基于假设分布的重载货车关键结构剩余寿命预测方法

针对状态修中的关键结构剩余寿命问题,提出基于假设分布的剩余寿命预测方法,并以车钩为例,对该方法进行验证。基于线路测试或动力学仿真,获取车钩载荷时间历程,并编制其疲劳台架试验载荷谱;开展台架试验,获取车钩退化数据;基于假设分布对裂纹尺寸数据进行拟合优度检验,确定良好假设分布类型,得到结构累积失效概率图;基于累积失效概率图,对车钩剩余寿命进行预测。对于无可用试验数据的情况,结合断裂力学理论,给出基于有限元法的结构裂纹扩展分析流程,并以车钩为对象,预测一定裂纹尺寸下的剩余服役寿命。研究结果表明,基于假设分布的钩体剩余寿命预测均值与实际剩余寿命趋势一致,随探伤里程的增大,预测精度逐渐提高,整体来看,平均相对误差为38.35%,在工程应用可接受范围之内;基于数值仿真预测的钩体剩余服役寿命相对保守,可考虑结构不同部位多裂纹对系统可靠度的影响来提高预测精度。

铸造E级钢CT试样疲劳裂纹扩展试验与仿真分析

为准确获取铸造E级钢材料的断裂力学参数,并研究该材料的裂纹扩展规律和影响因素,开展了铸造E级钢CT试样的疲劳裂纹扩展试验,并将材料的裂纹扩展速率采用Paris公式进行表征;以CT试样裂纹扩展计算模型为例,采用M积分数值方法计算了5组试样疲劳裂纹扩展长度与载荷循环周期结果,仿真与试验相对误差在10%以内,具有较好的一致性。通过进一步对比分析试验与仿真的误差原因,载荷幅值为主要误差要素,初始裂纹位置、扩展速率参数、裂纹长度参量影响较小,从而为复杂结构三维疲劳裂纹扩展规律的预测提供参考。

铁路重载货车钩舌疲劳裂纹萌生寿命分析

为更加精确掌握重载货车关键零部件的健康状态,结构在既有服役条件下的裂纹萌生寿命是研究重要环节之一。为精确分析重载货车钩舌的疲劳裂纹萌生寿命,提出了基于分离体模型的疲劳裂纹萌生寿命分析方式。首先,分别构建了基于应变测点的均布载荷模型、基于接触非线性的接触力模型,以及基于承载特性的载荷分布模型,三种不同承载状态下的钩舌裂纹萌生寿命模型;然后,对比分析了三种承载状态下钩舌有限元仿真与台架试验结果,证明基于应变测点的均布载荷模型的各测点弹性应变结果与台架试验测试结果吻合最好;最后,基于均布载荷模型,采用局部应力应变法,开展了重载货车钩舌疲劳裂纹萌生寿命分析,表明钩舌疲劳损伤危险部位为上下牵引凸缘根部,在特定的载荷谱条件、95%置信度,以及90%存活率下,其疲劳裂纹萌生寿命为1.22万公里。

一种重载货车车钩强度的分析方法

以重载货车常用的16型、17型车钩为研究对象,设计一种比耦合车钩强度分析更便捷和准确的单车钩强度分析方法。进行车钩装配体的对拉试验,得到关键部位的应力测试结果;建立耦合车钩装配体有限元模型,得到车钩的应力状态。结果表明钩体仿真与试验较为吻合,钩舌仿真与试验存在较大差异。对17型车钩进行了详细的准静态受力分析,确定影响车钩载荷分布的关键参数,表明车钩自质量和纵向载荷作用点距车钩中线的距离对应力状态有较大的影响。通过调节车钩关键参数,采用单车钩模型对结构进行应力分析,钩舌与钩体的仿真与试验结果具有较好的一致性。该研究成果为重载货车车钩强度分析提供了一种新方法,具有一定的理论和运用价值。

重载货车车钩准静态受力分析与纵向载荷分配规律

针对重载货车车钩在车钩间隙、重力与纵向牵引力综合作用下的受力状态改变问题,对车钩进行了准静态受力分析,研究了其纵向载荷分配规律;设计了钩舌上下牵引凸缘根部的应变试验,得到了测点弹性应变随牵引力的变化关系,分析了上下牵引凸缘承载程度变化趋势;对车钩进行了详细的受力分析,推导了载荷传递部位等效力解析解,得到了车钩承受不同牵引力作用时所对应的仿真边界条件;对车钩结构进行了仿真分析,得到了节点应变随牵引力变化的响应曲线,通过与应变测试试验结果的对比分析,证明了车钩载荷传递部位等效力解析解和仿真模型的可靠性;研究了牵引力与钩舌内腕面、上下牵引凸缘等效力的关系式中关键参数对等效力的影响规律。研究结果表明:当牵引力小于13.5kN时,上受压推台受力;牵引力为13.5~1725.0kN时,车钩系统上下牵引凸缘同时承载,随着牵引力的逐渐增大,下牵引凸缘承载比例逐渐减小并趋近于0.53,上牵引凸缘承载比例逐渐增大并趋近于0.47,承载比例与系统参数有线性关系,其中钩舌内腕面等效力作用位置对此影响极大。研究结果作为研究车钩疲劳裂纹萌生和扩展仿真的基础,对铁路重载车钩服役安全性具有极强的指导意义和参考价值。

基于可靠性的重载货车钩舌疲劳断裂寿命

铁路重载货车牵引吨位增加导致钩舌裂纹率急剧上升,现有针对钩舌疲劳断裂的研究还缺乏试验和理论支撑,因此有必要开展基于可靠性的钩舌(16H型)疲劳断裂寿命研究。基于线路实测载荷谱开展了系统的钩舌疲劳断裂台架试验,利用可靠性理论研究钩舌疲劳断裂寿命,然后从疲劳损伤分布的角度,对钩舌危险部位的损伤分布进行了深入分析,实现了与台架试验结果的相互印证。结果表明,在纵向冲击载荷作用下,钩舌主要呈现下牵引凸缘断裂和内腕面断裂两种失效形式,其中下牵引凸缘根部临界裂纹尺寸表面长度为60 mm,深度为23 mm,内腕面临界裂纹长度为90 mm;在99.9%可靠度下,钩舌断裂寿命为47.5万km;钩舌内腕面疲劳断裂寿命是下牵引凸缘断裂情况下疲劳断裂寿命的1.04~1.75倍,寿命差异除偶然误差外还同时存在条件误差;钩舌最大损伤位于下牵引凸缘根部距离内腕面一侧42 mm处,上牵引凸缘根部损伤小于下牵引凸缘根部,内腕面损伤最小,但出现疲劳裂纹的范围最大,易同时萌生多段小裂纹导致断裂。研究工作对重载货车钩舌维修策略的制定和应用安全性具有重要的理论和工程指导价值。