張玉濤

摘要：本文以軌道客車車鉤座為研究對象，詳細(xì)闡述了應(yīng)用BS7910標(biāo)準(zhǔn)對含裂紋軌道客車零部件進行安全性及剩余壽命評估的方法。通過材料性能試驗、有限元應(yīng)力計算、斷裂力學(xué)計算，以失效評估圖（FAD）作為判據(jù)，給出了車鉤座裂紋的最大容許尺寸，以Paris裂紋擴展速率公式為基礎(chǔ)，給出了含裂紋車鉤座的剩余壽命。

關(guān)鍵詞：BS7910;安全評估;剩余壽命

概述

BS7910英國標(biāo)準(zhǔn)用于含缺陷結(jié)構(gòu)件的安全性及剩余壽命評估，目前在壓力容器及石油管道等領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，但在鐵路行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗還較少。在對軌道客車進行檢修時發(fā)現(xiàn)個別車鉤座存在表面裂紋，本文以此含裂紋車鉤座（如圖1所示）為研究對象（初始裂紋長度為6mm），說明BS7910標(biāo)準(zhǔn)在評估軌道車輛結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用方法。通過材料試驗、有限元應(yīng)力計算、斷裂力學(xué)計算確定車鉤座所能容許的最大裂紋尺寸及含裂紋車鉤座的剩余壽命。

1基本原理

1.1結(jié)構(gòu)安全評估

通過材料拉伸試驗數(shù)據(jù)建立FAD圖的失效評估線，再根據(jù)實際裂紋類型和尺寸、載荷情況計算并繪制失效評定點進行安全評定。當(dāng)失效評定點落在失效評定線外時，說明該評定點對應(yīng)的缺陷不滿足安全要求（如圖2所示）。

根據(jù)BS7910標(biāo)準(zhǔn)，基于材料的屈服強度與抗拉強度計算材料的失效評估線。

在材料失效評估線的計算中，Lr截止值計算如公式（1）所示：

式中，σY為材料屈服強度，σu為材料抗拉強度。

根據(jù)車鉤座的材料特性，使用如下公式繪制失效評估線的輪廓。

當(dāng) 時，

當(dāng) 時，

當(dāng) 時，

其中，

1.2剩余壽命評估

疲勞裂紋擴展速率da/dN是在疲勞載荷作用下，裂紋長度a隨循環(huán)周次N的變化率，反映裂紋擴展的快慢。根據(jù)斷裂力學(xué)給出的疲勞裂紋擴展速率與裂紋尖端應(yīng)力強度因子范圍關(guān)系，當(dāng)應(yīng)力強度因子變化范圍低于疲勞裂紋擴展門檻值 時，裂紋擴展速率趨近于零，可以認(rèn)為裂紋不發(fā)生擴展。當(dāng)裂紋擴展速率在10-9～10-5范圍內(nèi)，裂紋擴展速率與裂紋尖端應(yīng)力強度因子范圍有良好的對數(shù)線性關(guān)系，可利用這一關(guān)系進行疲勞裂紋擴展壽命預(yù)測，具體可通過Paris公式進行擬合。

2車鉤座評估

2.1材料試驗測試

通過材料性能試驗及數(shù)據(jù)處理，可得到車鉤座的材料參數(shù)，如表1所示。

2.2斷裂力學(xué)模型建立

在裂紋擴展初期，從實際缺陷中可以發(fā)現(xiàn)，裂紋出現(xiàn)在車鉤座側(cè)板外表面，尚未貫穿側(cè)板，因此基于BS7910標(biāo)準(zhǔn)，判斷為表面缺陷更加合適，評估模型如圖3所示。在裂紋穿透厚度后的末期擴展，可以判斷為貫穿厚度裂紋缺陷進行進一步的評估，評估模型如圖4所示。

