动车组铸钢制动盘裂纹扩展寿命预测

为研究动车组铸钢制动盘出现裂纹后裂纹扩展速率和扩展寿命,根据制动盘材料参数,使用ANSYS软件建立制动盘的循环对称三维瞬态计算模型,采用间接耦合方法计算制动盘的温度场和应力场,得到在动车组速度为300 km/h的工况下,裂纹处的温度为355.33℃。以温度计算结果作为初始载荷计算制动盘热应力,制动盘最大热应力为899 MPa,盘面裂纹处的应力为501 MPa。并将计算结果作为计算制动盘的载荷输入到NASGRO中,对裂纹扩展速率和扩展寿命进行计算和分析。计算和分析结果表明,此材料制动盘径向裂纹长度尖端处的应力强度因子和扩展速率均高于深度尖端处;计算得出制动盘裂纹扩展寿命为制动48 831次,为该制动盘的使用提供参考。     

含均布多轴向表面裂纹厚壁圆筒结构安全性评价

轴向表面裂纹对受内压厚壁圆筒结果的安全具有很大的影响.在分析含均布多轴向表面裂纹厚壁圆筒裂纹数目对尖端应力强度因子影响规律的基础上,对外径相同、含均布多轴向表面裂纹厚壁圆筒及以裂纹尖端到厚壁圆筒中心距离为内径厚壁圆筒在受相同内压情况下的最大周向应力进行了对比分析,结果表明:厚壁圆筒裂纹尖端应力强度因子随裂纹数目的增加而逐渐减小并趋于一恒定值,应力强度因子随裂纹数目的减小只是裂纹扩展速度或扩展可能性的减小,含裂纹厚壁圆筒的最大周向应力在N=2时最大,且当N≥2时随着裂纹数目的增加而减小,但仍大于等效减薄厚壁圆筒的最大周向应力,厚壁圆筒的安全性仍小于以等效减薄后的光滑厚壁圆筒.     

焊接残余应力对高强钢点焊接头裂纹扩展及疲劳性能的影响

点焊接头因高度应力集中,极易于熔核边缘萌生疲劳裂纹,点焊产生的残余应力会影响其扩展。为探究点焊残余应力对疲劳裂纹扩展的影响规律,建立DP600高强钢点焊接头三维裂纹有限元仿真模型。基于热-弹塑性理论求解点焊残余应力场,在此基础上计算有无残余应力时折线裂纹的局部应力强度因子(Stress Intensity Factor, SIF)解,通过分析两种条件下裂纹最深点局部SIF随裂纹深度比变化的曲线,研究点焊残余应力对折线裂纹扩展的影响规律;基于断裂力学理论,采用改进的双参数模型预测有无残余应力时的疲劳寿命。结果表明,点焊残余应力使局部SIF显著提高,且随着裂纹深度比的增加,残余应力对其的影响程度也增加;考虑残余应力后裂纹整体扩展趋势不变但扩展速率显著增加,疲劳寿命由35 616次下降至12 564次。     

制动盘热机开裂机理的模拟研究

综合考虑灰铸铁物理属性随温度变化规律、拉/压各向力学性能差异和弹塑性应变应力关系,采用有限元计算方法,研究灰铸铁制动盘在不同制动工况下的温度场、应力场、应变场以及热机裂纹强度,揭示制动盘热机开裂原因及裂纹分布规律。热机耦合计算结果表明制动盘在初始制动速度为180 km/h下,最大温度为360℃、径向压/拉应力275MPa/85 MPa、周向压/拉应力为374 MPa/100 MPa、径/周向塑性应变为-4.6×10~(-5)/-6.75×10~(-5)。热机开裂计算结果表明径向裂纹尖端应力强度因子ΔK为6.69MPa·m~(1/2)大于周向裂纹尖端应力强度因子5.49 MPa·m~(1/2),径向裂纹张开距离大于周向裂纹张开距离,证明制动盘表面裂纹分布以径向裂纹为主且径向裂纹尺寸大于周向裂纹。     

