2.2 裂纹率与辐板孔位的关系  28-29
    2.2.3 辐板孔裂纹前沿的形状变化规律  29
  2.3 小结  29-32
3 典型辐板孔裂纹车轮失效分析  32-40
  3.1 车轮失效分析概况  32-33
  3.2 检验结果与分析  33-38
    3.2.1 宏观断口分析  33-35
    3.2.2 化学成分分析  35-36
    3.2.3 力学性能试验  36-37
    3.2.4 裂纹源区附近金相组织及夹杂物  37
    3.2.5 断口裂纹源区扫描电镜检验及能谱分析  37-38
  3.3 分析与讨论  38
  3.4 小结  38-40
4 辐板孔裂纹形成原因分析  40-70
  4.1 机械载荷工况下辐板孔的疲劳强度分析  40-49
    4.1.1 货车车轮的设计规范  40-42
    4.1.2 车轮有限元模型的建立  42-43
    4.1.3 计算载荷工况  43
    4.1.4 计算结果分析  43-46
    4.1.5 机械载荷下的辐板孔疲劳强度评定  46-49
  4.2 不同制动工况下的温度场和热应力场分析  49-62
    4.2.1 理论分析及数学模型的建立  49-51
    4.2.2 材料的物理参数  51-52
    4.2.3 边界条件的确定和施加  52-55
    4.2.4 计算结果及分析  55-62
  4.3 制动热负荷下辐板孔疲劳强度评价  62-66
    4.3.1 辐板材料及辐板孔裂纹始裂部位的S—N曲线  62-65
    4.3.2 制动热负荷下辐板孔疲劳强度评价  65-66
  4.4 制动热负荷与机械载荷综合作用下辐板孔边裂纹形成条件分析  66-68
    4.4.1 应力循环和应力叠加  66-67
    4.4.2 辐板孔裂纹形成条件分析  67-68
  4.5 小结  68-70
5 辐板孔疲劳裂纹萌生寿命估算  70-86
  5.1 疲劳分析方法概述  70-72
  5.2 疲劳累积损伤理论  72-73
  5.3 车轮载荷谱的确定  73-76
  5.4 辐板孔裂纹萌生寿命的估算  76-84
    5.4.1 局部应力应变法估算寿命的基础曲线  76-78
    5.4.2 局部应力和应变分析  78-79
    5.4.3 累积损伤计算与疲劳寿命估算  79-84
  5.5 小结  84-86
6 典型工况下车轮辐板孔裂纹应力强度因子的有限元研究  86-107
  6.1 线弹性断裂力学与应力强度因子  86-89
  6.2 有限元法求解应力强度因子的原理  89-93
    6.2.1 有限元位移法求解应力强度因子  90-91
    6.2.2 有限元应力法求解应力强度因子  91
    6.2.3 奇异单元法求解应力强度因子  91-93
  6.3 子模型技术  93-95
  6.4 车轮辐板孔裂纹应力强度因子的研究  95-105
    6.4.1 用子模型技术求解应力强度因子  95-97
    6.4.2 制动热负荷下辐板孔裂纹应力强度因子  97-100
    6.4.3 机械载荷下辐板孔裂纹的应力强度因子  100-101
    6.4.4 机械载荷和制动热负荷综合作用下辐板孔裂纹应力强度因子  101-102
    6.4.5 应力强度因子的表达式  102-104
    6.4.6 辐板孔裂纹应力强度因子有限元与公式计算结果的比较  104-105
  6.5 小结  105-107
7 辐板孔裂纹疲劳扩展规律与剩余寿命分析  107-126
  7.1 辐板孔裂纹疲劳扩展规律研究  108-118
    7.1.1 辐板孔裂纹疲劳扩展模型  108-109
    7.1.2 车轮辐板断裂韧性的测试  109-112
    7.1.3 辐板孔裂纹扩展速率和扩展条件的定性分析  112-118
  7.2 辐板孔裂纹扩展寿命计算  118-125
    7.2.1 初始裂纹尺寸和临界裂纹尺寸的假设  118-119
    7.2.2 辐板孔裂纹扩展寿命计算方法  119-121
    7.2.3 辐板孔裂纹扩展寿命计算结果  121-123
    7.2.4 疲劳扩展寿命估算结果与跟踪观测试验的比较  123-125
  7.3 小结  125-126
8 结论与展望  126-131
  8.1 论文的主要结论  126-129
    8.1.1 辐板孔裂纹调查统计分析与典型裂纹车轮的失效分析  126
    8.1.2 辐板孔裂纹形成原因及寿命预测  126-128
    8.1.3 车轮辐板孔裂纹扩展条件及剩余寿命的估算  128-129
  8.2 论文的主要创新点  129
  8.3 下一步工作展望  129-131
参考文献  131-136
作者简历  136-139
学位论文数据集  139

货车车轮辐板孔裂纹形成原因及疲劳扩展特性研究

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