（工程力学专业论文）840D车轮辐板（孔）的裂纹成因及疲劳行为研究.pdf

北京变通大学硕士学位论文 摘要 8 4 0 d 车轮目前在我国铁路货车上占有7 3 ，担负着重要的运输任务。 然而，通过对铁路货车车轮检修统计结果表明，8 4 0 d 货车车轮辐板孔周围 出现疲劳裂纹，带辐板孔疲劳裂纹的车轮数量占车轮总数的7 7 左右，并 且有上升趋势，对铁路货车运输安全构成了严重威胁，并且已经出现了事 故，区f 此，解决当前货车8 4 0 d 车轮辐板孔存在的疲劳裂纹问题已成为迫切 需要研究的课题。 本文针对8 4 0 d 车轮，借助有限元n a s t r a n 软件计算了车轮备工况 下机械载荷、热载荷作用下的应力场分布，得出车轮辐板孔裂纹萌生的原 因是车轮摩擦制动在辐板上产生的径向拉应力；其次提出了利用s w _ t 方 法预测辐板孔裂纹萌生寿命的方法，该方法可借助有限元软件m s c f a t i g u e 进行计算，计算简单，计算得到的裂纹萌生位置与实际位置一致，并且也 得到了实验验证。本文最后，总结了我国目前车轮辐板孔裂纹存在原因， 并对今后我国新型车轮的研究方向提出展望。 关键词车轮辐板有限元分析长坡制动裂纹萌生 摘要 a b s t r a c t i nr e c e m y e a r s ，d e f e c to f p l a t eh 0 1 ec m c k h a v eb e e nv e 巧s e r i o u s0 nw h e e l s o fc h i i l e s ew a g o n 8 4 0 dw h e e l s ，w l l i c ht a k eo nm em a i l lt r a l l s p o r t a t i o nt a s k ， a c c o u n tf o r7 3 o ft l l e t o t a l h o w e v e r p e r c e n t a g eo f w h e e l sw i t l lp l a t eh 0 1 e c r a c k si n c r e a s e sd r 啪a “c a l l yi nw h e e lc h e c k i n g ，u pt o7 ，7 ，a 1 1 ds h o wa t e n d e n c yt oi n c r e a s ei | 1f u t l l r e h e n c e ，i ti m p o s e sas e r i 伽st l l r e a to nt h es a f b 哪o f r a i l w a yt r a f l s p o n a t i o n t h e 劬c n l r co ft h ew a g o nw h c c lh a sr c s l l l t e di ns o m e s e r i o u sm n n i n ga c c i d e n ti nc h i l l a t h e r e f b r e ，t os o l v et h e f a t i g u e c r a c k s p m b l e mo f 8 4 0 dw h e e ip l a t eh o l ei s 蛆u r g e n tt a s k 1 1 1 p r e s e n tp a p e lf i r s c l y ，t h es 仃e s sd i 刚b u t i o no f8 4 0 dw h e e ll l i l d e rt h e a c t i o no fm e c h a n i c a la n dt h e m a ll o a d si si n v e s 6 9 a t e db yu s i i l gn a s t r a n s o 胁a r c ，t h er c s u l t ss h o wt h a tt h ef a t i g u ec r a c ki n i 廿a n o n1 i f eo fw h e e lp l a t e h 0 1 ei sm o s d yc a u s e db yt l l er a d i a l 妇1 s i l es h 七s sn e a rt h ep l a t eh 0 1 ew h e nw h e e l j s 疗j c t i o nb r a l ( e t h e n ，t l 】em e t l l o dt 0p r e d i c tm ec r a c k 埘矗a 石o nl j f eo fw h e e 】 p l a t eh 0 1 ei sp r e s e n t e db a s e d0 nt h es m i t h w h t s o n t o p p e rm o d e lb yu s m gt h e m s c f a d g u es o 行w a r e t h ep r e s e n tm e t h o dn e e dl i t c l c rp a r a m e t e rt h a nt h