材料的静态力学性能的影响疲劳裂纹萌生寿命的铁路紧固夹

文摘

本文旨在研究材料静态力学性能的影响疲劳裂纹萌生寿命ω形铁紧固夹,Vossloh 300 - 1紧固件系统作为一个例子。38 si7钢的静态力学性能的材料(夹)首次调查通过一系列的单轴拉伸测试。根据实验结果,一个典型的装配系统是模拟之后使用有限元分析(FEA)方法。Brown-Miller标准的基础上,深入数值研究对于实现临界平面,使疲劳裂纹萌生成功复制的有限元分析。最后,详细参数与相关研究进行了敏感性分析。结果表明,疲劳裂纹的发生和发展的紧固夹发生在飞机最大剪切应变。疲劳裂纹萌生寿命的紧固夹非常敏感的弹性模量,特别是抗拉强度更敏感。从工程角度来看,紧固夹的抗疲劳强度可以提高(i)材料的抗拉强度增加到至少1450 MPa, (ii)呈现弹性模量小于160 GPa。

1。介绍

随着现代经济的发展,高速铁路已成为当前社会的越来越重要的一部分。另长期交通荷载作用下,一些灾难性的序列(如腐蚀、裂缝和骨折)可能的失败归因于铁路紧固夹。例如,ω剪辑骨折经常出现在一些高速铁路1- - - - - -3),导致故障总数的铁路和安慰。本工程缺陷解释特别注意给实验/理论研究专注于这方面。

大量的研究一直致力于研究这参与工程的话题在过去20年。不幸的是,不同观点经常发表文献中,并没有明确的共识。许多研究人员(1- - - - - -7)认为,铁路剪辑的失败主要是由于共振引起的铁路起皱;相反,其他研究人员(8- - - - - -10)表示,铁路夹在重轴负载下容易失败。作者的知识,可能发生疲劳失效的铁夹由于多轴载荷的组合和复杂的几何结构。此外,许多学者(1,3,6,7,11,12)进行疲劳实验和数值模拟铁路紧固夹,发现失败的裂纹开始在最大·冯·米塞斯应力的位置。研究的因素,影响铁路连接的疲劳生活片段,朱et al。2)建立了一个五部分结构模型包括一个简短的铁路、螺栓垫片,剪辑,一个绝缘垫片,轨距挡板的力学行为研究铁路车辆动态载荷引起的剪辑。Qi et al。4)建立了一个五部分的结构模型ω形夹,发现抗疲劳的紧固夹通过增加扣件刚度可以改善。高et al。5,6]介绍了一段剪辑模型简化边界条件根据装配测试在实验室为了分析的失效机理W1-type紧固夹在高速铁路。数等。13,14)模型只有一个一半的SKL14剪辑裂纹扩展的断裂可靠性评估的弹簧夹。鑫et al。11肖,et al。15杨],[16],Hasap et al。17)发现,疲劳寿命的e型紧固夹在安装过程中与剪切位移的增加急剧减少。吴et al。18,刘19),和刘20.)发现W1紧固夹的疲劳寿命是交变载荷的振幅呈负相关。王(21)报道,紧固夹的最大应力逐渐增加,摩擦系数的增加之间的紧固夹和轨距挡板,从而促进裂纹萌生。

前一节中的文献综述表明,变异模式的紧固夹疲劳寿命和安装过程,循环载荷条件和系统刚度已经很好理解。除了外部因素,材料的静态力学性能、表面状况、规模效应,等等,都是能够极大地影响紧固夹的疲劳寿命。然而,所有这些参数的影响很少被研究过,和在这一领域仍然存在许多不确定性,从而阻碍背后的机制的发展。Manouchehrynia和阿卜杜拉(22)进行了可靠性评估预测汽车螺旋弹簧的疲劳在校园期间,城市,高速公路路面和发现明日模型可以预测一个安全区域提升数据点的三种路面。阿卜杜拉et al。23)使用strain-life方法Coffin-Manson和明日Smith-Watson-Topper (SWT)模型预测公路下的钢板弹簧的疲劳寿命,上坡和下坡数据,发现钢板弹簧的疲劳寿命最高1544周期/下高速公路数据块。Zhang et al。24)发现镍基高温合金的抗疲劳强度与热处理程序应用。王等人。25]研究了沥青混合料的模量的影响在底层桥路面的力学响应,发现应用程序高模量沥青混合料的沥青层底部减少路面结构的应力水平。赵和丁26]分析了as-deposited的微观结构和力学性能,凳(QT),和消除应力退火(SR)标本24 crnimo合金钢;他们发现,QT标本有最小的磨损和热疲劳裂纹长度、优良的耐摩擦磨损性能、裂纹扩展和预防,理想的综合性能。因此,研究材料的静态力学性能的影响在铁路紧固夹具有重要意义,因为这些发现有助于供应商提供理论指导来实现适当的热处理生产过程中。

