残余压应力对车轴表面裂纹扩展的仿真研究.pdf

文章编号:1 0 0 2-7 6 0 2(2 0 2 3)0 4-0 0 3 8-0 4残余压应力对车轴表面裂纹扩展的仿真研究林浩博1,仲崇成1,高玉龙1,李 娜2(1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 2 6 6 1 1 1;2.中车青岛四方车辆研究所有限公司,山东 青岛 2 6 6 0 3 1)摘 要:为了研究残余压应力对裂纹扩展的影响,通过子程序引入初始残余压应力,利用裂纹扩展仿真技术X F EM与V C C T相结合的方法进行裂纹扩展仿真计算,证实了残余压应力对裂纹扩展有显著的抑制作用;基于Z e n c r a c k仿真软件,结合S 3 8 C材质车轴试验得到的裂纹扩展参数,预测了C RH 2型动车组用S 3 8 C材质车轴裂纹扩展寿命,并提出了车轴裂纹检测周期建议。关键词:车轴;残余压应力;S 3 8 C;裂纹扩展;寿命中图分类号:U 2 7 0.3 3 1+.1 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 2-7 6 0 2.2 0 2 3.0 4.0 0 7收稿日期:2 0 2 0-0 6-1 8;修回日期:2 0 2 3-0 5-0 6第一作者:林浩博(1 9 8 8),男,博士,高级工程师。S i m u l a t i o n R e s e a r c h o f C r a c k P r o p a g a t i o n o n t h e S u r f a c e o f A x l e d u e t o R e s i d u a l C o m p r e s s i v e S t r e s sL I N H a o b o1,Z HONG C h o n g c h e n g1,GAO Y u l o n g1,L I N a2(1.C R R C Q i n g d a o S i f a n g L o c o m o t i v e&R o l l i n g S t o c k C o.,L t d.,Q i n g d a o 2 6 6 1 1 1,C h i n a;2.C R R C Q i n g d a o S i f a n g R o l l i n g S t o c k R e s e a r c h I n s t i t u t e C o.,L t d.,Q i n g d a o 2 6 6 0 3 1,C h i n a)A b s t r a c t:F o r r e s e a r c h o f i m p a c t o f r e s i d u a l c o m p r e s s i v e s t r e s s o n c r a c k p r o p a g a t i o n,a s u b r o u t i n e w i l l b e u s e d t o i n t r o d u c e i n i t i a l r e s i d u a l c o m p r e s s i v e s t r e s s.T h e n c r a c k p r o p a g a t i o n s i m u l a t i o n t e c h n o l o g y X F EM w i l l b e u s e d i n c o m b i n a t i o n w i t h V C C T,a s a m e t h o d,t o p e r f o r m s i m u l a t i o n c a l c u l a t i o n s f o r t h e c r a c k p r o p a g a t i o n,t h u s d e m o n s t r a t i n g t h e r e s i d u a l c o m p r e s s i v e s t r e s s c a n i m p o s e s i g n i f i c a n t r e s t r i c t i o n t o t h e c r a c k p r o p a g a t i o n.W i t h s i m u l a t i o n s o f t w a r e Z e n c r a c k,c r a c k p r o p a g a t i o n p a r a m e t e r s h a v e b e e n o b t a i n e d f r o m t e s t s w i t h a x l e o f m a t e r i a l S 3 8 C,s o t h a t c r a c k p r o p a g a t i o n l i f e c a n b e p r e d i c t e d f o r C RH 2 EMU w i t h a x l e s o f m a t e r i a l S 3 8 C.I n a d d i t i o n,p r o p o s a l f o r t i m e i n t e r v a l o f a x l e c r a c k d e t e c t i o n i s p u t f o r t h.K e y w o r d s:a x l e;r e s i d u a l c o m p r e s s i v e s t r e s s;S 3 8 C;c r a c k p r o p a g a t i o n;l i f e c y c l e 动车组用车轴淬火普遍采用3 k H z频率、6层线圈,加热温度达到8 8 09 0 0,并在1 5 02 3 0 的温度范围内进行回火,使表面压缩残余应力增加到6 0 0 MP a。