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断裂力学的含缺陷车轴服役寿命评估方法研究
| 论文题名： | 断裂力学的含缺陷车轴服役寿命评估方法研究 |
| 关键词： | 高速列车;车轴结构;断裂力学;裂纹扩展;疲劳寿命;NASGRO方程 |
| 摘要： | 车轴是高速列车中极为重要的安全部件。由于装配约束较大，且受载和环境条件恶劣，配合区和几何过渡区应力状态复杂，车轴中一旦发生裂纹等缺陷，在随机加载下存在继续扩展导致车轴断裂的风险，进而发生严重的行车事故。 裂纹属于强不连续性问题，在疲劳加载下，裂纹尖端会产生应力增大效应。当前的车轴设计仍然采用名义应力法，车轴的寿命评估也是基于名义应力方法建立在S-N曲线下的疲劳累积损伤，并未考虑裂纹存在导致的应力集中及其扩展。因此，传统的材料力学设计方法已不能确保含缺陷车轴的安全运行，必须引入基于断裂力学的损伤容限设计方法和思想对缺陷演变特性及服役寿命进行准确评估。为此，本论文开展如下工作: 断裂力学的损伤容限设计方法和思想对缺陷演变特性及服役寿命进行准确评估。为此，本论文开展如下工作: (1)深入调研当前车轴分析评定方法和常见缺陷，确定了考虑应力比效应的NASGRO公式作为缺陷演变寿命评估的经验模型; (2)为了准确获得寿命评估模型，开展了EA4T车轴小比例试样的静载拉伸、低周疲劳本构、高周疲劳曲线、疲劳裂纹扩展速率、裂纹扩展门槛值及断裂韧性试验; (3)建立了空心车轴有限元模型，采用奇异单元法模拟裂纹尖端，基于实测的350公里/小时动应力谱，计算了考虑压装配合的裂纹尖端的应力场; (4)根据拟合得到的NASGRO方程，得到了卸荷槽区不同深度裂纹的应力强度因子曲线、扩展速率曲线，并基于实测应力谱得到了裂纹扩展的循环加载数进而预测车轴运行寿命; (5)研究发现，由于裂纹不断扩展后应力集中降低，车轴旋转一周过程的裂纹应力比也同时降低，根据NASGRO方程预测的裂纹扩展门槛值并非一个恒定值。 |
| 作者： | 马利军 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 李强 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 北京交通大学 |
| 学位年度： | 2016 |
| 正文语种： | 中文 |
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