CRH2动车组动力车轮裂纹安全性分析方法研究

摘要

动力车轮是构成动车组及列车的重要安全部件，辋裂可能是导致列车灾难性事故的原因。因此，开展动力车轮轮辋裂纹扩展模拟及安全性分析方法研究，对保障高速列车的服役安全性具有重要意义。论文主要完成了以下三个方面的工作：　　(1)应用ANSYS软件，建立了车轮轮辋周向半椭圆表面裂纹模型，探索了单一循环加载工况下轮辋三维表面裂纹扩展驱动力(K)和扩展方向(α)的确定方法。计算结果表明，裂纹沿45?-70?向轮辋内部扩展；当裂纹尺度≤1mm时，裂纹扩展驱动力小于门槛值，即使裂纹萌生也几乎不会扩展；当裂纹尺度达到1-1.5mm时，裂纹开始发生扩展；依据置信度90%、存活率0.99下轮辋材质相关的裂纹扩展断裂韧度，得出了轮辋周向表面裂纹的断裂尺度为16-55.5mm。　　(2)探索了随机载荷谱作用下裂纹扩展的模拟方法。考虑疲劳裂纹扩展近门槛值-稳定扩展-瞬态断裂三阶段的物理特征，构建了裂纹扩展驱动力及扩展方位的预测方程；结合一定置信度(C)、存活概率(P)水平的裂纹扩展率曲线，建立了随机谱载荷作用下疲劳裂纹自初始尺度(a0)扩展至断裂尺度(ac)的仿真方法。　　(3)开展了动力车轮轮辋典型裂纹的剩余寿命与临界安全裂纹尺度评估。裂纹剩余寿命(Nr)由初始裂纹a0扩展至ac时进行计数确定；为便于车轮来得及检测和开裂修复，得出了不同置信度、不同存活概率情况下轮辋部位各类典型疲劳裂纹的临界安全尺度acs，完成了CRH2型动力轮对车轮轮辋部位的概率疲劳裂纹扩展寿命计算及安全性的分析评价。　　论文完成了动力车轮裂纹扩展驱动力及扩展方向计算、扩展过程仿真和裂纹临界安全尺寸的实践，确定了轮辋典型裂纹的临界安全尺度，对指导动力车轮服役的安全管理具有重要意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 本文研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 裂纹扩展驱动力

1.2.2 材料疲劳裂纹扩展抗力

1.2.3 仿真模拟方法

1.2.4 裂纹安全性管理

1.3 本文工作

第2章 单载荷工况轮辋裂纹扩展模拟

2.1 断裂力学基本理论

2.1.1 裂纹分类

2.1.2 应力强度因子与断裂韧性

2.2 全模型

2.2.1 全模型建模

2.2.2 全模型材料参数

2.2.3 全模型随机服役载荷历程

2.2.4 边界条件添加

2.3 子模型

2.3.1 子模型分析方法

2.3.2 三维半椭圆裂纹建模

2.3.3 含裂纹的轮轨子模型

2.4 单载荷工况轮辋裂纹扩展有限元模拟

2.4.1 裂纹扩展基本理论

2.4.2 有限元计算应力强度因子方法

2.4.3 裂纹扩展方向确定

2.4.4 轮辋裂纹扩展模拟

2.5 本章小结

第3章 随机谱载荷下的裂纹扩展仿真分析方法

3.1 可行的仿真分析方法

3.2 随机载荷谱-裂纹扩展驱动力转换

3.3 随机载荷谱-裂纹扩展方位角转换

3.4 随机谱载荷下裂纹扩展仿真分析方法

3.5 本章小结

第4章 ER8车轮轮辋全寿命周期安全性研究

4.1 裂纹安全性分析方法

4.1.1 裂纹扩展驱动力确定

4.1.2 结构剩余寿命估算

4.1.3 轮轴裂纹模型及驱动力计算方法

4.1.4 结构出现裂纹后的基本管理策略

4.2 车轮裂纹安全性分析过程

4.2.1 裂纹扩展服役应力谱确定

4.2.2 谱载荷下的轮辋半椭圆裂纹扩展模拟

4.2.3 裂纹剩余寿命估算

4.3 ER8车轮轮辋裂纹安全分析结果

4.3.1 车轮轮辋踏面轴向半椭圆裂纹综合安全管理

4.3.2 车轮轮辋深埋椭圆裂纹综合安全管理

4.3.3 车轮轮辋外侧半椭圆裂纹综合安全管理

4.4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献