外文翻譯--重型卡車車架縱梁復合型裂紋擴展失效分析【中英文文獻譯文】

外文翻譯--重型卡車車架縱梁復合型裂紋擴展失效分析【中英文文獻譯文】,中英文文獻譯文,外文,翻譯,重型,卡車,車架,復合型,裂紋,擴展,擴大,失效,分析,中英文,文獻,譯文 重型卡車車架縱梁復合型裂紋擴展失效分析 摘要：對疲勞試驗后所獲得的斷裂的重型載貨卡車車架縱梁進行了失效分析研究。觀察到的斷裂發(fā)生在轉矩桿連接到車輛的后驅動橋內的車架上。這一部分的車架經歷了多軸加載條件，在道路載荷下包括平面外彎曲，扭轉和剪切作用。金相檢驗發(fā)現在高應力集中區(qū)的開孔邊緣存在微裂紋。這種制造缺陷造成應力集中，導致疲勞裂紋萌生。通過對一個整車模型上加載動載荷，完成了在車架縱梁上的裂紋擴展的模擬，經過分析后得出結論，發(fā)生故障的原因是由于在車架高應力位置鉆孔時產生小裂紋萌生，這導致了在車輛動載荷下產生大量的曲線裂紋擴展。 關鍵詞：疲勞 車架縱梁失效 模擬裂紋擴展 斷裂 有限元分析 1 介紹 重型卡車車架的失效通常包括I/II/III 復合模式下的裂紋擴展，因為車輛荷載是高度非線性的，多軸向的大變形行為。這與許多文獻報道的復合型裂紋擴展問題相似[ 1-9 ]。車架構件處裂紋的擴展是重要的研究，因為在達到臨界裂紋長度時可能會導致車輛的完全失效,這可能會導致災難性的交通事故和生命的損失。雖然目前對車輛進行日常檢查，以檢測和維修/更換疲勞裂紋組件，但是能夠在不同的負載條件下更好地預測裂紋路徑和方向的能力，可以幫助避免昂貴的損失和改善設計使之具有更好的耐久性。 在本工作中,對車架縱梁處裂紋進行了失效分析。通過仔細的宏觀和微觀觀察,發(fā)現引起裂紋的主要原因是由于鉆孔位置接近已有的螺栓孔。鉆孔過程中在車架內部高應力的位置產生小裂紋萌生。FRANC3D裂紋擴展仿真工具結合NASTRAN有限元解算器用于在完整的車輛動載荷作用下模擬仿真車架裂紋的擴展。獲得的仿真結果與物理裂紋路徑和疲勞破環(huán)循環(huán)具有良好的相關性。? 2 實驗程序 根據操作類的車輛選擇使用不同的測試活動。圖1提供了一些用于整車驗證的疲勞試驗示意圖。疲勞試驗是在不同速度、不同車輛總重量（GVWR）下進行的。這些測試提供了不同的車輛模塊和子系統(tǒng)之間的動態(tài)相互作用，實現了動態(tài)干擾和間隙檢查。試驗車輛上安裝應變計、壓力傳感器和加速計來計測量在試驗過程中車輛的響應。試驗的數據（應變，位移和加速度變化過程）是用來驗證新的設計以及改進數值模型的開發(fā)。在測試過程中所獲得的損壞將被用來衡量重復周期以估計疲勞破壞循環(huán)。在不同的車輛零部件上獲得加速損壞和磨損，然后隨著設計的改變將，檢查和研究這些損壞。 3 實驗結果 3.1 外觀檢查 在整車疲勞試驗重復過程中，每隔幾個試驗循環(huán)后進行檢查,在某些測試循環(huán)后，在對車輛的后驅動橋與轉矩桿的連接附近檢查時，發(fā)現了車架疲勞裂紋。圖2（a）顯示車輛的布局和在車輛上失效的區(qū)域。在圖2（b）中，顯示的是扭力桿支架通過加強板連接到車架的內部。在加強板后部扭力桿支架的兩側處的車架上有明顯的裂紋擴展。在圖2（c）中，加強板通過螺栓連接車架的內部與外部部分，拆除加強板以查看裂紋路徑。圖片顯示了在一個已存在螺栓孔附近的開孔，裂縫就是來自這個位置。 圖3（a）顯示了完整的失效區(qū)域，該區(qū)域包括在加強板后面，裂紋沿著一個曲線路徑形成；以及在開孔處存在多個裂紋起源。觀察發(fā)現有2個開孔靠近螺栓孔，在安裝加強板的試驗時沒有實現開孔的存在。中間的開孔似乎并沒有影響裂紋擴展，并觀察到它存在于低應力區(qū)。圖3（b）是對裂紋面更近距離的觀察，可以看出主要和次要的失效起源。在圖3（b）中，科辨認出貝殼狀紋理，這表明為疲勞破壞機理。 3.2 掃描電鏡觀察 圖4顯示了主裂紋斷裂開始起源于螺栓孔邊緣以及次生裂紋起源于鄰近螺栓孔車架的內表面。在圖5（a）中，低倍掃描電鏡圖像顯示的貝殼狀紋理（紅色虛線）表示的疲勞裂紋擴展機理。圖5（b）顯示在高倍放大光學顯微圖像下，由于鉆孔導致在螺栓孔壁處產生裂紋。 利用光學發(fā)射光譜儀（OES）對車架截面進行化學分析。車架截面的化學成分與試驗要求相一致。車架截面的基材硬度為32HRC洛氏硬度，對于調制過的低碳鋼，錳鋼，硼鋼來說，這在合理的硬度范圍。 