在知识填补这些空白,基于之前的研究(27- - - - - -30.),本文采用ω形Vossloh 300 - 1紧固件的紧固夹系统,这是通常用于高速铁路,为研究主题。一系列的单轴拉伸测试首先进行紧固夹材料38 si7在三个不同的阶段。然后,基于实测性能数据的紧固夹材料,有限元(FE)模型构建了完整的紧固件系统。临界平面法被用来确认关键的飞机在临界点,和疲劳裂纹萌生寿命预测的紧固夹后Brown-Miller标准。最后,影响材料的静态力学性能的疲劳裂纹萌生寿命紧固夹进行分析,和灵敏度分析材料的静态属性。这项研究的结果将是非常有用的(i)寻找有效的方法提高抗疲劳强度的紧固夹从材料性能的角度来看,(2)提供一个理论框架选择先进的紧固夹材料用于工程应用。

2。材料和方法

多轴疲劳的研究中,临界平面方法是主流31日- - - - - -50]。朱et al。49)评估和比较四种典型的临界平面标准(Smith-Watson-Topper Fatemi-Socie Wang-Brown,修改,并提出修改广义应变能)韧性和脆性材料的多轴疲劳分析四个多轴加载条件下,发现与附加材料常数产生强劲的生活标准预测不同的材料。廖et al。50)结合临界平面和临界距离取得组件的多轴疲劳寿命预测方法分析,发现使用这种组合方法提供比别人更好的疲劳寿命预测精度。临界平面多轴疲劳寿命预测方法治疗等效单轴疲劳问题关键的飞机上,连接理论与物理疲劳开裂行为的观察。的应力/应变状态的最大损伤平面选择多轴疲劳分析的关键参数。因此,至关重要的飞机必须与多轴载荷,疲劳损伤平面和至关重要的第一步是确定临界平面基于多轴加载条件。临界平面的定义可以包含的最大损伤平面和最大剪应力面和损伤参数对临界平面的定义主要是剪切应力等因素的不同组合,正常压力,中值,振幅,和最大静水压力。图1描述的过程结构的疲劳寿命预测临界平面的方法。简要介绍的寿命预测ω形夹连接如下:(1)通过拉伸测试38 si7标本,获得的静态力学性能,用于(i)进行弹塑性有限元分析(FEA)的研究结构和(2)大致估算材料的疲劳特性基于选定的经验估算方法。(2)研究结构的弹塑性有限元计算,执行结果是用于(i)确定危险区域根据应力应变分布和(2)输出危险区域内的应力-应变分量。(3)关键的飞机在危险点是通过获得的损伤参数决定通过执行三维(3 d)坐标变换根据12应力-应变组件。(4)的疲劳寿命ω形夹预计用38 si7材料的疲劳性能和损伤参数引起的多轴加载条件下的选择标准。

由于研究目的是分析材料的静态力学性能的影响疲劳裂纹萌生寿命的紧固夹,然后用于多变量敏感性分析整个预测过程。注意的疲劳裂纹萌生寿命ω形夹(以下称为“疲劳寿命”)是强调本文的疲劳裂纹扩展和进一步的讨论超出了本文的范围。

2.1。拉伸测试

来洞察的静态力学性能,进行了一系列单轴拉伸测试38 si7紧固夹材料。因为片段可能会影响测试结果的热成型(46],38 si7以下三种不同的条件下测试材料:(i)处女状态栏形式热成型之前,(ii)受损的国家经过长时间的使用寿命,和(3)新成立的国家(见图2)。预制棒的圆条两个25毫米的样本(# 1和# 2)可以直接取样。形成的紧固夹,两个中间两条腿被切割和抛光从片段中删除以满足实验需求(通过# 6 # 3)。

