铁道车辆结构件失效评定方法研究

王晖 李宁 王宗正 马龙 李传迎

摘要：铁道车辆结构件在制造与服役过程中，损伤的产生不可避免。当损伤尺寸较小时，损伤件仍能发挥正常功能，不影响列车的安全运行。随着列车运营里程增加，损伤会持续演化，损伤会不断增加，当达到一定尺寸时，有可能使结构件不再满足设计和使用要求，从而引发各种安全问题，严重的可能导致运行事故，因此确定临界损伤尺寸对于列车的安全运行具有重要意义。本文以标准CT试样为研究对象，通过疲劳试验得到了试样在疲劳载荷作用下的临界损伤尺寸，并通过两种不同的方法—断裂韧度法和静截面失效法—计算了临界损伤尺寸，与疲劳试验作用下的临界损伤尺寸进行了对比，讨论了进行临界损伤尺寸计算时不同方法的可靠性和适用性，为铁道车辆结构件的失效评定提供依据。

Abstract：  In the process of manufacturing and operation of railway vehicles， damages are inevitable. When damages are of small size， the components can work normally and there would be no safety issues. Damages can develop to a critical size as the operation of high speed trains， in which situation the components cannot meet the design and operation requirements and may lead to accidents. Thus it is important to study the methods calculating this critical damage size. In this paper， a fatigue test is conducted with CT samples and critical crack size is achieved. A test of plain strain toughness known as KIC is carried to achieve fracture toughness， which is used to calculate critical damage size in the following FEA analysis. Then a net section failure principle is used to calculate critical crack size. Critical crack size calculated by the above tow methods are compared to the fatigue test， then the conservatism and applicability are discussed of the two methods， which are meaningful to the damage tolerance design of high speed trains.

關键词：铁道车辆;临界损伤尺寸;断裂韧度;静截面失效

Key words： railway vechicle;critical damage size;fracture toughness;net section failure

中图分类号：TG441.7                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）21-0057-04

0  引言

铁道车辆结构件在制造与服役过程中，损伤的产生不可避免。当损伤尺寸较小时，损伤件仍能发挥正常功能，不影响列车的安全运行。随着列车运营里程增加，损伤会持续演化，损伤会不断增加，当达到一定尺寸时，有可能使结构件不再满足设计和使用要求，从而引发各种安全问题，严重的可能导致运行事故，因此确定临界损伤尺寸对于列车的安全运行具有重要意义。本文以标准CT试样为研究对象，通过疲劳试验得到了试样在疲劳载荷作用下的临界损伤尺寸，并通过两种不同的方法—断裂韧度法和静截面失效法—计算了临界损伤尺寸，与疲劳试验作用下的临界损伤尺寸进行了对比，讨论了进行临界损伤尺寸计算时不同方法的保守性和适用性，为轨道车辆结构件的失效评定提供依据。

本文以7075铝合金材料制作的CT试样为研究对象，进行了疲劳损伤试验，加载至试样失效，得到了试样在疲劳载荷下发生快速演化时的临界损伤尺寸;同时进行了断裂韧度试验，测得了该材料的断裂韧度。测得的断裂韧度被用于计算临界损伤尺寸。另外，也应用静截面失效法计算了疲劳试验中CT试样的临界损伤尺寸，通过对比分析，得到断裂韧度法和静截面失效法在计算临界损伤尺寸上的可靠性和适用性。

1  CT试样及试验设备

用于断裂韧度测试的CT试样按照GB/T 4161-2007《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》[1]进行设计，试验方法同样依照GB/T 4161-2007《金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法》进行。试验设备如表1所示。

按标准要求进行测量试样的厚度B与宽度W。

样品宽度W和损伤尺寸a从平板加载孔的中心线处测得。有开口的边缘可以用来当做参考线，减掉从孔的中心线到开口边缘的距离，得到W和a。

2  断裂韧度试验

为了模拟实际构件中存在的尖锐损伤，使得到的KIC数据可以对比和实际应用，在疲劳试验机上使试样承受循环应力，引发尖锐的疲劳损伤，损伤长度a0，a0与试样宽度W的比值为a0/W≈0.5。图1为试样正在试验机进行预制损伤测试。

预制损伤载荷值则根据每件试样尺寸参数自动算出。预制损伤时所有试样加载比为R=0.1，频率选为4Hz。预制疲劳损伤时，同时监测试样两侧损伤的萌生情况，避免两侧损伤不对称发展。损伤引发的缺口顶端与试样两个表面的交点距加力孔中心线的距离应该相等，损伤缺口垂直于表面。

