發布時間：2021-03-23所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:從含缺陷車輛部件的安全評估及探傷決策出發,論述了轉向架部件(如構架、車軸等)的抗疲勞評估設計及評估進展,重點分析了合金鋼EA4T車軸和碳素鋼S38C車軸的設計理念差別,闡明了車軸運用評估中存在的難定量和過保守設計的理論局限性;首創提出了把名義應力+
摘要:從含缺陷車輛部件的安全評估及探傷決策出發,論述了轉向架部件(如構架、車軸等)的抗疲勞評估設計及評估進展,重點分析了合金鋼EA4T車軸和碳素鋼S38C車軸的設計理念差別,闡明了車軸運用評估中存在的難定量和過保守設計的理論局限性;首創提出了把“名義應力”+“損傷容限”有機融合的階梯疲勞評估框架,給出了樣本信息聚集改進原理、基于單軸拉伸性能的裂紋擴展模型、應力G缺陷G壽命的三參數評估圖和表面殘余應力場重建等四大關鍵技術.結果表明:基于安全壽命法的抗疲勞設計給出的評估結果過于保守,導致車輛部件維修不足或者過度維修;基于單軸拉伸性能的新型裂紋擴展模型的精度優于著名的NASGRO方程;KitagawaGTakahashi圖把基于名義應力的疲勞極限和基于斷裂力學的缺陷特征有機關聯起來,比Goodman圖更直觀、定量和全面;基于表面單位壓力法,獲得了與實測結果基本一致的S38C車軸的殘余壓縮應力分布,表明壓縮殘余應力的引入提高了新干線車軸的抗微動磨損能力和抗疲勞裂紋擴展能力;廣域環境服役、超高周疲勞機制、增材修復再制造、斷裂求解技術及動力學和強度結合等問題成為未來研究的挑戰.
關鍵詞:車輛工程;高速列車;損傷容限;疲勞壽命;焊接構架;增材制造
0引言
到2020年底,中國高鐵總里程達到3.9×104km,占世界運營總里程的65%以上,是高速鐵路建設與運用規模最大的國家.然而,列車速度的不斷提高,運用地域愈加寬廣,服役工況日趨嚴苛,對車輛關鍵部件(車軸、構架等)的選材、設計、制造、運營和維護提出了更高要求[1G2].
以車軸為例,作為高速動車組最重要的安全臨界部件之一,必須確保在線車軸運行狀態良好、服役安全可靠,并且充分發揮其使用效能.然而,車軸在制造、運輸、服役和維護中不可避免地出現各類缺陷(圖1),包括磕碰、刮擦、撞擊、腐蝕坑和微動磨損等[3G5].其中,最為典型的是異物致損(ForeignObjectDamage,FOD),其當量深度約0.2~2.0mm,是對車軸運用威脅較大的一類缺陷.這些缺陷在外部復雜服役環境和旋轉彎曲疲勞加載作用下,發生裂紋萌生和擴展,導致車軸的失效斷裂,是高速動車組運用中的巨大安全隱患.但在車軸的設計標準,如«鐵路設備G輪對和轉向架G驅動軸設計方法»(EN13104—2009)和«鐵道車輛G車軸強度設計方法»(JISE4501—1995)等中,尚未載明關于缺陷的處理條款.為保證車輛超長距離安全可靠運行,需要根據檢修規程進行更新或者判廢處理.作者認為,在車軸設計時亦有必要對易于形成致命缺陷的關鍵部位進行強度和全壽命服役校核,以確保車輛運營的可靠性與經濟性.
再以轉向架為例,構架是列車安全、高速運行的根本保證,它具有長距離跨區運行和惡劣工況承載的特點.焊接過程不僅改變了母材均勻的微觀組織結構和力學性能,而且改變了熔焊區域甚至整個結構的應力狀態和幾何形狀,更造成了材料內部及表面的各種缺陷,使得接頭成為整個結構的薄弱環節,是控制轉向架焊接構架疲勞強度和使用壽命的重要因素[6G10].由于載荷形態、結構細節和服役環境的極端復雜性,保證和預判轉向架焊接構架的抗疲勞斷裂性能及服役安全性就成為更高速度軌道車輛發展中亟待解決的核心課題.
然而傳統強度設計思想的一個基本假設是把材料視為無任何缺陷的理想均勻連續體[11G12],沒有考慮小尺寸缺陷誘導的局部應力放大效應,給出過保守設計結果.當前,中國高鐵面臨著技術固化和產能升級的關鍵階段,主機廠和路局也面臨著維持和提升核心競爭力的重大歷史機遇.突破名義應力評估的定性評估及思維定勢,實現車輛結構長效性能的精準定量化評估應是高鐵領域亟待開展的前瞻性課題.
