基于BS7910标准的一种含裂纹车钩座安全性及剩余寿命评估方法研究

张玉涛

摘要：本文以轨道客车车钩座为研究对象，详细阐述了应用BS7910标准对含裂纹轨道客车零部件进行安全性及剩余寿命评估的方法。通过材料性能试验、有限元应力计算、断裂力学计算，以失效评估图（FAD）作为判据，给出了车钩座裂纹的最大容许尺寸，以Paris裂纹扩展速率公式为基础，给出了含裂纹车钩座的剩余寿命。

关键词：BS7910;安全评估;剩余寿命

概述

BS7910英国标准用于含缺陷结构件的安全性及剩余寿命评估，目前在压力容器及石油管道等领域已经得到广泛应用，但在铁路行业应用经验还较少。在对轨道客车进行检修时发现个别车钩座存在表面裂纹，本文以此含裂纹车钩座（如图1所示）为研究对象（初始裂纹长度为6mm），说明BS7910标准在评估轨道车辆结构件中的应用方法。通过材料试验、有限元应力计算、断裂力学计算确定车钩座所能容许的最大裂纹尺寸及含裂纹车钩座的剩余寿命。

1基本原理

1.1结构安全评估

通过材料拉伸试验数据建立FAD图的失效评估线，再根据实际裂纹类型和尺寸、载荷情况计算并绘制失效评定点进行安全评定。当失效评定点落在失效评定线外时，说明该评定点对应的缺陷不满足安全要求（如图2所示）。

根据BS7910标准，基于材料的屈服强度与抗拉强度计算材料的失效评估线。

在材料失效评估线的计算中，Lr截止值计算如公式（1）所示：

式中，σY为材料屈服强度，σu为材料抗拉强度。

根据车钩座的材料特性，使用如下公式绘制失效评估线的轮廓。

当 时，

当 时，

当 时，

其中，

1.2剩余寿命评估

疲劳裂纹扩展速率da/dN是在疲劳载荷作用下，裂纹长度a随循环周次N的变化率，反映裂纹扩展的快慢。根据断裂力学给出的疲劳裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子范围关系，当应力强度因子变化范围低于疲劳裂纹扩展门槛值 时，裂纹扩展速率趋近于零，可以认为裂纹不发生扩展。当裂纹扩展速率在10-9～10-5范围内，裂纹扩展速率与裂纹尖端应力强度因子范围有良好的对数线性关系，可利用这一关系进行疲劳裂纹扩展寿命预测，具体可通过Paris公式进行拟合。

2车钩座评估

2.1材料试验测试

通过材料性能试验及数据处理，可得到车钩座的材料参数，如表1所示。

2.2断裂力学模型建立

在裂纹扩展初期，从实际缺陷中可以发现，裂纹出现在车钩座侧板外表面，尚未贯穿侧板，因此基于BS7910标准，判断为表面缺陷更加合适，评估模型如图3所示。在裂纹穿透厚度后的末期扩展，可以判断为贯穿厚度裂纹缺陷进行进一步的评估，评估模型如图4所示。

综上，将裂纹的整个扩展过程分为两个阶段：第一为表面裂纹扩展阶段，第二为贯穿厚度裂纹扩展阶段。

2.3基于有限元应力计算

通过有限元计算，提取沿裂纹路径的最大主应力数据，针对不同阶段定义相应的路径提取最大主应力并进行应力线性化处理，图5展示了表面裂纹扩展阶段的应力线性化方法，表2给出了应力线性化结果。

在实际运营的复杂工况下，可能会存在冲击等特殊情况，出于保守性考虑，需要对应力数据乘以安全系数因子，这里取安全系数为2进行进一步的断裂力学计算。

2.4车钩座安全评估

通过材料拉伸试验数据建立了FAD图的失效评估线之后，进行失效评估点的计算。

长度为6mm的表面裂纹作为第一阶段裂纹扩展的初始状态，进行断裂力学计算，计算得到深度扩展方向裂纹尖端应力强度因子为143.70N·mm-3/2，长度方向扩展裂纹尖端应力强度因子为144.40N·mm-3/2，都低于试验得到的材料疲劳裂纹扩展门槛值182.78N·mm-3/2，认为不发生扩展，结构安全。

对表面裂纹做出结构安全评估，结构安全评估的失效指标是扩展深度a扩展达到板厚导致的载荷比Lr的失效。在现有载荷水平下，表面裂纹的扩展在结构上是相对安全的，直到其扩展贯穿板厚，之后对第二阶段的贯穿厚度裂纹扩展阶段做出主要的结构安全评估。如果忽略门槛值条件，认为初始表面裂纹会在现存工况下扩展，并延伸至贯穿厚度阶段。对贯穿厚度裂纹阶段进行结构安全评估，随着裂纹扩展，评估点与安全评估线的位置关系变化结果如图6所示，计算可得裂纹的极限安全尺寸为334mm。

2.5剩余寿命计算

重复计算裂纹生长后的裂纹尖端应力强度因子范围及对应的新裂纹生长增量，直到达到裂纹生长限值。其中，表面裂纹扩展阶段生长限值为裂纹深度a达到结构板厚B;贯穿厚度裂纹扩展过程生长限值为由结构安全评估计算得到的安全运行极限裂纹长度。最终记录总循环次数N，作为裂纹疲劳剩余寿命。

在针对剩余疲劳寿命的计算中，表面裂纹阶段寿命为1710万次，贯穿裂纹阶段寿命为359万次，表面裂纹扩展阶段剩余寿命占主导作用，而贯穿厚度裂纹扩展阶段实际寿命很短。可见在制定检修周期计算总寿命时，应主要考虑表面裂纹阶段寿命而忽略贯穿裂纹阶段寿命。

3结论

本文以軌道客车车钩座为研究对象，着重介绍了BS7910标准在轨道车辆零部件安全评估及剩余寿命预测中的应用方法，同时明确了含裂纹车钩座的极限裂纹尺寸及其剩余寿命。本文的内容为工程师在轨道车辆零部件的损伤容限评估及零部件的检修周期和检修标准的制定提供重要的参考价值。

参考文献

[1]BS 7910-2015 Guide to methods for assessing the acceptability of flaws in metallic structures[S].

[2]BS ISO 4986-2020 Steel and iron castings — Magnetic particle testing [S].

[3]GB/T 228.1-2010 金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法[S].

[4]GB/T 6398-2017 金属材料 疲劳试验 疲劳裂纹扩展方法[S].