a to f o t h e r s ，a n da l s oi ss i i i l p l ea 1 1 du s e mme n g i n e e r i i l g 1 1 l en u i n e r i c a lr e s u i t so f c r a c ki n i t i a t i o ns i t ea r emg o o da g r e e m 朋tw i t ht h a to fp r a c t i c a lo p e r a t i o no f w h 1 l a s t l y w es u m w a r yt l l er c a s o no fm ef a t i g u ec m c ki n i t i a t i o no fw h e e l p l a t eh o l e ，柚dg i v et h e 向t i l r er e s e a r c hd i r e c t i o no f t l l en e w s t y l ew h e e li l l c h i n a k e y w o r d s ：w h e e lp l a t e ；t h ef h m i t ee l e m e n ta i l a l y s i s ；l o n gb r a k e ；c r a c ki n i t i a t i o n l i 第一章 绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题来源于铁道部，是“货车车轮辐板( 孔) 的疲劳行为及对策” 的主要内容之一。 火车作为一种交通运输丁具，无论在货物运输还是旅客运输上， 有很大的比重，其运输的安全性也是国家安全生产的重要方面之一 输经济持续快速发展的保障。 都占 是运 火车车轮是铁道机车车辆走行部的重要组成部件之一，它不但承受着 机车车辆的自重与载重，而且还与钢轨、闸瓦及环境介质有着非常复杂的 作用，是在承受着极其复杂的应力状态下工作的。车轮又是机车车辆用钢 量最大的部件之一，每年都有大量的车轮钢被损耗掉，因此车轮质量的优 劣直接影响着铁路的运输效率、经济效益和安全性。 随着铁路提速、重载运输的发展，对车轮性能提出了更高要求，凶此 需要开展对旧车轮辐板( 孔) 裂纹萌生以及疲劳行为的研究工作，同时也 为设计新型车轮提出参考。 1 2 火车车轮发展概况 火车车轮的结构、形状、尺、j 及材质是多种多样的【l 】，按结构分，可分 为轮箍轮和整体轮。轮箍轮又可分为铸钢辐板轮心、辗钢辐板轮心及铸钢 辐条轮心的车轮；整体轮从材质上又可分为辗钢车轮、铸钢车轮。 辗钢轮是由钢锭或轮坯经过加热辗轧而成，并经过淬火热处理。辗钢 轮的主要优点是强度高，韧性好，安全可靠，能多次维修使用，且耐磨性、 耐热裂性和耐剥离性都较好，能经受高速重载作用。其主要缺点是生产设 第一章 列车的基础制动方式主要有摩擦制动，电阻制动和磁轨涡流制动等。 其中摩擦制动应用最广【5 】，摩擦制动又分为踏面制动和盘形制动两种，踏面 制动元件为闸瓦，盘形制动元件为制动盘和闸片摩擦副。 目前我国普通列车及货车制动主要采用踏面制动方式，准高速列车制 动方式为机车采用踏面制动，车辆采用踏面制动和盘形制动的组合方式。 踏面制动的闸瓦主要有铸铁闸瓦、粉末冶金闸瓦、合成闸瓦等。其中合成 闸瓦应用越来越广泛，但其导热性差，制动时热量难以散发，大部分热量 被车轮吸收，使得车轮温度升高，极有可能使得车轮材料的组织、性能发 生改变，并导致热疲劳损伤，其危害性非常巨大。新型整体铸钢轮的热疲 劳损伤仍将是车轮的重要失效形式之一。铁路历史上已有很多车轮因热疲 劳损伤而失效的例子，有的甚至带来灾难性的事故，冈此对于车轮的热疲 劳研究显得非常重要，具有深远的理论和现实意义。 1 3 目前国内外火车车轮运行中存在的问题 火车车轮在正常运行情况下，轮轨间相互作用，闸瓦与车轮间相互作 用，以及轮座和轮毂问相互作用，因此，存在着不同程度的损伤。目前， 火车车轮的损伤问题在国内外普遍存在，也造成了许多严重后果。归纳总 结，火车车轮损伤主要有以下几种形式： ( 1 ) 磨损：主要有踏面磨损和轮缘磨损两种。踏面磨损主要是由垂直载荷 作用与滚动摩擦形成的磨损，滑动成分很少。据报道，滑动量2 的踏面磨 损属于正常，其镟修量不大。轮缘磨损主要是由车轮通过弯道，以及车辆 的蛇行运动和横向载荷作用下的滑动磨损所导致。 ( 2 ) 辐板裂纹：从外因角度来看，辐板裂纹主要是由轮轨相互作用产生的 热应力，以及车轮受到水平作用力( 横向力) 所导致的。从内因角度来看， 是由于车轮本身材质缺陷而产生的。这些缺陷主要有钢锭表面裂纹，锻造 第一章 绪论 万片，而用于更换在役故障车轮仅剩9 万片，与前述在役故障车轮数2 8 万 片相比，缺口达6 8 。因此，为满足铁路运输用车和保证铁路运输安全的 需要，必须对车轮运行的安全性和车轮的剩余寿命做出评价，而为了使评 价的正确性及准确性，需要对车轮的疲劳问题进行研究。下图为8 4 0 d 车轮 辐板产生裂纹的照片，绿色箭头处为裂纹萌生位置。 