綜上，將裂紋的整個擴展過程分為兩個階段：第一為表面裂紋擴展階段，第二為貫穿厚度裂紋擴展階段。

2.3基于有限元應(yīng)力計算

通過有限元計算，提取沿裂紋路徑的最大主應(yīng)力數(shù)據(jù)，針對不同階段定義相應(yīng)的路徑提取最大主應(yīng)力并進行應(yīng)力線性化處理，圖5展示了表面裂紋擴展階段的應(yīng)力線性化方法，表2給出了應(yīng)力線性化結(jié)果。

在實際運營的復(fù)雜工況下，可能會存在沖擊等特殊情況，出于保守性考慮，需要對應(yīng)力數(shù)據(jù)乘以安全系數(shù)因子，這里取安全系數(shù)為2進行進一步的斷裂力學(xué)計算。

2.4車鉤座安全評估

通過材料拉伸試驗數(shù)據(jù)建立了FAD圖的失效評估線之后，進行失效評估點的計算。

長度為6mm的表面裂紋作為第一階段裂紋擴展的初始狀態(tài)，進行斷裂力學(xué)計算，計算得到深度擴展方向裂紋尖端應(yīng)力強度因子為143.70N·mm-3/2，長度方向擴展裂紋尖端應(yīng)力強度因子為144.40N·mm-3/2，都低于試驗得到的材料疲勞裂紋擴展門檻值182.78N·mm-3/2，認(rèn)為不發(fā)生擴展，結(jié)構(gòu)安全。

對表面裂紋做出結(jié)構(gòu)安全評估，結(jié)構(gòu)安全評估的失效指標(biāo)是擴展深度a擴展達到板厚導(dǎo)致的載荷比Lr的失效。在現(xiàn)有載荷水平下，表面裂紋的擴展在結(jié)構(gòu)上是相對安全的，直到其擴展貫穿板厚，之后對第二階段的貫穿厚度裂紋擴展階段做出主要的結(jié)構(gòu)安全評估。如果忽略門檻值條件，認(rèn)為初始表面裂紋會在現(xiàn)存工況下擴展，并延伸至貫穿厚度階段。對貫穿厚度裂紋階段進行結(jié)構(gòu)安全評估，隨著裂紋擴展，評估點與安全評估線的位置關(guān)系變化結(jié)果如圖6所示，計算可得裂紋的極限安全尺寸為334mm。

2.5剩余壽命計算

重復(fù)計算裂紋生長后的裂紋尖端應(yīng)力強度因子范圍及對應(yīng)的新裂紋生長增量，直到達到裂紋生長限值。其中，表面裂紋擴展階段生長限值為裂紋深度a達到結(jié)構(gòu)板厚B;貫穿厚度裂紋擴展過程生長限值為由結(jié)構(gòu)安全評估計算得到的安全運行極限裂紋長度。最終記錄總循環(huán)次數(shù)N，作為裂紋疲勞剩余壽命。

在針對剩余疲勞壽命的計算中，表面裂紋階段壽命為1710萬次，貫穿裂紋階段壽命為359萬次，表面裂紋擴展階段剩余壽命占主導(dǎo)作用，而貫穿厚度裂紋擴展階段實際壽命很短?？梢娫谥贫z修周期計算總壽命時，應(yīng)主要考慮表面裂紋階段壽命而忽略貫穿裂紋階段壽命。

3結(jié)論

本文以軌道客車車鉤座為研究對象，著重介紹了BS7910標(biāo)準(zhǔn)在軌道車輛零部件安全評估及剩余壽命預(yù)測中的應(yīng)用方法，同時明確了含裂紋車鉤座的極限裂紋尺寸及其剩余壽命。本文的內(nèi)容為工程師在軌道車輛零部件的損傷容限評估及零部件的檢修周期和檢修標(biāo)準(zhǔn)的制定提供重要的參考價值。

參考文獻

[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 金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法[S].

[4]GB/T 6398-2017 金屬材料 疲勞試驗 疲勞裂紋擴展方法[S].