高速动车组齿轮副齿根裂纹应力强度因子数值计算

为研究高速动车组齿轮的齿根裂纹的应力强度因子,结合有限元法和作图法确定了裂纹萌生位置。基于线弹性断裂力学理论,以Abaqus为工具,研究了齿根初始裂纹前缘不同节点处的应力强度因子大小及变化规律,通过对比,确定Ⅰ型应力强度因子在裂纹扩展中占主导地位;在此研究的基础上,探讨了Ⅰ型应力强度因子随载荷、裂纹半径、裂纹形状等因素的变化规律。结果表明,载荷对Ⅰ型应力强度因子大小影响最为显著且呈线性关系;裂纹形状对Ⅰ型应力强度因子在裂纹前缘的分布规律影响十分明显。     

压裂泵曲轴的疲劳裂纹扩展研究

为研究曲轴疲劳裂纹及其寿命,使用ABAQUS和FRANC3D软件对曲轴裂纹进行引入及扩展分析,基于裂纹剩余寿命计算和初始裂纹形状比对,对应力强度因子进行研究。结果表明,当裂纹深度扩展至18.2 mm时,等效应力强度因子达到曲轴材料断裂韧性,裂纹产生至临界深度,剩余寿命为8.6×105次;在裂纹深度一定时,初始裂纹的表面长度越长,裂纹扩展寿命越短,初始裂纹表面长度越短,裂纹扩展寿命越长;裂纹初始角度越大,裂纹前缘最深处的应力强度因子越低;裂纹初始角度越大,裂纹扩展后得到的裂纹长度越短,裂纹扩展寿命越长。     

基于Abaqus的直齿圆柱齿轮疲劳裂纹应力强度因子研究

应力强度因子是研究断裂问题的重要参量,可以度量和控制裂纹的发生发展,对研究裂纹的疲劳损伤及预估寿命具有重要意义。为了研究直齿圆柱齿轮三维裂纹应力强度因子的变化规律,利用Abaqus建立了含半椭圆形初始裂纹的三维有限元模型,计算了半椭圆形裂纹前缘应力强度因子,分析了裂纹大小、形状以及载荷变化对裂纹前缘应力强度因子的影响规律。结果表明,齿根裂纹在扩展过程中主要表现为张开型裂纹;随着载荷的增大,应力强度因子K_I不断增大,但其分布规律保持不变;在载荷不变的情况下,K_I随着裂纹尺寸的增大而增大;在建立的半椭圆形裂纹中,随着长轴的增加,裂纹前缘上的K_I波动逐渐变小。     

对数螺旋锥齿轮裂纹扩展分析

分析了对数螺旋锥齿轮的裂纹扩展情况.首先,利用HyperMesh软件对齿轮进行网格划分,进而将划分网格的模型导入有限元软件,以确定危险位置,即所受应力最大位置;然后,利用扩展有限元法,模拟裂纹扩展过程,得到裂纹扩展中的应力强度因子;最后,通过调整相关参数,研究裂纹形状、裂纹大小以及齿顶载荷对应力强度因子的影响规律.结果...     

齿根裂纹对应力强度因子影响的研究

采用FRANC3D软件分析了三维齿轮Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型裂纹应力强度因子的分布规律,并考虑载荷、裂纹形状、裂纹大小、裂纹位置和划分网格粗细对应力强度因子的影响。结果表明:Ⅰ型裂纹对应力强度因子影响最大;载荷、裂纹大小、不同裂纹位置和划分网格的粗细对应力强度因子的影响曲线呈两端大中间小的对称分布规律;对于裂纹形状,当椭圆长轴小于或等于短轴时,曲线呈两端大中间小对称分布规律,当椭圆长轴大于短轴时,曲线呈现两端小中间大的对称分布规律。对度量、控制裂纹体的断裂情况和寿命估算有一定的理论基础。     

残余应力对材料疲劳性能影响的某些进展

材料经表面形变强化可有效地提高材料的疲劳性能.以往主要研究形变强化工艺与零件疲劳寿命的关系.为进一步发挥材料强度潜力,近年来着重研究形变强化后残余应力、组织强化及表面光洁度等各因素对不同强度、不同缺口形状等材料的影响。本文从经典理论及断裂力学两方面结合所作的工作,介绍残余应力对材料疲劳性能影响研究的一些新进展。残余应力对疲劳极限的影响涉及如何选取残余应力值,残余应力对不同强度材料的作用,残余应力的多轴性,残余应力在缺口处的集中效应及其对缺口疲劳极限的影响等。断裂力学方法适用于分析裂纹在残余应力场中的扩展问题。研究表明残余应力不仅改变了载荷比,而且还使裂纹的闭台力发生变化,改变了有效应力强度因子范围及相应的裂纹扩展速率,它和残余应力导致的闭合力变化有较好的对应关系.     