拉断过程如下：①将试样安放于试验机上，损伤预期演化面与加载线处于垂直位置;②调整加载速率使应力强度因子KI增率在规定范围内;③调整记录仪的放大比;④对试样加载试验并记录P-V曲线，直至超过试样所能承受的最大载荷停止;⑤断开试样，在厚度中点和两个四分之一厚度点三处测量损伤长度的平均值为损伤长度。

拉伸过程中，程序采用MTS系统中的MPT多功能软件（程序自编）。采用载荷控制，加载速率采用100N/s。为了得到载荷-缺口张开位移（P-V）曲线，测试采用COD引伸计测量损伤张开位移。试验过程中每隔0.1秒采集一次荷载、位移等相关参量。用测试仪器连续记录载荷增加与缺陷演化情况的P-V曲线、P-载荷、V-损伤两侧刀口张开位移。

试验断裂后，测量损伤长度，测试方法按图3所示，在B/4、B/2、3B/4的位置上测量损伤长度a2、a3、a4，取损伤长度平均值（a2+a3+a4）/3：计算断裂韧度条件值KQ。

根据试验过程中采集到的每一个试样的载荷、缺口张开位移数据，绘制荷载—缺口张开位移（P-V）曲线图。按照规范要求，根据曲线上确定的损伤失稳损伤临界状态的载荷PQ，以及试样断裂后测出的与PQ相对应的损伤长度a代入应力场强度因子KI表达式，求出损伤失稳损伤的临界KI值，记为KQ。

对得到的KQ值按下面的方法进行有效性判别。

计算载荷比并满足式（1）要求，式中Pmax为试验所能承受的最大值。

计算试样厚度是否满足式（2）的要求，其中为屈服强度。

对5件7075铝合金试样进行断裂韧性试验，最终得到该材料的断裂韧度平均值为28.85MPa√m，拉断后的试样如图4所示。

3  疲劳试验

为了模拟实际构件中存在的尖锐损伤，使得到的测试数据可以对比和实际应用，须进行疲劳损伤预制，预制损伤长度约为2.5mm。按照规范的要求，预制疲劳损伤最后一级的最大力值不得超过开始记录试验数据时的最大力值。预制损伤时所有试样加载比为R=0.1，频率为4Hz。

疲劳试验过程如下：

①将试样安放于试验机上，损伤损伤面与加载线处于垂直位置。

②调整并设置疲劳加载参数，保持力的稳定并设置保护，避免力过载引起迟滞效应。正式试验采用最大载荷值为3.2kN，应力比为R=0.1，频率为2Hz。

③试验过程中，记录若干循环次数及对应的损伤长度，为了得到足够多的数据点，程序设置为损伤每增加0.02mm记录一次相关数据。

④试验采取损伤损伤进入快速阶段，当试样断裂时作为最终停机点。损伤损伤试验过程中，采用MTS试验机自带的疲劳损伤损伤试验程序。疲劳循环次数和损伤损伤长度自动采集。损伤长度采用柔度法自动换算。

疲劳损伤损伤速率的确定采用拟合a-N曲线求导的方法确定da/dN。da/dN曲线数据的确定采用试验机自带软件自动获取的方式进行。后续处理将所有试样的a-N曲线数据集中整理。

对于紧凑拉伸（CT）试样，ΔK可按公式（3）计算[1]：

式中α=a/W

本次对3件7075铝合金试样进行损伤损伤速率试验，最终3件试验件的损伤损伤速率da/dN与ΔK的关系在双对数坐标下的关系如图5所示，破坏试样如图6所示。3件试样破坏时的损伤长度a为26.28mm、28.56mm和28.90mm。

4  断裂韧度法计算临界损伤尺寸

根据疲劳损伤损伤试验的CT试样图纸，应用Zencrack建立含损伤的CT试样有限元模型如图7所示[3]，按规范中的计量方法，初始损伤长度为11.5mm，由于本次计算的目的为得到临界损伤尺寸，初始损伤长度不会显著影响计算结果，含初始损伤模型中共1172个单元和6356个节点，单元类型选取二阶全积分单元C3D20。