图1 18 4 0 d 车轮辐板产生裂纹照片 1 5 国内外关于车轮疲劳研究概述 1 5 1 关于疲劳发展史 有记载的最早的疲劳实验是德国人w a 艾伯特于1 8 9 2 年进行的6 。l 。 他对矿山提升用的焊接链反复加载，在1 0 5 循环后破坏。矿用链在反复加载 一段时间后的破坏及机车车轴运行一段时间后在轴肩处的破坏，与单调加 载造成的破坏完全不同。1 8 3 9 年，法国人j v 澎赛列在他的著作中首次使用 了“疲劳”这个名词。1 8 4 3 年，苏格兰人w j m 兰金讨论了机车车轴的破 坏口l ，认为是由于运行过程中金属性能逐渐变坏所致。他分析了车轴轴肩处 7 北京交通大学硕 学位蹬文 尖角的有害影响，指出加大轴肩圆角的半径可以提高其疲劳强度。与此同 时，英国成立了一个委员会，调查用铁作为建造铁路桥梁的材料的适用性， 在对铸铁梁进行了若干次试验后指出，梁在静载荷下可以承受接近破坏的 载荷达四年而不破坏，但如果用静破坏载荷之半使梁反复弯曲，只要1 0 0 0 次循环梁就破坏了。 第一次对疲劳进行系统试验的是德国人a 沃勒，他从1 8 4 7 年至1 8 8 9 年在斯特拉斯堡皇家铁路工作期间，完成了循环应力下的多种疲劳试验【9 】。 1 8 5 0 年，他设计了旋转弯曲疲劳试验机，用来进行全尺_ 、j 机车车轴的疲劳 试验和在不同应力状态下的疲劳试验，认识到疲劳破坏可以在应力低于弹 性极限时发生，并存在一个应力幅极限值，当应力幅小于该值时就不会发 生疲劳破坏。他从应力一寿命图上指出，疲劳寿命随应力幅增大而降低。 这样，a 沃勒首次提出了应力一寿命曲线及疲劳极限的概念。此外，他还 研究了热处理、应力集中和叠加静载荷对疲劳的影响，他说，对疲劳来讲， 应力幅要比平均应力更为重要。a 沃勒为常规疲劳强度设计奠定了基础。 1 8 8 4 年，j 包辛格在验证a 沃勒的疲劳试验时，发现了“循环软化” 现象，当时并未引起人们的重视，直到1 9 5 2 年柯扬在做铜棒的疲劳试验时 才被重新提出来，并被命名为“包辛格效应”。因此，j 包辛格是首先研究 循环应力一应变关系的人。 关于平均应力对疲劳寿命的影响，a ，沃勒在1 8 5 8 年就指出：在任何给 定寿命下引起破坏的应力幅值，随着平均应力的增大而减小。1 8 7 4 年，w 伯格根据a 沃勒的试验数据，对平均应力不为零的疲劳破坏概念以“极限” 二字来表达，在某一给定寿命下部可画出相应的疲劳极限曲线图，即伯格 抛物线。1 9 3 0 年，英国人j 古德曼对疲劳极限曲线图提出了简化假设，即 用直线连接纵轴上的对称循环疲劳极限点和横轴上的强度极限点，以此来 替代伯格抛物线。由于古德曼疲劳极限曲线图简单，所以至今仍在常规疲 8 第一章 劳强度设计中应用。 到十九世纪末叶，人们对疲劳破坏机理还缺乏正确的认识。当时将结 构材料分为塑性材料和脆性材料两种，并认为塑性材料是纤维状结构，脆 性材料是晶体结构，金属在循环应力作用下的疲劳，是由于它改变了自己 的结构，由塑性材料变成晶体结构的脆性材料的缘故。其后由于应用金相 显微镜能观察金属的微观结构，才发现上述说法是不正确的。 1 9 0 3 年，j a 尤因和j c w 汉佛莱对退火的瑞典铁进行了旋转弯曲疲劳 试验，在试验过程中，用光学显微镜观察试样发现，在循环应力作用下晶 体中产生滑移线，随着循环数的增加，滑移线逐渐变深，变宽，形成滑移 带，并在某个晶体上首先出现开裂，再在晶体之间联接起来一条长的连续 的裂纹，最后导致破坏。这样，就把疲劳破坏与滑移联系了起来，对了解 疲劳机理迈出了一大步。 1 9 2 3 年，英国人h j 高夫对疲劳破坏机理提出了另一种假设。他观察 到在循环应力作用过程中，由于材料的应变硬化，金属产生的反复塑性变 形随循环数的增加而递减。如应力幅低于疲劳极限，将不产生塑性变形； 如应力幅高于疲劳极限，应变硬化将达到一个极限值，从而形成裂纹。为 了进一步阐明疲劳机理，他对多种纯金属的单晶进行了一系列的试验，认 为：疲劳破坏并不是在晶体上产生滑移及应变硬化的结果，而是由于在某 些局部区域中应变超过了极限品格应变，是原子键破坏及晶格中的不连续 所引起的。h j 高夫于1 9 2 4 年在伦敦出版了一本金属疲劳的书，并在金属 疲劳方面发表过八十多篇论文，研究了弯曲与扭转同时作用的复合疲劳， 在疲劳机理方面做出了很大贡献。1 9 2 7 年，h f 穆尔及j b 科默斯在纽约出 版了美国第一本金属疲劳方面的书。1 9 3 9 年，e 奥罗万在半定量的基础上， 对h j 高夫的应变硬化理论进行了解释。他将金属材料看成是散步着“不均 匀点”的弹性机体，当载荷作用时，在不均匀点上应力要比机体上的应力 北京交通大学硕士学位论文 的局部应力应变历程所决定的，可根据零件和构件承受的载荷历程来确定 疲劳破坏部位的局部应力应变历程，并由此进行疲劳寿命估算。 1 5 2 关于疲劳裂纹寿命估算方法简介 疲劳破坏的过程分为三个阶段，即疲劳裂纹的形成、疲劳裂纹的扩展 和瞬时断裂。疲劳裂纹总是首先在应力最高、强度最弱的晶粒上形成：疲 劳裂纹的扩展是在交变载荷作用下的行为，是疲劳裂纹萌生的发展和继续。 构件和零件的疲劳寿命是由两部分组成，即疲劳裂纹萌生寿命和疲劳裂纹 扩展寿命。 