20世紀工程科學的重大進步之一是(彈性和彈塑性)斷裂力學的形成與發展[11].基于斷裂力學,對含缺陷金屬結構進行剩余強度和壽命及探傷周期的設計、評估與預測,成功解決了傳統名義應力方法無法解釋和難以解決的重大工程裝備失效破壞的內在機理,大幅減少了惡性事故的發生,形成了一系列成熟的缺陷檢測及評價規范,如英國«金屬結構缺陷驗收評定準則»(BS7910—2019)和中國«在用含缺陷壓力容器安全評定»(GB/T19624—2004),并且發展出各種檢測方法,例如廣泛用于車輛結構的磁粉探傷[13G15]、超聲波探傷[16G18]、陣列渦流探傷[19G21]、相控陣探傷[22G23]等,前三種普遍用于車軸.幾種探傷方法綜合運用,可以確保100%檢出深度為1mm及更小尺寸的表面裂紋.基于斷裂力學的損傷容限也相繼被國際、國內和地區標準所吸納,被普遍認為是名義應力方法后下一代重大裝備結構設計與服役評估的先進思想.
最近,作者把名義應力和斷裂力學結合,提出鐵道車輛部件“階梯疲勞評估框架”,即把無限壽命設計作為全壽命周期的第一級(初級)評估方法,把損傷容限思想作為第二級(高級)評估方法,這是軌道車輛抗疲勞設計的進展之一[24],成功用于鐵道車輛焊接構架、空心車軸及制動盤的強度校核、服役定壽及探傷決策.
眾所周知,中國高鐵通過引進、消化、吸收、再創新的技術路線,取得了世界鐵路顛覆性技術的巨大成就.至今日,中國高鐵已進入高質量運維階段,部分關鍵部件(車軸、構架等)已達設計壽命的三分之二.在超長距離復雜環境運用時,失效風險將迅速增大,確保運行安全經濟可靠也是新時期世界高鐵面臨的重大技術課題.
基于這一問題,論文深入闡述現代車輛用金屬部件(例如鍛造車軸、焊接構架、鑄鋼部件、增材材料等)的無限壽命設計方法(包括各種累積損傷原理和標準規范)、損傷容限評估方法和最新提出的階梯疲勞評估框架,以及支撐這一新型評估思想的四大關鍵技術,主要包括改進的樣本信息的聚集原理(ImGprovedBackwardStatisticalInferenceApproach,ISIA[25])、基于單軸拉伸性能的新型裂紋擴展模型(ImprovedLongandPhysicallyShortCrackModGel,iLAPS[26])、應力G缺陷G壽命的三參數評估圖(StressGDefectGLifetimeAssessmentDiagram,SDL[27G28])和重建表面強化致壓縮殘余應力的單位壓力法(UnitPressureApproach,UPA[29]).其中,SDL圖是在修正KitagawaGTakahashi圖(KGT圖)基礎上,把與缺陷相關的疲勞壽命考慮進來的一種量化評估方法.同時,重點以EA4T材質車軸為例,給出采用階梯疲勞評估框架的剩余壽命管理策略.最后,指出高速列車結構幾個亟待研究的課題.
1結構完整性評估方法
完整性源自單詞“Integrity”,指的是一種未受損壞、未被分離的狀態.此處,是指車輛部件具備抵抗內外部因素的影響并保持安全可靠運用的能力.傳統的完整性定義,更多的是強調在斷裂力學框架內進行結構的力學性能保持.廣義上來說,車輛結構完整性應在全壽命周期內維持與初始狀態一致的微觀組織特征、表面殘余應力、固有接受缺陷等基本屬性,并確保功能完整性、結構可靠性、狀態可控性.
1.1抗疲勞設計的發展
工程結構的抗疲勞設計經歷了靜強度法、無限壽命法、安全壽命法和損傷容限法.其中,關鍵指標分別是名義應力和應力強度因子.名義應力亦稱為標稱應力,是指能用材料力學公式推算出來的具有平均意義的單軸應力,是目前金屬結構設計、疲勞強度及壽命評估中廣受認可的方法.名義應力發展較早,理論方法成熟,試驗數據豐富,使用簡單高效.例如,中國«鋼結構設計規范»(GB50017—2003)、美國鐵路協會AAR«機務標準手冊»、歐洲«鋼結構的設計»(EN1993Eurocode3)、英國«鋼產品的疲勞設計和評估指南»(BS7608—2014)、國際焊接學會IIW«焊接接頭及其構件疲勞設計標準»(XIIIG1965G03/XVG1127G03)等標準規范,都提供了詳細的應力計算方法及豐富的應力疲勞SGN曲線(S為應力,N為循環周次)數據.