进行了拉伸测试使用万能试验机SHT4605(见图3),容量600 kN,最高时速140毫米/分钟。采用标准ASTM E8 m - 16的实验项目。之前和之后的速度产生被设置为1.0毫米/分钟和24毫米/分钟,分别。所有的测试进行了使用位移控制过程控制环境温度,以消除任何多余的热电偶的考虑的现象。标本被标记,夹在30 mm标本的顶部和底部。

测试结果是解释关于工程应力-应变曲线。用来量化的弹性模量、拉伸应力与轴向应变之间的关系的线性弹性区域,是由开始的连续曲线的斜率。屈服强度是作为塑性变形的应力达到0.2%,而工程应力-应变曲线上的最大应力被确认为抗拉强度。

2.2。有限元分析

以Vossloh 300 - 1紧固件系统为研究对象,所有的组件都标记在图4。其中,剪辑和其他部分之间的接触关系和所有部件的材料特性是非常重要的应力-应变分布的铁夹在正常工作条件下,即使疲劳寿命预测的铁夹。然而,许多研究人员(2,4- - - - - -6,13,14]建立了简化模型,以节省时间和成本,至关重要的联系关系的多轴疲劳分析被忽视了。在简介中提到的文学研究,仿真模型太过于简单化的代表复杂的情况,包括原位紧固夹内的应力、应变状态。本文有限元分析被考虑一个精心装配紧固件系统上执行的所有组件和接触对,如图5(一个)。紧固夹材料的弹塑性特性38 si7测定通过上述拉伸测试。材料属性,网格类型和网格数量表中列出的其他组件1。在这个模型中,每个脚趾之间创建point-to-surface非线性接触的紧固夹和相应的绝缘垫片,每个鞋跟之间的紧固夹和相应的测量围裙,和每个中间的腿之间的紧固夹及相应的螺栓垫片,如图5 (b)。滑动表面的交互建模使用基本库仑摩擦模型,在其中所有的摩擦系数分别为0.3 (51]。其他表面的交互的节点彼此密切联系在一起。的纵向位移的中间环紧固夹(y方向图5 (b))受到限制。由于完整的装配模型的复杂性,螺栓的元素,铁路,和睡眠被简化,考虑刚体的一部分,导致更快的运行时间在发展阶段的模型,可用于模型验证的目的。

17 kN的垂直负载(F_安装= 17 kN -z方向图5 (b))第一次被应用于螺栓的上表面,代表一个标准的安装扭矩250 N·m [30.]。然后,循环荷载应用于铁路头表面,这是经过考验的轮轨力的简化高速铁路(见图6)大致等效正弦加载曲线,如图7。

振幅、中值和频率的正弦加载曲线计算轮轨力曲线的实时记录,规范后结核病/ T 2489 - 2016。此外,另一个不利的情况下被认为是安装负载19岁kN,模拟过载安装扭矩300 N·m和正弦载荷放大(从洋红色固体曲线绿色虚线曲线在图7),模拟过载轮轨力,通常由于追踪违规行为和垄断等因素。表2显示了等效正弦负荷的相关参数。

2.3。临界平面决心在三维坐标系

正如前面所讨论的,它是非常重要的识别关键的飞机在临界点,即平面裂纹的关键位置。基于三维空间的经典弹性理论问题(52),3 d主要菌株和三个最大剪切应变可以先确定全球坐标系统在临界点。然后,通过坐标变换矩阵的方向余弦,具体平面的最大主应变/剪切应变可以被识别。

假设有一个主应变ε_我在临界点D上飞机年代和采取任何平面美国广播公司平行于年代近点D,一个小四面体形成全球坐标系统,通过临界点D(见图8)。

当四面体无限小的点和方法D,飞机上的应变美国广播公司压力面吗年代点在哪里D所在地,即主应变。假设飞机的外正常美国广播公司是在的投影在在x- - - - - -y平面上形成一个角θ与x设在和之间的角度在和x- - - - - -y飞机是ϕ(见图8)。飞机的方向余弦美国广播公司表示如下:

每个组件的全球压力平面美国广播公司因此在全球坐标系统是代表如下:

通过求解两个联立方程(1)和(2),每个主应变的方向和飞机ε_我可以确定,坐标系统基于3 d主要菌株的方向吗ε₁,ε₂,ε₃可以定义。新坐标系旋转45°,当地最大剪切应变的方向和飞机也可以被识别。

新的3 d系统(的方向余弦X′Y′Z基于原始坐标系统(′)XYZ)表示如下:

因此,应变分量在新坐标系用方向余弦矩阵表示如下:

2.4。Brown-Miller判据和西格的方法

以临界平面法首次提出了布朗,米勒,Findley [40]。他们认为剪切应变的组合和正常压力作用于最大剪切应变平面裂纹萌生和发展负责。作者报道,疲劳裂纹萌生取决于最大剪切应变γ_马克斯和法向应变范围∆ε_n在最大剪切应变平面上。然而,他们的标准未能考虑平均应力对疲劳寿命的影响。为了克服这个缺点,明日mean-stress-correction方法被用来纠正平均应力σ_米,他们提出了以下公式和两个模型参数: 在哪里和代表材料的疲劳强度系数和指数,分别;和是材料的疲劳延性系数和指数,分别;和代表弹性值和塑性泊松比的值,分别;弹性模量;和是失败的周期数。左边表示剪切应变和正常的平面应变振幅最大剪切应变的临界点。右边表示弹性应变分量和塑料组件相关的复杂的多轴载荷的影响。

除了从有限元分析获得的损伤参数,疲劳性能通常可以通过拟合strain-control实验数据或大致估计基于实证评估方法等四点相关性(53],普遍的斜坡[53,西格的方法(54]。确定38 si7的疲劳性能,西格的方法,通常用于估计普通碳钢的疲劳性能,中古低地合金钢,铝合金,钛合金,受雇。估计公式如下: 在哪里是一个模型系数,与抗拉强度和弹性模量调查的材料:= 1时 < 0.003,而-125 = 1.375 当 ≥0.003。

注意,从疲劳寿命预测模型所需的材料特性的静态力学性能包括泊松比和弹性模量和疲劳特性估计弹性模量和抗拉强度基于格的方法。因此,材料的静态力学性能要求主要是泊松比,弹性模量和抗拉强度。由于泊松比金属材料几乎不变的可忽略的变化,本文关注的影响材料的弹性模量和抗拉强度疲劳裂纹萌生寿命的紧固夹。

2.5。多变量敏感性分析

评价的静态力学性能的敏感性38 si7疲劳裂纹萌生寿命的紧固夹,张提出的灵敏度函数和敏感性因素和朱55]了。基于单变量敏感性分析,张和朱提出灵敏度函数和多元的敏感性因素敏感性分析。作者成功地识别影响最大的变量的水平变形高边墙地下电站的拉西瓦地下工程。程(56)也用这种方法来分析材料的静态力学性能的敏感性W6Mo5Cr4V2钢疲劳裂纹萌生寿命的驱动轴。他发现驱动轴的疲劳裂纹萌生寿命非常敏感的弹性模量、屈服强度和抗拉强度。在多变量敏感性分析,第一步是找到功能材料的静态力学性能之间的关系和疲劳裂纹萌生寿命。这个步骤包括建立一个系统模型N_f=f(x₁,x₂、…x_n)基于上述疲劳裂纹萌生寿命预测方法,计算每个材料静态属性的影响(x₁,x₂、…x_n疲劳裂纹萌生寿命)N_f的紧固夹,从而获取疲劳裂纹萌生寿命的紧固夹每个材料静态属性的函数。

然后,对每个参数进行无量纲参数化,无量纲灵敏度函数年代(x_我),即。,the ratio of the relative error of the fatigue crack initiation life to the relative error of the material static property, was calculated as follows:

当使用的价值x_我参考材料静态属性 ,这个函数年代( )是材料的静态属性的敏感性因素。更大的价值年代( )越敏感的疲劳裂纹萌生寿命材料静态属性。

3所示。结果与讨论

3.1。测试结果38 si7剪辑的材料

工程应力-应变曲线的紧固夹材料在不同国家获得,如图9。每一对样品的测试结果在同一阶段(在相同的颜色,但用不同的符号)展示一个完美的相互协议,表明高的测试结果可重复的信心。受损的曲线夹样品经过长时间的使用寿命(样品# 3和# 4)几乎是一样的那些新成立的国家(样品# 5和# 6),而结果栏前夹形成(样品# 1和# 2)略高。表3列出了平均值的静态力学性能。测试结果的对比表明,抗拉强度、屈服强度和弹性模量的材料紧固夹保持近常数在不同的州。材料的静态力学性能没有直接影响的热成型过程紧固夹,和在职过程中发生变形。基于拉伸性能,紧固夹材料的疲劳性能是通过西格算法,如表所示4。与酒吧在剪辑之前形成的样品(样品# 1和# 2),样品交付的新片段(样品# 5和# 6)略低抗拉强度、屈服强度和弹性模量的值。此外,长期服务期间的损失(样品# 3和# 4)没有对拉伸性能的影响。

3.2。有限元分析结果

新成立的剪辑的静态力学性能(样品# 5和# 6)被认为是在有限元分析以下两个原因。,该模型是一个紧固夹夹形成之前而不是一个酒吧。两个,另一个是静态力学性能的紧固夹夹损坏材料经过长时间的使用寿命几乎相同的新片段。

有限元计算的应力、应变分布的紧固夹在例1和例2先后确定,如图10。全球最大应力的紧固夹1507 MPa为例2例1和1556 MPa,发生在内部的小弧鞋跟一端(见图中的红圈10)。

最大·冯·米塞斯应力,在这两种情况下,于20888年位于节点的有限元模型。6个应力分量表所示5。一些压力组件超出材料的疲劳极限。最大主应变为15901.72με案例1和19156.69με第二种情况,也观察到节点20888个紧固夹。这些压力组件如表所示6。全球最大应力非常高,远远超出材料的疲劳极限,甚至超出了测量材料的屈服强度,表明实际载荷下的弹塑性阶段实现了在操作过程中,容易产生疲劳破坏。因此,紧固夹中所开发的疲劳失效主要是由于材料的局部变形集中,和内心的一面小弧鞋跟一端是危险的地区。

3.3。疲劳裂纹萌生寿命预测

通过执行三维坐标变换,三个主要菌株和三个地方在临界点计算最大剪切应变,表中列出7。最大剪切应变,在这两种情况下,几乎是两倍的最大主应变。飞机的方向和最大主应变ε₁和最大剪切应变γ₁也可以被识别,如图11。图12显示的实际破裂面紧固夹。这些数据的比较表明,在临界点,实际的紧固夹是特别容易发展裂缝在平面上的最大剪切应变和最大剪切应变发起疲劳裂纹。此外,飞机的拉伸应变加速裂纹损伤的累积。因此,损害可以合理地表示为一个函数的剪切应变和应变垂直于这个平面。Brown-Miller标准是适合预测疲劳寿命的紧固夹。

用的材料疲劳性能和损伤参数Brown-Miller判据,疲劳的生活情况下1和2的紧固夹预测,和分布轮廓图所示13。在正常在职情况下,最低的疲劳寿命的紧固夹(即约1.8亿倍。,无限的生活),发生在跟区域。对于第二种情况,疲劳寿命最低只有大约239.9万次,这是低于需求的限制使用前(500万次)。

然而,疲劳寿命的实际在职情况更糟糕的是由于添加宽带minor-amplitude追踪违规引起的励磁和铁路起皱(57- - - - - -61年]。典型的实践来改善这种不利条件是磨铁概要文件(61年)或减少火车速度(62年]。这些措施严重阻碍高速铁路交通的发展。然而,本文提出的解决方案是提高材料性能的设计阶段紧固夹。基于这个想法,材料的静态力学性能的影响疲劳寿命的紧固夹根据这些在职条件进行了讨论。

3.4。材料的静态力学性能的影响

根据相关研究(1,2,4,8,11,12,17,20.),紧固夹材料的弹性模量是150 GPa和300 GPa之间,和它的抗拉强度通常是1000 - 1600 MPa的范围之内。因此,弹性模量和抗拉强度的值可以用这些范围来分析其影响疲劳裂纹萌生寿命的紧固夹。计算后进行了上述方法。