疲劳裂纹萌生寿命估算方法： ( 1 ) 名义应力法 基本假定：对任一构件，只要应力集中系数k ，相同，载荷谱相同，它 们的寿命则相同【1 2 】，见图1 2 。此法中名义应力为控制参数。 o 咖o m 口口 图1 2 名义应力法的基本假定 名义应力法中有两个主要的不足是：一是没有考虑缺口根部的局部塑 性；一是标准试样和结构之间的等效关系的确定十分困难，这是由于这种 关系与许多因素有关，例如，结构的几何形状、加载方式和结构的大小、 第一章 应力场强度法( s f i ) 提出了一个新的参数一应力场强函数口。来描述 结构的应力强度。此模型给出的参数口。如下 a 一2 吉，( q 胂) 西 式中，口。为应力场强度，q 为缺口破坏区，矿为q 的体积，( 口，) 为应力 函数，妒( ，) 为权函数。 用场强法预测结构的疲劳裂纹形成寿命时，需要循环应力一应变曲线和 s ，曲线。 疲劳裂纹扩展寿命估算方法： 对于疲劳裂纹扩展寿命的估算，根据断裂力学原理 1 6 】，用应力强度因 子范围作函数所表示的裂纹扩展速率睦线已经广泛用于疲劳裂纹扩展寿命 的研究。 对于一个含有初使表面裂纹吼的构件，在承受静载荷( 一般环境) 时， 只有其应力水平达到临界应力盯时，即裂纹顶端的应力强度因子达到临界 值巧。( 或足。) 时，才会发生失稳断裂。对于一般的裂纹扩展问题，应力 范围一般为口= 盯一一盯。，其相应的应力强度因子范围可以定义为 臣= k 0 缸一置m h = d 翮 ( 1 2 ) 式中，脯一应力强度因子范围 y 一无量纲参数，取决于试样和裂纹的几何形状。 疲劳裂纹扩展速率被定义为在小量循环( ) 过程中裂纹扩展量为 缸，则裂纹扩展速率为叫，在极限情况下，写出微分形式驯a 。实 第一章绪论 第二章主要对n a s t r a n 软件以及利用该软件对车轮进行有限元计算 的原理进行了简单介绍。 第三章对8 4 0 d 货车车轮在运行过程中的受力情况、制动情况进行了分 析，并且考虑了车轮的几何因素、载荷因素、边界条件等情况建立了车轮 进行有限元计算需要的模型。 第四章运用有限元n a s n 认n 软件对车轮辐板( 孔) 裂纹成因分析， 得出不同工况下车轮辐板应力分布图，分析出辐板裂纹萌生的原因。 第五章提出计算车轮疲劳裂纹萌生寿命的计算方法，针对8 4 0 d 货车进 行了疲劳裂纹萌生寿命计算，并对产生裂纹的车轮维修后的剩余寿命进行 了估算。同时，针对8 4 0 d 车轮的辐板疲劳裂纹寿命进行了实验将理论值 与实验值进行了比较。 第六章为结论与展望。 1 6 2 论文的主要贡献 l 、分析了8 4 0 d 火车车轮辐板( 孔) 裂纹萌生原因； 2 、提出了一+ 种近似计算火车车轮辐板裂纹萌生寿命的方法： 3 、利用上述方法，并结合软件，计算出8 4 0 d 车轮的裂纹萌生寿命以及 对车轮辐板维修后的剩余寿命进行了评价； 4 、通过疲劳实验，测定车轮辐板实际裂纹萌生寿命，且在实验过程中再 一次证明了疲劳实验中，应力集中系数的不敏感性： 5 、从影响裂纹萌生寿命的角度，为新型车轮的设计提供了参考。 北京交通大学硕士学位论文 第二章有限元计算车轮辐板( 孔) 裂纹 萌生寿命的原理 2 1 有限元n a s t r a n 软件简介 n a s t r a n 【4 叫是m s c s o r w a r e 公司的系列产品之一，m s c s o f t v v a r c 公 司的产品被广泛应用于各个行业的工程仿真分析，包括国防、航空航天、 机械制造、汽车、船舶、兵器、电子、铁道、石化、能源、材料t 程等各 个工业领域，用户遍及1 0 0 多个国家和地区的主要设计制造工业公司和研 究机构，其中覆盖了全球9 2 的机械制造部门，9 7 的汽车制造商和零部 件供应商，9 5 的航空航天公司和9 8 的国防及军事研发部门。 n a s t r a n 是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系 统，其开放式、多功能的体系结构不仅可将工程设计、工程分析、结果评 估集于一身，而且具有很高的软件可靠性，品质优秀，得到有限元界的肯 定。n a s t r a n 的丰要功能如下： l 、静力分析：静力分析是工程结构设计人员使用最为频繁的分析手段，主 要用来求解结构在静力载荷( 如集中、分布静力、温度载荷、强制位移、 惯性力等) 的作用下的响应，并得出所需的节点位移、节点力、约束力、 单元内力、单元应力和应变能等。该分析同时还提供结构的重量和重心数 据。n a s t r a n 支持全范围的材料模式，包括：均质各项同性材料、正交 各项异性材料、各项异性材料、随温度变化的材料。 2 、屈曲分析：屈曲分析主要用于研究结构在特定载荷下的稳定性以及确定 结构失稳的临界载荷，n a s t r a n 中的届曲分析包括线性屈曲和非线性屈 曲分析。线弹性失稳分析又称特征值屈曲分析；线性屈曲分析可以考虑固 定的预载荷，也可使用惯性释放；非线性屈曲分析包括几何非线性失稳分 第二章有限元计算车轮辐板( 孔) 裂纹萌生寿命的原理 析、弹塑性失稳分析、非线性后屈曲分析。