CT试样的材料为7075铝合金，弹性模量为71.0MPa，泊松比取0.3，屈服强度为455MPa。

损伤演化准则应用Paris公式，将疲劳损伤试验的数据进行拟合，得到Paris公式中的材料常数，其中C值为C=3.37 497×10-12，n值为n=3.16 806，da/dN的单位为mm/cycle，应力强度因子单位为MPa√mm，在计算应力强度因子时，采用VCE（虚拟裂纹扩展）方法[4]计算能量释放率，并应用平面应变假设导出应力强度因子。

在进行试验时，CT试样通过夹具固定于试验机，在有限元模型中，分别在两个加载孔中心建立了参考点（Reference Point），参考点与两个圆孔的内表面进行耦合。疲劳载荷峰值大小为3.2kN，载荷比为0.1，施加于两个参考点上，加载方向为垂直于损伤面;位移边界条件同样施加于参考点上，约束与加载方向垂直的两个方向的平动位移，如图8所示。

经计算，在疲劳载荷作用下，损伤的演化情况如图9所示，由图9可见，損伤损伤后出现了一定的弧度，这与实验结果是相符的。损伤最深点最由初始的11.5mm损伤至35.45mm。

為通过断裂韧度得到临界损伤尺寸，可按照断裂韧度对损伤尺寸与应力强度因子的变化关系进行插值。断裂韧度试验值为28.85MPa√m，即912. 32MPa√mm。

应力强度因子随着损伤尺寸变化的曲线如图10所示，由图10可见，当损伤长度较大时，应力强度因子随损伤尺寸会迅速增大。

5  静截面失效法计算临界损伤尺寸

用静截面失效法判定临界损伤尺寸，在实施时较为简单，即求取截面的平均应力，当平均应力达到屈服强度时即认为试件失效。本次试验中的材料为7075铝合金，其屈服强度为455MPa。载荷大小为3.2kN，当平均应力达到屈服强度455MPa时，通过计算可得W-a=7.03mm，从而得到临界损伤尺寸为32.97mm。

6  分析与讨论

在疲劳试验中，三个试件分别在损伤长度为26.28mm、28.56mm和28.90mm时发生快速损伤演化，可将这一损伤长度认为是实际的疲劳载荷作用下试件的临界损伤长度，在此处取为三者的平均值27.91mm。通过断裂韧度计算得到的临界损伤长度为26.40mm，而通过静截面失效法得到的临界损伤长度为32.97mm。通过比较可以发现，用断裂韧度计算得到的临界损伤长度与试件实际发生快速损伤的损伤长度接近，略小于实际发生快速损伤的临界损伤长度;而用静截面失效法得到的临界损伤长度则大于实际试验中发生快速损伤时的临界损伤长度，说明如用静截面失效法进行临界损伤尺寸的计算，其结果对于7075铝合金来说是偏危险的。用于测定断裂韧度的试验件与疲劳损伤损伤试验件相比，其厚度较大，需要保证试件的平面应变状态。而疲劳损伤损伤试件则相对较薄，其应力状态与断裂韧度试件相比更接近平面应力状态。在此种条件下，应用平面应变假设计算得到的应力强度因子与试件在试验中实际的应力强度因子相比是偏保守的，因而此时用断裂韧度求得的临界损伤尺寸也偏保守。同时也应注意到，7075铝合金的屈服强度较高，这也是导致应用静截面失效准则计算临界损伤尺寸较大的原因。可以进行合理的推测，对于屈服强度较小而断裂韧度较大的材料，存在以下可能：用静截面失效法计算得到的临界损伤尺寸会偏保守。通常，对于韧性较好的材料，其断裂韧度很大，仅进行强度分析即可。

7  结论

对于板壳等薄壁构件，进行临界损伤尺寸的计算时，采用平面应变假设下的应力强度因子结果，并用平面应变断裂韧度作为临界条件进行计算，可以得到相对保守的结果。但对于韧性非常好的材料，其断裂韧度值可能较大，因此进行失效评定时，要综合考虑构件净界面屈服情况与脆性断裂。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家质量检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，GB/T 4161-2007，金属材料平面应变断裂韧度KIC试验方法[S].北京：中国标准出版社，2007.

[2]中华人民共和国国家质量检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会，GB/T 6398-2017，金属材料 疲劳试验 疲劳裂纹扩展方法[S].北京：中国标准出版社，2017.

[3]Zentech International Limited， Zencrack user manual， version 8.3. London： Zentech International Limited， 2018， [26-28].

[4]Dassault Systèmes. Abaqus 2016， Analysis User's Guide， Volume II： Analysis. Paris： Dassault Systèmes ，2015， 11.4.2[9-13].