高速铁路外物损伤车轴疲劳评估方法

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1、国内图书分类号：U271.91密级：公开国际图书分类号：629西南交通大学研究生学位论文高速铁路外物损伤车轴疲劳评估方法年级2015级姓名徐忠伟申请学位级别硕士专业车辆工程指导老师吴圣川研究员二零一八年五月十八日ClassifiedIndex:U271.91U.D.C:629SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisFATIGUEASSESSMENTMETHODFORHIGH-SPEEDRAILWAYAXLESDUETOFOREIGNOBJECTDAMAGEGrade:2015Candi

2、date:Zhong-WeiXuAcademicDegreeAppliedfor:Master’sDegreeSpeciality:VehicleEngineeringSupervisor:ProfessorSheng-ChuanWuMay18,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要疲劳断裂是高速列车车轴的关键力学问题之一。确保车轴不发生断轴事故，对列车安全、可靠、高效运行至关重要。随着运行速度的提升，车轴受到坚硬外物高速冲击形成外物损伤（FOD）的可能性不断增加。FOD破坏车轴结构以及表面防护涂层完整性，影响车轴疲劳强度并

3、置车轴在大气环境下，诱导车轴在许用载荷条件下萌生裂纹并逐渐扩展到临界尺寸，导致车轴断裂。由此可见，传统的安全寿命设计方法已无法用于损伤车轴安全性评估，论文提出综合名义应力与断裂力学的方法对FOD缺陷演变规律进行准确评估。研究结果如下：1.详细调研现役车轴各种表面损伤，对表面缺陷类型、缺陷占比、缺陷尺寸、分布区域等进行统计分析。研究发现，车轴表面损伤以FOD、划伤为主，FOD缺陷占比近半，主要分布于轴身中部。观测到的最大缺陷宽度约为7700μm，最大缺陷深度约为510μm。2.采用空气炮装置进行FOD模拟试验，使用体视显微镜和扫描电子显

4、微镜（SEM）观察FOD宏观损伤形貌、微观损伤特征；研究表明，FOD微观损伤特征主要表现为：微缺口、微裂纹、片层状结构、材料堆积等。3.进行疲劳加载试验，采用概率统计方法处理实验数据，研究FOD对试样疲劳性能的影响；对疲劳加载后未断试样进行SEM观测，发现FOD造成的应力集中、微结构损伤为疲劳裂纹的萌生、扩展提供了有利条件，是FOD试样及构件疲劳寿命降低的主要原因。4.采用弹塑性有限元方法研究FOD致残余应力并与X射线衍射法测定的残余应力实验数据进行对比，证明了数值仿真方法的正确性与可靠性；分析残余应力对裂纹萌生、扩展的影响：缺陷根部

5、区域一般为残余压应力，可以在一定程度上抑制裂纹萌生、扩展，损伤的部分边缘区域为残余拉应力，与FOD导致的微结构损伤共同为裂纹萌生及扩展等提供了有利条件。5.基于FOD、几何尺寸、表面质量、加载方式等对构件疲劳性能的影响，改进适用于短裂纹的Kitagawa-Takahashi图并将其应用于FOD车轴疲劳评估，获得了更合理、可靠的疲劳加载安全区以及偏于保守的评定结果。关键词：高速列车车轴；外物损伤；概率统计方法；残余应力；Johnson-Cook模型；Kitagawa-Takahashi图西南交通大学硕士研究生学位论文第II页Abstra

6、ctFatiguefractureisoneofthekeymechanicalproblemsofhigh-speedtrainaxles.Inordertoensurethesafe,reliableandefficientoperationofhigh-speedtrains,fatiguefractureaccidentsofaxlemustbeprevented.Withtheincreaseintheoperatingspeedofrailvehicles,thepossibilitiesofforeignobjectda

7、mage(FOD)duetohighspeedimpactofhardobjectareincreasing.FODdestroystheintegrityofaxlestructureandthesurfaceprotectivecoating,reducesthefatiguestrengthoftheaxleandexposesaxlemetaltoatmosphericenvironment.Eventhoughwithallowablestressconditions,FODmayinducecrackinitiationa

8、ndcrackpropagationtocriticaldimensionwhichcanleadaxlefracture.Therefore,thetraditionalsafetylifedesignmethodca