在算法上，n a s t r a n 采用先 进的微分刚度概念，考虑高阶应变一位移关系，结合n a s t r a n 特征值抽 取算法可精确地判别出相应的失稳临界点。该方法较其他有限元软件中所 使用的限定载荷量级法具有更高的精确度和可靠性。此外，n a s t r a n 提 供了另外三种不同的a r c l e n g t i l 方法，特别适用于非稳定段和后屈曲问题 的求解，不但可帮助分析准确地找出失稳点，而且还可跟踪计算结构的非 稳定阶段及后屈曲点后的响应。 3 、力学分析：结构动力学分析是n a s 认n 的主要应用之一。结构动力分 析不同于静力分析，常用来确定时变载荷对整个结构或部件的影响，同时 还要考虑阻尼及惯性效应的作用。全面的n a s t r a n 动力学分析功能包括 特征模态分析、直接复特征值分析、直接瞬态响应分析、模态瞬态响应分 析、响应谱分析、模态复特征值分析、直接频率响应分析、模态频率响应 分析、非线性瞬态分析、模态综合、动力灵敏度分析等。在应用时，针对 于中小及超大型结构动力学问题时，可选用n a s t r a n 不同的动力学方法 加以求解。 4 、非线性分析：非线性问题主要包括几何非线性分析、材料非线性分析、 非线性边界( 接触问题) 、非线性瞬态分析、非线性单元等。几何非线性分 析研究结构在载荷作用下几何模型发生变形、如何变形、几何变形的大小 等问题，所有这些均取决于结构受载时的刚性和柔性。非稳定段过渡、回 弹、后屈曲分析的研究都属于几何非线性的应用。当材料的应力和应变关 系是非线性时要用到这类分析，包括非线性弹性、超弹性、弹塑性、塑性、 粘弹塑性及蠕变等，适用于各类各向同性、各向异性、具有不同拉压特性 及与温度相关的材料等。非线性边界问题又称接触问题，如齿轮传动、冲 压成形、橡胶减震器、紧配合装配等。n a s t r a n 提供了两种方法：一是 三维间隙单元( g a p ) ，支持开放、封闭或带摩擦的边界条件：二是三维滑 北京交通大学硕士学位论文 移线接触单元，支持接触分离、摩擦及滑移边界条件。非线性瞬态分析可 用于分析结构的材料非线性行为、几何非线性行为( 如大位移、超弹性材 料的大变形、追随力) 、边界条件的非线性行为( 如结构与结构的接触、缝 隙的开与闭合、考虑摩擦与否、强迫位移) 。非线性单元如非线性阻尼、弹 簧、接触单元等，非线性弹簧单元允许用户直接定义载荷位移的非线性关 系。 5 、热传导分析：通常用来校验结构零件在热边界条件或热环境下的产品特 性，利用n a s 耵m n 可以计算出结构内的热分布状况，并直观地看到结构 内潜热、热点位置及分布。可根据计算结果改变发热元件的位置、提高散 热手段、绝热处理或其他方法优化产品的热性能。n a s t r a n 可以解决包 括传导、对流、辐射、相变、热控系统在内的热传导现象，并真实地仿真 各类边界条件，构造各种复杂的材料和几何模型，模拟热控系统，进行热 一结构耦合分析。 6 、流一固耦合分析：主要用于解决流体与结构之间的相互作用效应。 n a s t r a n 中拥有多种方法求解完全的流固耦合分析问题，包括流。固耦合 法、水弹性流体单元法、虚质量法。流固耦合法广泛用于声学和噪音控制 领域中，如发动机噪声控制、汽车车厢和飞机客舱内的声场分布控制和研 究等。分析过程中，利用直接法和模态法进行动力响应分析。水弹性流体 单元法通常用来求解具有结构界面、可压缩性及重力效应的广泛流体问题， 可用于标准的模态分析、瞬态分析、复特征值分析和频率响应分析。虚质 量法主要用于分析结构沉浸在一个具有自由液面的无限或半无限液体里， 容器内盛有具有自由液面的不可压缩液体以及两种情况组合问题。 此外，n a s t r a n 的功能还包括空气动力弹性及颤振分析、多级超单 元分析、高级对称分析、设计灵敏度及优化分析等。总之，n a s 碾a n 具 有功能强大、界面友好、结算结果可靠等优点，是一个非常优秀的有限 第二章有限元计算牟轮辐板( 孔) 裂纹萌生寿命的原理 妒= 庐 k 篆璩+ k y 酱+ t z 蓑k = s ( r ，边界上) ( r ，边界上) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 哎婺珥+ 砖婺q 十哎娑吃： ( 九一) ( r 3 边界上) ( 2 4 ) 黜。卯。韶 式中，p 一材料密度( k g m 3 ) 5 c 一材料比热( j k g k ) ； 卜肘问( s ) ： 屯，t ，t 一分别是材料沿x ，弘z 方向的热传导系数( w m - k ) ； q = q ( x ，y ，：，f ) 一物体内部的热源密度( w k g ) ； q ，氇一是边界外法线的方向余弦； = 妒( r ，f ) 一是r 。边界上的给定温度； g = g ( r ，f ) 一是r ：边界上给定热流量( w m 2 ) ； 一放热系数( w m 2 k ) ； 丸= 丸( r ，f ) 一在自然对流条件下，纯是外界环境温度： 在强迫对流条件下，疵是边界层的绝热壁温度。 边界应满足： r l + r ：+ r ，= r( r 是q 域的全部边界) ( 2 5 ) 微分方程( 2 1 ) 是热量平衡方程，式中第一项是微体升温需要的热量， 第二、二、四项是由y ，z 方向传入微体的热量，最后一项是微体内热源产 生的热量。