自從德國人Wöhler基于鐵道車軸提出疲勞SGN曲線后,抗疲勞思想在機械結構服役可靠性領域得到了廣泛應用.同時,材料及結構的疲勞測試技術也不斷涌現,先后發明了液壓伺服疲勞試驗機、高周疲勞試驗機以及超高周疲勞試驗機等.借助這些設備,針對材料是否存在確定的疲勞極限,國內外學者開展了大量研究,極大地改進了機械結構的先進設計與制造水平.對于損傷及壽命預測,先后提出了Bauschinger效應、Basquin定律、Peterson因子、Weibull統計率、Miner損傷定律、MansonGCoffin公式、Paris方程及Elber裂紋閉合現象等.
隨著金屬結構朝著極限尺寸、極端工況、超高參數等方向發展,對關鍵承載部件或者安全臨界部件的力學與結構完整性要求愈發苛刻,人們對無限壽命設計的理論假說提出了質疑.同時,人們對基于疲勞SGN曲線(即無線趨近于壽命軸)相關無限壽命的疲勞極限概念的高斯統計方法出了質疑(圖3,Sa為應力幅值);普遍認為,設計方法及結果不應是確定性的而是概率性的.例如,20世紀50年代基于Timoshenko強度法并考慮彎曲加載工況設計出第一架“Caravelle”飛機,直到70年代才對金屬結構的斷裂力學行為開展了深入研究.起初,歐洲在設計超音速客機時基于傳統的材料強度理論,然后又基于斷裂力學的安全裂紋法進行了改進.此后,1980年的“Airbus”是人類基于損傷容限設計制造出的第一架客機.
為敘述方便,以下列舉了鐵道車輛結構抗疲勞設計的幾個重要階段.
(1)靜強度法:設計應力遠低于材料的軸向拉伸強度,一般還包括抗變形能力及力學響應.
(2)無限壽命:設計應力低于傳統鋼材料的疲勞極限,理論假設是結構中無任何缺陷.
(3)安全壽命:在德國強度評定FKM框架中,引入Miner損傷累積概念,即疲勞SGN曲線描述的斜率k區域和k′=2k-1區域,另外一種更復雜情況是考慮了結構服役中的變幅加載效應.
(4)安全裂紋:允許存在確定性的可預測擴展裂紋,這種方法也可以認為是損傷容限設計法.
另外一種方法,即局部失效法,也能夠有效解決金屬的疲勞問題,目前已在法國等國家廣泛應用.此外,20世紀90年代超高周疲勞研究的興起,提醒不應忽視材料內部的微缺陷(例如夾渣、氣孔、未熔合、晶粒取向等)對工作載荷遠低于傳統疲勞極限的金屬合金疲勞壽命的影響.超高周疲勞損傷機制的典型特征是,裂紋萌生源不再是表面缺陷,而是材料內部.這一特殊的裂紋萌生模式使得超高周疲勞更具有危害性、不確定性,需要給予足夠重視.
無限壽命理論指出,車軸許用應力DSdes應根據材料光滑試樣的疲勞極限DSlim來確定,不過DSlim必須區分車軸種類(實心或空心)以及車軸截面部位(例如兩個部件的壓裝區或者過盈配合區、變截面區等),因此,有DSdes=DSlim/η,則實際運用中車軸應力應小于該設計應力值.安全系數η表示結構在測試和服役中的不確定性.
當前,歐洲標準«鐵路設備G輪對和轉向架G從動軸設計方法»(EN13103—2009)和«鐵路設備G輪對和轉向架G驅動軸設計方法»(EN13104—2009)采用基于梁理論的解析應力解,是一類典型的無限壽命設計,適用于低強度鋼EA1N和中強度鋼EA4T.所用力矩有:車體質量(全局彎曲)、車輛通過曲線慣性矩(彎曲+軸向力)以及牽引和制動力(扭轉力).簡化計算時以靜力計算的形式確定車軸強度,而對動態載荷的考慮一般是選擇適當的動荷系數,按靜力疊加的方式進行設計;并假定所有載荷是同時作用在車軸上,動荷系數實際上反映了運行中的極端工況.
