铁路车辆结构材料疲劳S-N曲线及裂纹扩展模型研究

摘要

随着铁路系统的不断完善，中国铁路运输由短距低速转变为长距高速，关键部件服役条件迅速恶化，疲劳失效问题日益突出。因此，评估铁路部件的可靠性和含缺陷的裂纹扩展规律具有重要工程意义。主要研究内容如下：　　在传统的名义应力框架下，为提高由小样本数据获得的疲劳P-S-N曲线的拟合精度，改进的样本信息集聚原理(improved backward statistical inference approach，ISIA)通过优化寿命标准差(standards deviation, STD)的检索方式，可获得更为合理可靠的疲劳寿命分散性。同时，考虑到小尺寸试样寿命分布规律的影响，实物部件疲劳P-S-N曲线的精度得到进一步提高。结合ISIA和文献中的实验数据，分别拟合两类车轴材料的疲劳P-S-N曲线并与载荷谱结合求解疲劳寿命。此外，拟合了14种焊接接头的疲劳P-S-N曲线与IIW标准进行比较。比较发现，该方法不仅能够获得更为合理的寿命标准差，也能结合载荷谱进行更为保守的寿命估算。　　上述理论忽略了车辆结构材料存在的缺陷，会引起不合理设计，因此引入基于断裂力学的损伤容限设计预测疲劳裂纹扩展(fatiguecrack growth,FCG)速率。基于实验温度、腐蚀环境、载荷频率、残余应力和闭合效应等因素对FCG速率的影响，总结相应的裂纹扩展速率模型。为评价闭合效应的影响，需考虑裂纹闭合参数U的预测。为统一该参数的计算方法，将相关模型进行二次拟合分别获得平面应力和平面应变下的估算模型且给定相应模型的应力比使用范围。　　基于计算简单的FCG-LDA(FCG based on a linear damage accumulation)模型和适用于物理短裂纹的LAPS(longandphysicallyshort)模型，查阅文献确定影响低周疲劳(low cycle fatigue, LCF)性能的单调拉伸性能参数和裂纹闭合的影响。根据文献中众多实验数据，拟合利用单调拉伸参数估算低周疲劳参数的计算公式，并获得单调拉伸参数表征的iLAPS(improved LAPS)模型。通过与11种工程结构材料的FCG实验数据比较表明，iLAPS模型的理论值与实验数据很好地吻合，比LAPS和FCG-LDA模型的预测精度更高。

目录

声明

第1 章绪 论

1.1 研究背景

1.2 应力-寿命曲线的历史发展

1.3 含缺陷部件的扩展速率唯象模型

1.4 论文研究内容

第2 章 样本信息聚集原理的改进和应用

2.1 样本信息聚集原理方法

2.2 样本信息聚集原理的标准差确定

2.2.1 X-x-x-x型实验数据

2.2.2 x-x-x-x型实验数据

2.3 改进的样本信息聚集原理

2.3.1 样本容量的修正

2.3.2 参数K的检索方式改进

2.3.3 参数 α的检索方式改进

2.3.4 全尺寸部件P-S-N曲线拟合方法

2.4 改进方法的实验验证

2.4.1 车轴材料P-S-N曲线

2.4.2 焊接材料的P-S-N曲线拟合

2.5 本章小结

第3 章影响疲劳裂纹扩展的因素

3.1 温度对于裂纹扩展速率的影响

3.2 腐蚀对于裂纹扩展速率的影响

3.3 加载频率对于裂纹扩展速率的影响

3.4 残余应力对于裂纹扩展速率的影响

3.5 裂纹闭合对于裂纹扩展速率的影响

3.5.1 闭合机制的对比分析

3.5.2 应力强度因子的修正

3.5.3 统一闭合参数估算模型

3.6 本章小结

第4 章 基于单调拉伸参数的裂纹扩展模型

4.1 裂纹扩展速率理论模型

4.1.1 I型裂纹尖端应力应变场

4.1.2 基于HRR场的裂纹扩展理论模型

4.1.3 基于RKE场的裂纹扩展理论模型

4.2 低周疲劳参数的表征

4.2.1 循环强化系数K′

4.2.2 循环屈服强度 σyc

4.2.4 疲劳延性系数 εf′

4.2.5 疲劳延性指数c

4.3 裂纹扩展模型及实验验证

4.3.1 损伤门槛值 Dcri的影响

4.3.2 改进模型的实验验证

4.4 本章小结

第5 章结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致 谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

学位论文数据集