微分方程表明：微体升温所需的热量应与传入微体的热量以及 北京交通大学硕士学位论文 的载荷项。 2 3 2 利用有限元计算车轮疲劳裂纹萌生寿命原理 ( 1 ) 根据上述原理，利用线弹性方法计算出不利工况下的车轮应力场分布。 ( 2 ) 输入计算所需要的材料参数，包括弹性模量e 值，强度系数足值，应 变硬化指数”值，轴向疲劳强度参数唠值，轴向疲劳韧性参数弓值，疲劳 强度指数6 值，疲劳韧性指数c 值，缺口应力集巾系数五值。通过e 值、丘 值以及月值，根据公式4 8 1 ：t + s 。：旦+ f 三r ( 2 3 0 ) 仁p 铲i + l 刮 2 3 可得到材料的循环应力应变曲线，见图2 3 。 应力口 o 应变s 图2 3 材料的应力啦变曲线 通过唠值、弓值、6 值、c 值，根据公式 等= 等+ 等= 譬( ：) 6 + 弓( z ) 。 旺s 。 可得到材料的应变一寿命曲线，见图2 4 。 3 0 第二章有限元讣算车轮辐板( 孔) 裂纹萌生寿命的原理 吒 盯 图2 6 用诺伯曲线求缺口真实应变 ( 5 ) 利用曼舳l 瓠i 掣j j 雾雏积“鞠麟氍筝萋塑聪慧饔型律墨瞿毡。哥墓l i 匿辩醵娶射坚 弱s 堆孺娶两确裾算循抹。的能耗是线件，n 力啦而事 实上摹王缛；乏塾零再孽暇眨鬻螺藿器豁。薯i 俑僳济爨 迎羹 孬冀! i i 参一象峭稳弓信，酚娶纂是非线性的这关键 荪。彰蒿萋lj分 有前途的方法。 ( 4 ) 场强法 基本假定：由相同材料制成的构件( 元件或结构细节) 如果在疲劳失 效区域承受相同应力场强度历程，则具有相同的疲劳寿命 1 5 1 ，见图1 5 。此 法的控制参数是应力场强度。 图s 应力场强度模型 审 北京交通大学硕士学位论文 第三章关于8 4 0 d 货车车轮有限元模型建立 3 1 引言 为了保证8 4 0 d 货车车轮的安全使用，必须要弄清楚车轮辐板裂纹产生 的机理，研究8 4 0 d 货车车轮辐板孔裂纹的应对措施以及进行修理的方法与 工艺，从而延长车轮辐板疲劳寿命，为此有必要首先对车轮的受力进行分 析，车轮的制动情况进行分析，然后借助u g 制图软件来建立模型，利用有 限元软件n a s t r a n 来仿真模拟。本章即先对车轮进行受力情况、制动工况 进行分析，从而建立模型。 3 。2 车轮受力情况分析 车轮除受自身重力之外，主要与钢轨、闸瓦及轮座之间存在相互作用。 ( 1 ) 车轮与钢轨的作用。车轮与钢轨的作用可分为垂直荷载和水平荷载。 垂直荷载在线路上动态实测非常困难，般可用赫兹公式进行理想简化计 算；此外，车轮通过道岔时也会受到冲击载荷作用。水平载荷主要产生滑 动摩擦力的效果，车轮通过弯道时的离心力会给车轮带来水平载荷，蛇行 运动也会给车轮带来水平载荷。( 2 ) 车轮和闸瓦的相互作用。车轮在闸瓦 踏面制动下产生热疲劳损伤。( 3 ) 轮座和轮毂间的相互作用。正常情况下， 车轴与车轮的过盈配合所产生的变形应该处于弹性范围，对于车轮来说， 产生圆周拉伸应力和径向压缩应力。当车轴产生温升而膨胀时，轮座和轮 毂之间的作用力剧增，会导致配合的松弛，产生热轴。 3 3 车轮制动情况 目前我国普通列车制动主要采用踏面制动方式，准高速列车制动方式 第三章关于8 4 0 d 货车车轮有限元模型的建立 为机车采用踏丽制动，车辆采用踏而制动和盘形制动的组合方式。踏面制 动闸瓦主要有铸铁闸瓦、粉末冶金闸瓦等。其中合成闸瓦应用越来越广泛， 但其导热性差，制动时热量难以散发，大部分热量被车轮吸收，使得车轮 温度升高，极有可能使得车轮材料的组织、性能发生改变，并导致热疲劳 损伤，其危害性非常巨大。 8 4 0 d 车轮是早期生产的货车车轮，制动方式为闸瓦制动，车轮在闸瓦 踏面制动的情况下，轮瓦之间发生摩擦而生热，使得车轮踏面、轮缘、轮 辋等部分温度急剧商升，列车停i e 后，车轮温度又要降低，在车轮内部产 生的温度梯度及其导致的热应力场也不断的变化。这样频繁制动，必然使车 轮产生热疲劳损伤，进而会在车轮辐板或踏面上萌生出热疲劳裂纹。 随着高速重载列车的发展，对车轮及制动装置也提出了更高的要求， 这是因为列车的制动功率与车速成三次方关系1 5 2 】，也就是说，车速提高一 倍，列车制动功率需增加八倍。这对于高速列车要在很短的时间内停卜来， 确实是一个非常关键的问题，因此，新型整体铸钢轮的热疲劳损伤仍将是 整体铸钢轮的重要失效形式之一。 3 4 建立模拟实际工况的车轮模型 3 4 1 建立车轮的几何模型 8 4 0 d 货车车轮直径为8 4 0 m m ，轮辋厚6 5 为吊装方便，辐板两侧各 有直径为5 0 m m 的孔。然而，车轮在长期运行过程中，由于踏面与轮轨的接 触，轮辋会有不同程度的磨损，磨损最大处经测量可达3 3 m 。