另外,當車軸有可能在腐蝕性環境中服役時,需要適當降低許用應力值或者加大安全系數.例如,歐洲標準«鐵路設備G輪對和轉向架G車軸G產品要求»(EN13261—2009)規定了腐蝕環境下車軸的設計載荷約為標準EN13103—2009和EN13104—2009中最大許用應力60%以下.根據當前研究,這一折損系數顯然還不足以確保安全性.當規范未明確載明時,仍然采用無缺陷狀態的許用應力值,而對于可能出現的超標缺陷認為在服役中出現即被清除,或者已采取了相關維保措施.
相關期刊推薦：《交通運輸工程學報》主要刊載道路與鐵道工程、載運工具運用工程、交通運輸規劃與管理、交通信息工程與控制等領域高水平的學術論文和重大工程實踐項目;主要讀者對象為國內外交通運輸領域的科研人員、工程技術人員及大專院校相關專業的師生。設有：道路與鐵道工程、載運工具運用工程、交通運輸規劃和管理、交通信息工程及控制等欄目。
當前,歐洲和中國推薦使用的車軸材料主要為碳鋼EA1N和合金鋼EA4T[5,32].其他一些高強度鋼如34CrNiMo6的抗拉強度在800~950MPa之間.然而在設計實際車軸中必須注意到一個問題,即要確保降低簧下質量(降低軌道損傷幾率)和較低的設計應力.其中使用高強度鋼并減小空心軸壁厚是一個折中方案,但該種材料的缺口敏感性和抗裂性是必須要關注的問題.
新干線車軸的安全應力或者疲勞極限達到147MPa,這是由于通過加工硬化在車軸表面引入了深約10mm的壓縮殘余應力區[32G33].另外,壓裝配合區和軸身直徑比值以及過渡區形狀對裂紋萌生也有影響,例如當壓裝配合區與軸體直徑近似為1時,壓裝區主要是微動磨損導致的裂紋.由于日本車軸壓裝區與軸體直徑比小于歐洲車軸(新干線0系列為1.10,500系列為1.11;而TGV為1.154;經典ICE為1.16).所以,標準JISE4501—1995中沒有對過渡圓弧或坡口區域裂紋萌生的評估,這主要是由于此處的疲勞強度并未顯著惡化,不足以萌生裂紋.
1.2.疲勞損傷累積理論
實際工程中,大多數金屬零件在變幅或者隨機載荷下工作[11G12,34].這種情況下,由不同頻率和幅值的載荷所帶來的損傷經過不斷積累,最終引起失效破壞.疲勞累積損傷是強度學科的重要概念.
眾所周知,疲勞是一個不斷發展和累積的過程,是指某點或某些點承受擾動應力,且在足夠多的循環擾動作用之后形成裂紋或完全斷裂的材料中所發生的局部的、永久結構變化的過程,疲勞損傷則是指在隨機載荷作用下的累積損傷.當損傷累積到某臨界值時,就認為構件發生失效破壞.實際應用比較廣泛的有以下幾種[11G12].
(1)線性累積損傷準則:材料損傷在各應力作用下相互獨立,進而可根據各部分損傷線性累加得到總損傷.比較典型的有PalmgramGMiner法則以及修正Miner法則、相對Miner法則.
(2)雙線性累積損傷準則:損傷過程中材料的初、后期分別按照各自線性規律(疲勞SGN曲線上不同斜率線段),累積到總疲勞損傷.這其中,典型的是Manson雙線性的疲勞累積損傷理論.
(3)非線性累積損傷準則:該理論認為各載荷所引起的損傷與之前的載荷歷程相關,即應考慮載荷歷程效應,這是比較符合結構實際服役工況的.其中,最具有代表性的CortenGDolan疲勞累積損傷理論、疲勞損傷曲線法.
(4)其他類型的累積損傷理論:這是一類經過試驗、觀察、分析總結得出的經驗和半經驗公式,或稱之為唯象模型,例如Levy理論、Kozin理論等.
然而,實際工程結構服役中會承受極端復雜的疲勞載荷作用,包括低于疲勞極限的載荷和隨機變化的載荷.此時,應該采用損傷累積思想來代替當前的車軸名義應力評估方法.下面以車軸設計為例,給出疲勞損傷累積的基本概念及其與傳統設計思想的結合情況.圖4是車軸疲勞強度設計及評價的標準方法[5],設計時默認為恒幅加載模式,且假定所有應力幅取極大值,疲勞極限(通常指107循環周次后)下的未知區間或其他特性暫由安全裕度來描述.——論文作者：吳圣川1,任鑫焱1,康國政1,王平2,馬利軍3,張曉軍4,錢坤才5,滕萬秀6
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