加筋板广布疲劳损伤的剩余强度分析

给出加筋板广布疲劳损伤的两种损伤类型和两个剩余强度判据,剩余强度判据是净截面塑性区屈服判据和裂尖韧带屈服判据.给出蒙皮带有多裂纹和蒙皮带有多裂纹且桁条也带有裂纹时应力强度因子的近似工程估算方法.文中也给出加筋板含多裂纹时剩余强度净截面塑性区屈服判据和裂尖韧带屈服判据的表达式及塑性区尺寸估算方法.对三种损伤的加筋板进行剩余强度试验,指出多裂纹尤其是桁条也带裂纹时剩余强度降低较多.用上述两种判据进行加筋板广布疲劳损伤剩余强度预测,预测结果和试验结果比较符合.     

Surface cracks initiation on carbon steel railway wheels under concurrent load of continuous rolling contact and cyclic frictional heat

Focusing on the durability of carbon steel railway wheels, so-called tread thermal cracks, one of severe damages on the tread surface, were investigated to understand the cracks generation processes involving initiation and propagation. We have demonstrated that tread thermal cracks can be experimentally reproduced under the condition of concurrent loading of continuous rolling contact with rails and cyclic frictional heat from brake blocks, through the experiments using an actual railway wheel. Relations of residual stress, cracks configuration and fracture surface were examined to consider the crack generation process. Plastic deformation and thermal stress near the surface result in substantial tensile residual stress, which causes the generation of cracks.     

基于ANSYS Workbench的盘式制动器热-机耦合分析

为进一步研究盘式制动器在制动过程中的行为,在建立盘式制动器热-机耦合简化计算模型的基础上,考虑温度变化对材料物理性能和摩擦因数的影响,运用ANSYS Workbench模拟分析不同制动初速度与不同制动压力下制动盘的热-机耦合特性,并从制动盘径向、周向、轴向等维度对其温度场与应力场进行了研究。结果表明：盘式制动器在紧急制动过程中,温度和应力的最大值与制动初速度和制动压力成正相关;制动初速度和制动压力对制动盘温度场和应力场有较大的影响,其中制动压力对制动盘温度和应力最大值的影响比制动初速度更加明显;制动盘温度与等效应力在圆周上都呈环带状分布,二者具有一致性,制动盘达到温度最大值早于达到应力最大值,二者之间具有耦合特性;制动盘温度在径向和轴向上存在较大的温度梯度,从而引起较大的应力变化。研究结果为探索制动盘温度场、应力场分布规律和制动盘在不同工作状态下的热-机耦合特性提供了参考。     

摩擦块形状对制动盘摩擦温度及热应力分布的影响

列车制动产生的摩擦热在制动盘表面的分布与闸片结构密切相关,并影响到制动盘的耐热疲劳程度.基于实际应用的圆形、六边形、三角形3种形状摩擦块的制动闸片,利用有限元分析软件ABAQUS,模拟制动时制动盘的温度及热应力分布情况.结果显示:制动盘摩擦表面温度及热应力呈环形带状分布,沿周向变化不明显,在径向上分布的均匀程度差异较大;其变化程度与摩擦块形状和位置有关,摩擦块为圆形时,盘面的温差和热应力最小,摩擦块为三角形时,盘面的温差和热应力最大;摩擦块的位置分布影响到摩擦副接触弧长度,接触弧长度增加,对应的摩擦环带温度升高;各环带对应的接触弧长度偏差越小,制动盘温度越低,分布也越均匀.     