车轮辐板在 打孔时，由于偏差，有部分轮存在孔中心位置偏向轮缘1 5 聊m 情况，因此， 我们在建立车轮模型时，考虑上述几何因素，将建立如下三种情况的车轮 模型： 筇三章关于8 4 0 d 货车车轮有限元模型的建立 图3 28 4 0 d 车轮轮辋无磨耗，辐板孔位置无偏有轴模型 3 4 2 建立车轮的简化受力模型 机械载荷( 按受力方向分) ： ( 1 ) 垂直载荷rr = 2 1 0 月m 车轮每转动+ 周为个载荷循环； ( 2 ) 横向载荷hh - 1 0 5 疆横向载荷作用于轮缘，取为垂向载荷的 一半，车轮每转动一周为一个载荷循环； 热载荷( 按车轮制动工况分) ： ( 1 ) 坡道制动：按制动功率为2 0 删制动时间为1 0 分钟计算，车 轮踏面受热面积为o 2 1 1 z 热流为9 4 7 8 6 7 3 协锄。，此处热流 按1 0 0 转化到轮子计算。( 因为在后面计算中考虑了车轮在运 转中的散热问题。) ( 2 ) 紧急制动：初速度按6 0 砌届计算，轴重2 1 吨，高磨合成闸瓦压 力1 8 3 4 肌( 摩擦系数o 2 8 7 ，受热面积为o 2 1 1 z 则此时的热 流为4 1 4 7 3 3 4 协锄2 ，由于紧急制动时作用时间较短，车轮来 北京交通大学硕士学位论文 不及散热，因此，不考虑车轮运行中的散热，热流按1 0 0 转化 到车轮计算。 3 4 3 两种车轮模型的边界条件 ( 1 ) 对于中间无轴的车轮模型，其边界条件为：计算温度场时，车轮踏 面加热流；计算应力场时，车轮中间轴位置加固定约束，热载荷按 计算所得到的温度场导入，机械载荷分别在车轮踏面与孔位置成0 。 及9 0 。处加载。 ( 2 ) 对丁中间加轴的车轮模型，在计算温度场时，其边界条件与中间无 轴模型相同，即车轮踏面处加热流，计算温度场时，热载荷及机械 载荷加载也与中问无轴模型相同，其区别主要时所加约束不同，此 模型是将轴一侧加水平及垂直于纸面两个方向的约束，将车轮踏面 与孔位置成0 。处加竖向约束。 3 5 小结 本章针对我国8 4 0 d 货车车轮，分析了火车运行时车轮的受力情况，制 动情况。根据受力分析的结果，结合实际制动的工况，建立了车轮不同的 几何模型、简化受力模型，并给出了不同的几何模型所对应的不同的边界 条件，从而为下一章利用n a s t r a n 有限元软件进行车轮的应力计算打下基 础。 第四章关于8 4 0 d 车轮辐板( 孔) 的袭纹成困的有限元分析结果 第四章关于8 4 0 d 车轮辐板( 孔) 的裂纹成因的 有限元分析结果 4 1 车轮材料参数 8 4 0 d 货车车轮利用n a s t r a n 软件计算，计算参数见下表4 1 。 表4l 有限儿计算采用的材料参数 a a r 规定值计算值 初始温度 7 56 ，2 5 ”c 密度p 0 2 8 3 舾，加 7 8 3 0 培m 3 比热巳 0 1 0 2 曰r u 功f 4 2 6 6 ，培t 导热系数k 2 0 1 占i u ，加甩f 4 8 6 ，卅七 导流系数 4 b u | h 弦f2 2 7 2 ，2 女 弹性模量e 29 1 0 7 f 6 衍1 7 5 x 1 0 5 慨 泊松比r o3o 3 热膨胀系数4 6 ，o + o 0 0 2 ( 丁一7 5 ) 】0 4 】，a ，0 6 3 2 + o 0 0 0 7 乃1 0 4 l 4 2 紧急制动工况下计算结果 4 2 1 车轮无轴、无磨损、孔位置无偏模型计算结果( 图4 1 、4 2 ) 4 2 1 车轮无轴、无磨损、孔位置无偏模型计算结果( 图4l 、4 _ 2 ) 北京奄 i i 霉哇啊曩哮唯喱 羹鬟雾蓑罂譬理蓁篓囊耋霎矍薹 兰：i 匡隆墓堪霎黎霪篓囊鋈鋈麓鬟萋篓冀 第四章美手霪囊譬氟甾韵烈 磊。夔熏嚣墓譬j 蒸霾霞墨岳浮：雒裂剥捌鸶前堆霎淳罐灌滑，薛“珑眶 鞴翡妻唔i 蓊骂警掣副爱荫l 喾善= g | 罄璁霾；螨蓊弱私门塑襄霾薹蜓鬻鼎 嚣孔位置五疆馐售溜嗡儒嘶攀奠羡蔷黍： 第四霉苯j 三器爨譬锄副引羁 麓羹纛黪鬣。蚕器群薹专蓑囊鬟霞鏊磊耋耄鬟篓摹髦i 塞蓁爹协轸萋 茎萋交羹j 羹t 重莲；囊麓。蓁i 喜垂莛i l 笠l f q j i t r i 蠡里。 i? j 第四章关于8 4 0 d 车轮辐板( 孔) 的裂纹成因的有限元分析结果 4 3 3 车轮无轴、无磨损、子l 位置偏向轮缘1 5 埘m 模型计算结果( 图4 1 1 、 4 1 2 ) 图4 1 l 无轴、无磨损、孔位置偏1 5 m m 模型长坡制动l o 分钟时温度场分布图 圈41 2 无轴、无磨损、孔位置偏1 5 m 模型温度载荷作用下径向应力场分布图 北京交通大学硕士学位论文 从图4 2 、4 ，4 、4 6 、4 8 、4 1 0 、4 1 2 可以看出，紧急制动工况下，车 轮无磨损、孔位置无偏时，孔边径向应力最大值约为6 2 5 坳，磨损2 0 m m 、 孔位置无偏时，孔边径向应力最大值约为7 5 8 和d ，无磨损、孔位置有偏时， 孔边径向应力最人值约为8 1 8 此阳：长坡制动工况下，车轮无磨损、孔位 置无偏时，孔边径向应力最人值约为1 9 3 坳口，磨损2 0 m m 、孑l 位置无偏时， 孔边径向应力最大值约为2 4 5 心，无磨损、孔位置有偏时，孔边径向应力 最大值约为2 6 8 坳口。可以发现，无论是紧急制动工况，还是长坡制动工况， 磨损的车轮比无磨损的车轮孔边径向应力大，而孔位置偏向轮缘的车轮孔 边径向应力比磨损的车轮要大，因此，车轮即磨损、孔位置又偏向轮缘的 车轮孔边径向应力是最大的而从紧急制动和长坡制动两种工况比较看 k 域制动由于作用时间长= ，车轮温度较高，其产生的热应力也比紧急制动 高，故车轮最不利的工况是长坡制动、车轮有磨损、孔位置有偏工况。 