绳义千,肖绯雄

(西南交通大学 牵引动力国家重点实验室,成都610031)

由于机车车辆弹簧装置裸露在外面,没有其他可以保护的装置,这样就在车辆运行过程中不可避免的会在弹簧表面产生一些划痕,从而进一步形成裂纹。一些实际工程构件的破坏都是由于表面裂纹在疲劳载荷反复作用下扩展到了临界尺寸而发生的。机车车辆弹簧断裂的原因很大程度上就是由于这些裂纹的存在而引起的。这些表面裂纹的存在,对列车的行车安全存在潜在的威胁。在线弹性材料的情况下,应力强度因子是最重要的断裂参量,因此求出弹簧在载荷作用下的应力强度因子,再与同一材料的断裂韧度进行比较就能知道弹簧存在的裂纹是否能进行失稳扩展。求解应力强度因子的方法大概有下述3种:解析法、数值解法和试验方法。数值解法中的有限元法是容易实现的方法,采用有限元法试探性的研究了含有不同长度和深度裂纹的弹簧应力强度因子。

1 计算应力强度因子的理论依据

半椭圆形表面裂纹受均匀拉力P作用应力强度因子计算理论公式:

且

特殊值:

一般值:

有限元软件中计算应力强度因子的公式,模型如图2。

图1 计算模型

图2 应力分析

2 整体模型的建立

因为在三维断裂力学问题中,应力与半径的平方根成反比,所以在距离裂纹前沿无限接近处会产生应力和应变场的奇异。为获得应变中的单值性,绕裂纹前沿的单元应该为二次单元,中节点应该位于1/4边处,在此称这种单元为奇异单元,也叫1/4节点元。……