基于BS7910標(biāo)準(zhǔn)的一種含裂紋車鉤座安全性及剩余壽命評(píng)估方法研究

張玉濤

摘要：本文以軌道客車車鉤座為研究對(duì)象，詳細(xì)闡述了應(yīng)用BS7910標(biāo)準(zhǔn)對(duì)含裂紋軌道客車零部件進(jìn)行安全性及剩余壽命評(píng)估的方法。通過(guò)材料性能試驗(yàn)、有限元應(yīng)力計(jì)算、斷裂力學(xué)計(jì)算，以失效評(píng)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(kuò)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(píng)估;剩余壽命

概述

BS7910英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)用于含缺陷結(jié)構(gòu)件的安全性及剩余壽命評(píng)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(yàn)還較少。在對(duì)軌道客車進(jìn)行檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)個(gè)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(duì)象（初始裂紋長(zhǎng)度為6mm），說(shuō)明BS7910標(biāo)準(zhǔn)在評(píng)估軌道車輛結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用方法。通過(guò)材料試驗(yàn)、有限元應(yīng)力計(jì)算、斷裂力學(xué)計(jì)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(píng)估

通過(guò)材料拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立FAD圖的失效評(píng)估線，再根據(jù)實(shí)際裂紋類型和尺寸、載荷情況計(jì)算并繪制失效評(píng)定點(diǎn)進(jìn)行安全評(píng)定。當(dāng)失效評(píng)定點(diǎn)落在失效評(píng)定線外時(shí)，說(shuō)明該評(píng)定點(diǎn)對(duì)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(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度計(jì)算材料的失效評(píng)估線。

在材料失效評(píng)估線的計(jì)算中，Lr截止值計(jì)算如公式（1）所示：

式中，σY為材料屈服強(qiáng)度，σu為材料抗拉強(qiáng)度。

根據(jù)車鉤座的材料特性，使用如下公式繪制失效評(píng)估線的輪廓。

當(dāng) 時(shí)，

當(dāng) 時(shí)，

當(dāng) 時(shí)，

其中，

1.2剩余壽命評(píng)估

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

2車鉤座評(píng)估

2.1材料試驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)材料性能試驗(yàn)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(kuò)展初期，從實(shí)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(píng)估模型如圖3所示。在裂紋穿透厚度后的末期擴(kuò)展，可以判斷為貫穿厚度裂紋缺陷進(jìn)行進(jìn)一步的評(píng)估，評(píng)估模型如圖4所示。

綜上，將裂紋的整個(gè)擴(kuò)展過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一為表面裂紋擴(kuò)展階段，第二為貫穿厚度裂紋擴(kuò)展階段。

2.3基于有限元應(yīng)力計(jì)算

通過(guò)有限元計(jì)算，提取沿裂紋路徑的最大主應(yīng)力數(shù)據(jù)，針對(duì)不同階段定義相應(yīng)的路徑提取最大主應(yīng)力并進(jìn)行應(yīng)力線性化處理，圖5展示了表面裂紋擴(kuò)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(shí)際運(yùn)營(yíng)的復(fù)雜工況下，可能會(huì)存在沖擊等特殊情況，出于保守性考慮，需要對(duì)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(jìn)行進(jìn)一步的斷裂力學(xué)計(jì)算。

2.4車鉤座安全評(píng)估

通過(guò)材料拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了FAD圖的失效評(píng)估線之后，進(jìn)行失效評(píng)估點(diǎn)的計(jì)算。

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

對(duì)表面裂紋做出結(jié)構(gòu)安全評(píng)估，結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的失效指標(biāo)是擴(kuò)展深度a擴(kuò)展達(dá)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(kuò)展在結(jié)構(gòu)上是相對(duì)安全的，直到其擴(kuò)展貫穿板厚，之后對(duì)第二階段的貫穿厚度裂紋擴(kuò)展階段做出主要的結(jié)構(gòu)安全評(píng)估。如果忽略門檻值條件，認(rèn)為初始表面裂紋會(huì)在現(xiàn)存工況下擴(kuò)展，并延伸至貫穿厚度階段。對(duì)貫穿厚度裂紋階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全評(píng)估，隨著裂紋擴(kuò)展，評(píng)估點(diǎn)與安全評(píng)估線的位置關(guān)系變化結(jié)果如圖6所示，計(jì)算可得裂紋的極限安全尺寸為334mm。

2.5剩余壽命計(jì)算

重復(fù)計(jì)算裂紋生長(zhǎng)后的裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍及對(duì)應(yīng)的新裂紋生長(zhǎng)增量，直到達(dá)到裂紋生長(zhǎng)限值。其中，表面裂紋擴(kuò)展階段生長(zhǎng)限值為裂紋深度a達(dá)到結(jié)構(gòu)板厚B;貫穿厚度裂紋擴(kuò)展過(guò)程生長(zhǎng)限值為由結(jié)構(gòu)安全評(píng)估計(jì)算得到的安全運(yùn)行極限裂紋長(zhǎng)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(duì)剩余疲勞壽命的計(jì)算中，表面裂紋階段壽命為1710萬(wàn)次，貫穿裂紋階段壽命為359萬(wàn)次，表面裂紋擴(kuò)展階段剩余壽命占主導(dǎo)作用，而貫穿厚度裂紋擴(kuò)展階段實(shí)際壽命很短。可見(jiàn)在制定檢修周期計(jì)算總壽命時(shí)，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(duì)象，著重介紹了BS7910標(biāo)準(zhǔn)在軌道車輛零部件安全評(píng)估及剩余壽命預(yù)測(cè)中的應(yīng)用方法，同時(shí)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(píng)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(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[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(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法[S].

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