4 4 长坡制动工况下温度载荷、机械载荷共同作用计算结果 4 4 1 车轮有轴、无磨损、孑l 位置无偏模型计算结果( 圈4 1 3 、4 1 4 、4 1 5 、 4 1 6 ) 北京交通大学硕士学位论文 图4 1 5 有轴、无磨损、孔位置无偏模型温度载荷作用下径向应力场分布图 图4 1 6 有轴、无磨损、孔位置无偏模型温度、机械载荷 共同作用下径向应力场分布图 4 8 第四章关于8 4 0 d 牟轮辐板( 孔) 的裂纹成因的有限元分析结果 从图4 1 3 、4 1 4 、4 1 5 、4 1 6 可明显看出，机械载荷对整个车轮产生的 径向应力很小，在辐板孔边一侧产生拉应力，一侧产生压应力，单纯的机 械载荷产生的拉应力，由于量值较小，不会使辐板孔产生裂纹，而压应力 则会抑制车轮辐板裂纹的萌生，因此机械载荷作用下不会使辐板孔产生裂 纹。温度载荷产生的径向应力较人，在辐板孔边处可达到2 6 0 坳岛而温度载 荷、机械载荷的共同作用下，车轮产生的径向应力图和温度载荷作用下产 生的径向应力图区别不大，也说明机械载荷对车轮产生的应力远远比温度 载荷小，所以辐板孔裂纹产生的主要原因是温度载荷的作用。 4 4 2 车轮有轴、磨损2 0 肌所、孔位置偏向轮缘1 5 m 研模型计算结果( 图4 1 7 、 4 1 8 、4 1 9 、4 2 0 ) 图4 1 7 有轴、磨损2 0 m 卅、孔位置偏1 s m m 模型 长坡制动1 0 分钟温度场分布图 第四章关于8 4 0 d 车轮辐板( 孔) 的裂纹成因的有限元分析结果 图4 2 0 有轴、磨损2 0 m m 、孔位置偏1 5 m m 模型温度、机械载荷 共同作用下径向应力场分布图 从图4 1 7 、4 1 8 、4 1 9 、4 2 0 也可看出，有轴、磨损2 0 m 、孔位置偏 向轮缘1 5 m m 的车轮模型计算出的径向应力分布图同无轴、无磨损、孔位置 无偏模型相似，也是辐板孔周围的径向应力主要由温度载荷引起，机械载 荷在孔边产生拉应力较小，辐板裂纹的产生主要是温度载荷引起。然而， 不同的是，磨损2 0 m m 、孔位置偏向轮缘的模型计算出的径向应力结果比无 磨损、孔位置无偏模型要大，这主要是由二个因素造成的，一是由车轮磨 损后踏面变薄，温度传播快而使车轮辐板的温度梯度变大，从而产生较大 的温度应力造成的：另一个则是工人旌工时在辐板打孔产生应力集中造成 的，并且有些车轮的辐板孔偏向轮缘一侧，这使得孔边处的温度应力更大。 各工况下辐板的径向应力比较见表4 2 。 北京变通大学硕士学位论文 辐射率 2 2 7 2 昕锄。女疲劳强度指数6一o 1 l 弹性模量e 1 7 5 1 0 5 肋疲劳韧性指数co 6 根据表5 1 的计算参数，利用有限元软件m s c f a t i g u e 计算8 4 0 d 车轮 辐板疲劳裂纹萌生寿命的结果如图5 7 所示。 图5 78 4 0 d 车轮辐板裂纹萌生寿命计算结果 从图5 7 可以看出，车轮辐板的最小寿命为1 0 4 0 0 次，出现在辐板孔边 位置，即车轮若以l o 分钟长坡制动为一周期，当车轮刹车制动1 0 4 0 0 次时， 辐板孔边位置最先出现疲劳裂纹，此计算结果与车轮实际运行中疲劳裂纹 萌生位置相一致。 5 38 4 0 d 车轮辐板裂纹维修方法及剩余寿命计算 对于辐板孔边位置已经出现疲劳裂纹的8 4 0 d 车轮，从安全性、经济性 角度考虑，必须对车轮进行维修。维修的基本原理是利用疲劳裂纹萌生时 5 8 第五章 8 4 0 d 车轮疲劳研究 无变化，进一步说明，该材料对应力集中系数不敏感；第二次实验采用加 载幅值d k = 1 5 7 5 剧，在应力循环1 3 9 1 0 次后，孔边出现o 锄埘裂纹。 5 4 3 实验结果分析 ( 1 ) 在疲劳实验中，应力集中系数不敏感，所以在考虑加载时，不应考虑 应力集中系数； ( 2 ) 孔边裂纹萌生次数，理论值约为1 0 4 0 0 次 第六章 结论与展望 取值，并不足真值；第二，疲劳实验中实验结果分散性很大，而本次实验 限于条件，只拉伸一根。 6 2 展望 通过对8 4 0 d 车轮辐板孔裂纹萌生的计算机仿真模拟计算，对火车车轮 辐板裂纹萌生原因、萌生寿命分析，得到了以上结论，这些结论可对今后 新型火车车轮的研究提供帮助，得到启示，然而关于火车车轮辐板裂纹的 萌生寿命的预测，提高辐板裂纹的萌生时间，控制裂纹的扩展等方面，我 们仍需做以下t 作： ( 1 ) 应用有限元优化设计车轮辐板外形，使车轮具有最合理的几何外形， 车轮应力达到最佳分布。 ( 2 ) 车轮辐板裂纹萌生是由于闸瓦制动产生的温度载荷造成的，随着火车 提速的需要，若继续采用闸瓦制动，车轮辐板由于温度载荷而产生的应力 会越来越大，因此，目前已经采用其它的制动方式来代替闸瓦制动。 ( 3 ) 对于车轮辐板裂纹萌牛寿命的计算，应该确定火车运行时真实载荷谱 或典型工况下载荷谱，确定火车车轮裂纹萌生寿命的预测方法，理论方面 应针对火车车轮这种高低