热疲劳裂纹网的屏蔽规律及主裂纹应力强度因子的计算方法

热疲劳裂纹网中主裂纹的应力强度因子可反映构件的损伤程度,然而由于裂纹间的屏蔽效应,直接计算裂纹网中主裂纹的应力强度因子是困难的。根据热疲劳试验提出假设：① 主裂纹不会位于裂纹网的边缘;② 裂纹网中的裂纹互相平行,且垂直于约束方向。定义主裂纹的屏蔽剩余百分数s,裂纹的比间距n,裂纹长度比f。分别研究两条长度相等裂纹、两任意长度裂纹、三条裂纹和多条裂纹屏蔽效应的规律。发现s-f-n有确定的关系,这一关系由裂纹网的结构确定,而与边界条件、裂纹尺寸等因素无关。利用屏蔽效应的规律可由单条裂纹时的应力强度因子推算裂纹网中屏蔽效应发生时主裂纹的应力强度因子。算例表明此方法精确、简便、快捷。     

滚动接触下裂纹充液行为研究

为研究液体渗入裂纹后裂纹的演变过程，建立了滚动接触圆盘-平面裂纹充液二维模型。裂纹表面与圆盘-平面接触面组成腔体结构，圆盘的运动使裂纹表面发生变形、腔体体积减小从而导致腔体内压力增大，最终表面裂纹在腔体高压作用下加速扩展。基于表面裂纹接触状态的变化，研究腔体形成、密封和泄漏三个阶段裂纹应力强度因子曲线及扩展方向的演变。结果表明，腔体内部压力小于裂口接触位置最大压力，液体增压效应随裂纹几何尺寸的增加显著增强，增加裂纹长度与裂口宽度使裂纹扩展模式从Ⅱ型转为Ⅰ型；随着裂纹扩展，腔体内部的液体泄漏使腔体产生动态自密封-泄漏现象。     

激光冲击对金属板料裂纹的影响模型

研究了含有裂纹的金属板料在激光冲击波载荷作用下裂纹尖端应力强度因子和裂纹扩展速度的变化,利用断裂力学理论,对激光冲击加载下裂尖参数计算模型进行优化,采用应力强度因子叠加法,将外加载荷引起的应力强度因子和激光冲击后残留的残余压应力引起的应力强度因子叠加,推导出下裂纹尖端应力场强度因子表达式,由此可精确计算出金属板料的裂纹萌生寿命和裂纹扩展速度,实验验证了航空钛合金Ti6Al4V激光冲击后残余应力对裂纹扩展速度的影响,从而建立了激光冲击作用对板料裂纹扩展的影响的理论模型。     

DAMAGE TOLERANCE ANALYSIS ON HOLLOW AXLES OF HIGH SPEED MOTOR TRAINS

According to the rules of UIC515-3, the service loads of the axles are defined, which include some different loads cases as follows： the static loads; the impact loads resulted from running through the rail joints and unevenness rails; the loads through curves and from braking. Through the calculating and analysis, the stress distribution of the hollow axles is obtained for 200 km/h high speed motor trains used in China. At the same time, the fatigue crack growth of hollow axles is studied, and the initial surface cracks of 2 mm depth caused by hard objects strike or the other causes are discussed. On the basis of the linear elastic fracture mechanics theory, the stress intensity factor of the crack of the geometry transition outside the wheel seat is also studied. Associated with fatigue crack propagation equation and the corresponding crack propagation threshold, the crack propagation characteristics under different shapes are calculated. Then the running distances are educed with different shapes propagating to the critical length, and the estimation of the residual lives about hollow axles which are the reference values of examine and repair limit of the hollow axle is given.     

表面疲劳短裂纹在残余压应力场中的扩展

研究Ｉｎｃｏｎｅｌ７１８镍基合金表面短裂纹在喷丸残余应力场中的扩展行为。用扫描电镜中的疲劳加载装置对表面裂纹的闭合行为进行原位观察和测量。研究表明,表面短裂纹具有较穿透短裂纹更低的扩展门槛值,表面短裂纹的闭合与残余压应力场的大小和分布密切相关,残余压应力场中的表面短裂纹扩展及形状变化完全可以通过其闭合行为的变化进行解释。