图14表明,紧固夹的疲劳寿命随材料的弹性模量。弹性模量的增加导致紧固夹疲劳寿命的缩短,影响逐渐削弱随着弹性模量的增加。案例1的疲劳寿命是500万次的容许极限之外只有当弹性模量低于250 GPa。然而,相比之下,例1的疲劳寿命每个弹性模量(红色矩形符号)情况下的疲劳寿命2(黄色三角符号)低得多。在这种情况下,保证紧固夹符合要求在使用之前,必须至少材料的弹性模量低于160 GPa(即。,低于参考价值)。

材料抗拉强度的影响在紧固夹两种情况下的疲劳寿命是图所示15。紧固夹疲劳寿命增加而增加材料抗拉强度。案例1的疲劳寿命是500万次的容许极限之外只有当抗拉强度高于1150 MPa。然而,案例1的疲劳寿命为每个抗拉强度(megenta矩形符号)远高于2(黄色三角符号)。在这种情况下,为了保证紧固夹符合要求在使用前,材料的弹性模量必须超过1450 MPa(即。,高于参考价值)。

如表所示8的敏感性因素紧固夹材料的弹性模量和抗拉强度计算基于敏感性因素的定义方程(7)。弹性模量的灵敏度因子在每种情况下大约是10,而每种情况的抗拉强度要高得多,大约15的价值。糟糕的在职状态的紧固夹(例1例2),每个材料性能参数的灵敏度系数略有减少,即。,从10.09到9.89,从16.29到15.05,分别。

敏感性分析表明,疲劳裂纹萌生寿命的紧固夹非常敏感的弹性模量,特别是抗拉强度更敏感。例如,敏感性因素年代(x_我)的弹性模量E大约是15,这意味着疲劳寿命的变化(|ΔN_f/N_f|)是15倍的变化材料的静态力学性能(|Δx_我/x_我据(|),7)。即紧固夹,可以显著提高疲劳寿命80%当紧固夹材料的弹性模量只下降了6%。紧固夹的弹性模量和抗拉强度材料的疲劳寿命有显著影响紧固夹,这是具有重要意义的逆向设计紧固夹。

因为它是很难降低原料的弹性模量通过常规热处理和合金化技术(24,26),提高材料的抗拉强度可以使用替代手段提高紧固夹的抗疲劳强度。然而,抗拉强度过高时,材料的塑性和断裂韧性降低,抗拉强度增加,使紧固夹更容易脆性破坏(63年]。从工程角度来看,建议视频材料的抗拉强度应适当提高至少1450 MPa。

4所示。结论

基于测量的弹塑性特性紧固夹材料,即。,38年代我7,through a series of uniaxial tensile tests, this paper performed FEA on the complete assembly system of a fastening clip to determine the location of the dangerous region. By applying the critical plane method, the critical plane was determined. Then, the fastening clip fatigue lives in two cases were predicted following the Brown–Miller criterion. The effects of the material static mechanical properties on the fatigue life of the fastening clip were analysed, as was the sensitivity of the fatigue life to those parameters. The following conclusions can be drawn:(1)疲劳裂纹的发生和发展的紧固夹发生在飞机的最大剪切应变。Brown-Miller标准是正确使用预测疲劳裂纹的发生和发展的紧固夹和疲劳寿命预测。(2)材料的静态力学性能的紧固夹不仅影响应力/应变分量的紧固夹还确定疲劳材料的静态力学性能。材料的静态力学性能有明显影响疲劳寿命的紧固夹,这是具有重要意义的逆向设计紧固夹。(3)疲劳裂纹萌生寿命的紧固夹可以改善通过增加紧固夹材料的抗拉强度至少1450 MPa通过优化金属元素的比率或热处理。如果技术条件允许,弹性模量也可以适当减少到不超过160 GPa。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者承认的金属测试实验室的支持上海材料研究所。提供的金融支持研究赞助商通过CREEC和鼓舞人心的讨论博士杨深表赞赏和承认。这项研究是由上海新星计划(19 qb1401100)和上海浦江计划(20 pj1417300)。

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