日本新干线车轴采用高频淬火技术,即快速加热与立即淬火冷却相结合的方法,使车轴表层形成1 0 0%的马氏体组织,从而提高硬度和产生压缩残余应力1-3。通过对长期运用车轴的X射线残余应力测量,发现残余应力并没有降低,而且车轴在整个寿命期内都保持着初期的压缩残余应力4-6。为进一步研究残余压应力对于裂纹扩展和疲劳强度的影响,本文采用X F EM与V C C T相结合的方法,对裂纹扩展进行仿真模拟,并预测C RH 2型动车组用S 3 8 C材质车轴裂纹扩展寿命。1 X F EM与V C C T采用扩展有限元方法(E x t e n d e d F i n i t e E l e m e n t M e t h o d,X F EM)与虚拟裂纹闭合技术(V i r t u a l C r a c k C l o s u r e T e c h n i q u e,V C C T)相结合的手段来模拟裂纹扩展,是一种非常有效的仿真方法,对于求解相关路径裂纹的裂纹扩展过程,不需要重新划分网格。首先使用X F EM方法模拟裂纹扩展路径,然后利83 研究与设计铁道车辆 第6 1卷第4期2 0 2 3年8月 用V C C T技术,选择d i r e c t c y c l i c方法模拟疲劳裂纹扩展。由于需要考察残余应力对裂纹扩展的影响,所以在计算之前通过子程序加入预设残余压应力。图1为沿模型长边方向加入2 0 0 MP a残余压应力的效果图,其中残余压应力层为5 mm,应力从表面到表面下5 mm为线性变化,到达表面下5 mm处残余应力为0。图1 初始残余压应力效果图2 不同初始残余压应力对裂纹扩展的影响为了分析残余压应力对疲劳裂纹扩展的影响,在初始裂纹深度为2 mm以及残余压应力层为5 mm的情况下,分别对无初始残余压应力以及初始残余压应力为1 0 0 MP a、2 0 0 MP a、3 0 0 MP a、4 0 0 MP a、5 0 0 MP a的6种情况进行裂纹扩展分析,得到的da/dN-K曲线如图2所示。图2中,裂纹扩展速率即裂纹深度a随循环次数N的变化率da/dN反映裂纹扩展的快慢,K为应力强度因子幅值。图2 6种不同工况下的da/dN-K曲线 从图2可以看出,每种初始残余压应力下得到的da/dN-K曲线在双对数坐标下基本成一条直线,此特征为典型的P a r i s稳定扩展区特征;初始残余压应力越大,对应的疲劳裂纹扩展应力强度因子就越大,裂纹扩展所需要的载荷就越大。由此说明,初始残余压应力对于疲劳裂纹扩展起到抑制作用,并且作用效果明显。通过对C RH 2型动车组用S 3 8 C材质车轴进行整个寿命周期内的残余应力测试(图3),发现车轴表面不仅仅具有较高的硬度,而且距表面5 mm内始终具有较高的残余压应力,这点也验证了裂纹扩展仿真计算结果的准确性。因此,S 3 8 C车轴钢较好的裂纹扩展性能不仅仅与其表面较高硬度有关,也与高频淬火产生的残余压应力有关。图3 S 3 8 C材质车轴不同运行里程与残余应力的关系3 车轴表面裂纹扩展仿真3.1 裂纹扩展特性试验为获得车轴裂纹扩展仿真所需参数,对C RH 2型动车组用S 3 8 C材质车轴进行裂纹扩展特性试验,计算应力强度因子幅值、裂纹扩展速率和P a r i s拟合参数。试验选取现车用S 3 8 C材质车轴,并在车轴距轮毂内侧约1 5 mm处的轴身上用电火花加工一个穿透车轴表面硬化层,名义深度为5 mm、宽度为0.4 mm的人工缺陷(图4)。图4 车轴表面人工缺陷 试验时控制轴身的应力,应力达到2 2 0 MP a时进93 残余压应力对车轴表面裂纹扩展的仿真研究 林浩博,仲崇成,高玉龙,李 娜行试验,直到缺口形成疲劳裂纹为止,此时试验循环次数为7.31 05。疲劳裂纹形成后,解剖车轴断面如图5所示。图5 车轴断面图从图5的车轴断面图可以看出,S 3 8 C材质车轴疲劳裂纹呈明显的贝壳状,裂纹起源于人工缺陷根部,以线源形式呈放射状向车轴内部扩展,有数条非常明显的裂纹复原线。裂纹在靠近车轴表面5 mm的区域有明显的收缩趋势,最长的疲劳裂纹并不存在于车轴表面,而是在近车轴表面靠近裂纹尖端面的位置。这种特性对于车轴的威胁在于有可能在车轴表面裂纹很短的情况下车轴内部产生了较深的疲劳裂纹,不利于车轴运行安全。将试验数据进行计算得到应力强度因子幅值和疲劳裂纹扩展速率的数据,拟合得到适用范围为深度大于5 mm的 裂 纹 的P a r i s公 式:da/dN=c(K)m=9.0 31 0-9(K)0.6 1(c、m为材料常数)。在车轴裂纹扩展试验中,监测到的第1条裂纹深度为3 4.5 1 mm,而初始缺陷深度为5 mm,这就导致从5 mm到3 4.5 1 mm之间没有确切的裂纹扩展数据,所以本文希望利用线路实际载荷仿真获得裂纹深度从5 mm到3 4.5 1 mm之间的相关数据,并估算实际运行里程。仿真计算时将S 3 8 C材质车轴裂纹扩展特性试验中拟合的P a r i s公式参数和在裂纹截面处产生的最大许用应力作为仿真输入参数,其中c=9.0 31 0-9、m=0.6 1。3.2 裂纹扩展仿真计算使用Z e n c r a c k有限元仿真软件对C RH 2型动车组用S 3 8 C材质车轴表面裂纹扩展进行仿真计算,计算步骤如下:(1)建立车轴结构有限元模型,设置载荷、边界条件和材料参数等;(2)设置结构的初始裂纹和裂纹扩展参数;(3)进行车轴结构的裂纹扩展分析,得出应力强度因子、剩余寿命和裂纹扩展轨迹等计算结果。仿真初始裂纹位于车轴表面,深度为5 mm,距车轮轮毂内侧1 5 mm,为半圆形表面裂纹(图6);在车轴端部施加集中载荷,在车轮处使用全约束;车轴与车轮的过盈量设置为0.3 mm,2个部件的接触部分设置接触边界条件,其中接触部分的切向摩擦因数为0.1 5。图7为车轴表面裂纹扩展有限元模型。图6 初始裂纹图7 有限元模型随着裂纹的不断扩展,车轴半圆形表面初始裂纹最终慢慢演变成半椭圆形裂纹(图8),规定此时裂纹应力强度因