圖1 整車疲勞測試 圖2 （a）整車布局及失效位置；（b）扭力桿連接附近可見的車架裂縫；（c）在外加 固板后的車架上可見的裂紋路徑 圖3 （a）車架截面上的裂紋擴展方向；（b）分析失效的根源 圖4 內外表面裂紋成因 圖5 （a）掃描電鏡圖像顯示貝殼狀紋理；（b）光學顯微鏡顯示開孔壁上的裂紋 4 仿真結果 圖6（a）所示在子模型上，模擬疲勞和裂紋擴展的界面應力。在整車模型的子模型邊界上定義網格點，表面應力施加到所有網格點上。對整車模型進行多軸試驗，通過瞬態(tài)分析獲得載荷。圖6（b）顯示了在多軸載荷下的位移圖，表示車架的扭轉和彎曲情況。 圖7（a）顯示了整車動態(tài)載荷下車架的馮·米塞斯圖。通過物理試驗，開孔及裂紋路徑附近的應力超過材料屈服強度。對測試項目的負載循環(huán)進行疲勞分析，得到的破壞度為“1.1”，而驗收標準是“0.5”。圖7（b）顯示FRANC3D網狀模型與一個小的半橢圓裂紋（0.5毫米）插入開孔的邊緣，且位于高應力集中區(qū)。這種表面裂紋在鉆孔過程中，插入的初始裂紋大小在載荷循環(huán)之后，將增長到那個尺寸，所以從鉆孔處開始的裂紋擴展是首要關注的。 圖6 （a）車架截面多軸向加載；（b）多軸載荷下的位移圖 圖7 （a）在車架上得到的米塞斯的壓力曲線；（b）初始裂紋位置FRANC3D模型 圖8 裂紋生長過程顯示裂紋在車架上的擴展 在圖8中，裂紋擴展的過程表明，在用FRANC3D模擬裂紋生長及利用Nastran進行有限元分析之后，每一過程都需要計算應力強度因子（SIF）。用于裂紋擴展模擬的載荷，來源于整車響應動態(tài)加載，選擇持續(xù)振幅疲勞模擬三維裂紋擴展。利用應變能釋放率法確定了裂紋角。著名的“帕里斯公式”是用于疲勞增長率模型，帕里斯公式的回歸系數可從車架供應商處獲得[ 10 ]。用交互積分（M-積分）方法計算應力強度因子（SIF），包括裂紋面接觸和裂縫壓力的影響。 5 討論 基于外觀檢查和金相檢驗證實,車架縱梁上的曲線裂紋擴展是疲勞失效，裂紋開裂是由于在車架上質量不高的鉆孔。復合型的應力強度因子會影響裂紋路徑。仿真結果被用來了解故障的根本原因，也可以用作建議對設計進行修改，以防止在重型卡車車架上發(fā)生如此廣泛的疲勞破壞。 損壞的負載主要是車輛來回轉向，這導致在后驅動橋軸扭力桿擠壓扭力桿支架到車架截面，造成如圖9（a）所示的平面外彎曲。平面外彎曲負載會導致車架外表面上所有裂紋的開裂，裂紋擴展行為以第一模式生長。圖9（b）顯示在平面外彎曲負載下，過程17時車架上裂紋的開裂(按比例放大10倍)。 圖9 （a）在轉彎時車架的平面外彎曲；（b）在彎曲負載下車架裂紋開裂 圖10顯示了物理試驗和基于整車響應的三維裂紋擴展模擬結果裂紋路徑的比較。可以看出，復合作用下，曲線裂紋路徑模擬與物理試驗結果吻合良好。在模擬結果中，觀察到的主要裂紋路徑伴隨在高應力區(qū)，在模擬過程中沒有考慮次要裂紋路徑。 車架上開孔的初始位置靠近螺栓孔（高應力區(qū)），這個敏感性研究的目的是確定改變開孔位置的影響，遠離開孔初始位置，以確定與高應力區(qū)保持一定位置能否防止疲勞失效。在圖11中，顯示了敏感性研究進行設計迭代的說明。車架開孔是沿“x”方向多增量，且開孔附近的應力分布是已知的。需要注意的是，車架孔通常用液壓和電線開在安裝架上?；诎踩珘勖蛿嗔蚜W的觀點，這項研究有助于確定不可鉆孔區(qū)域。 圖10 物理試驗的車架裂紋和與3D裂紋擴展程序的模擬仿真的對比 圖11 車架的開孔位置沿“X”方向的敏感性研究 圖12（a）安全壽命法；（b）損傷容限法對敏感性研究的結果 車架的疲勞強度（周期為106）是2403μｍ[10 ]，對應的應力為478 MPa?；趹Φ脑O計，發(fā)現允許開孔的位置是距離初始位置45㎜處，如圖12（a）所示。然而，斷裂力學的方法是確保車架孔的可靠位置。 6 結論 基于實驗結果和仿真結果，可以得出結論，開孔會在車架的高應力區(qū)造成小裂紋開裂，這導致在車輛動荷載作用下產生大量的曲線裂紋增長。FRANC3D裂紋擴展工具結合NASTRAN有限元求解器得到的裂紋路徑與物理測試失效相一致，并且得到了疲勞破壞循環(huán)周期。敏感性研究是為了確定在安全區(qū)域進行開孔,這將有助于在車架上指定開孔位置。本工作提供了有效的方法，適用于重型載貨卡車車架縱梁的裂紋故障分析，這也可能適用于其他工程失效分析問題。 致謝 這里介紹的研究部分在美國北卡羅來納州格林斯伯勒地區(qū)沃爾沃北美集團底盤車輛動力學和先進的工程計算組（CVDE）部門進行，作者要感謝流程優(yōu)化公司奧馬爾·易卜拉欣博士對這項研究提供FRANC3D程序的支持和許可。 本文出自www.sciencedirect.com網站。