基于等效裂纹法的铸造E级钢试件疲劳寿命研究

【作者】 田晓晨； 朱涛； 肖守讷； 阳光武； 杨冰； 王超；

【机构】 西南交通大学牵引动力国家重点实验室；

【摘要】 由于工程实际中存在大量铸造结构,而受到铸造工艺水平和外部环境条件等各种因素的影响,铸造结构内部或表面不可避免会存在一些固有铸造缺陷,如缩松、气孔、夹渣、裂纹等,造成高应力集中效应,导致其裂纹萌生寿命通常都忽略不计,疲劳寿命以裂纹扩展为主。针对铸造缺陷的多样性、复杂性且具有随机分散性等特征,提出了一种以疲劳试验结果为基础的等效裂纹法来开展对铸造结构的疲劳寿命研究。由于疲劳试验结果能够完整、全面地表征含缺陷结构中各种缺陷因素的综合效应,因此该等效裂纹法对于铸造等包含固有缺陷结构的疲劳寿命研究具有独特的优势。该方法以疲劳试验结果作为参考,假设一个简单的完整板中的初始裂纹来等效铸造结构中缺陷区域的高应力集中效应,然后基于线弹性断裂力学和Paris公式计算等效裂纹的扩展寿命作为铸造结构的疲劳失效寿命。本文首先阐述了等效裂纹方法的基本原理以及基于该方法的结构疲劳寿命计算流程,并编制了相应计算程序。然后以铁路重载货车16H加厚型钩舌所用材料铸造E级钢试件疲劳试验结果为例对等效裂纹方法进行了验证,基于对数正态分布概率密度函数模型以及双对数坐标系下应力寿命幂函数模型,建立了铸造E级钢试件在不同存活率下的试验S-N曲线方程。并分别选取560 MPa、540 MPa和520 MPa三个载荷级别疲劳试验结果作为参考点,对等效裂纹方法的载荷效应进行了分析,经分析表明随着参考载荷级别的提高计算疲劳寿命与试验疲劳寿命之间的误差总体呈现减小趋势,为应用等效裂纹方法对载荷级别的选取提供了依据。最后分别以50%、90%、95%以及99%四个存活率疲劳试验结果作为参考点,基于等效裂纹方法绘制了铸造E级钢试件的计算p-S-N曲线,并且与相应试验p-S-N曲线进行误差对比分析,结果表明误差均小于10%,满足工程实际需要,验证了本文等效裂纹方法的可行性与有效性。更多还原