基于晶体塑性有限元模拟的EA4T车轴钢裂纹萌生寿命预测

doi:10.3901/JME.2025.06.277

机械工程学报 ›› 2025, Vol. 61 ›› Issue (6): 277-284.doi: 10.3901/JME.2025.06.277

• 运载工程 • 上一篇

扫码分享

基于晶体塑性有限元模拟的EA4T车轴钢裂纹萌生寿命预测

周素霞^1,2, 曲直^1,2, 张昭^1,2, 吴毅³

1. 北京建筑大学机电与车辆工程学院北京 100044;
2. 北京建筑大学城市轨道交通车辆服役性能保障北京市重点实验室北京 100044;
3. 中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所北京 100081

收稿日期:2024-04-21 修回日期:2024-12-27 发布日期:2025-04-14
作者简介:周素霞，女，1971年出生，博士，教授，硕士研究生导师。主要研究方向为结构的疲劳与断裂、金属材料的微观损伤、车辆系统动力学。E-mail:sxzhou1971@163.com;曲直(通信作者)，男，1995年出生。主要研究方向为结构的疲劳与断裂。E-mail:396828028@qq.com
基金资助:
北京市自然科学基金资助项目(L211007)。

Prediction of Crack Initiation Life of EA4T Axle Steel based on Crystal Plastic Finite Element Simulation

ZHOU Suxia^1,2, QU Zhi^1,2, ZHANG Zhao^1,2, WU Yi³

1. School of Mechanical-Electronic and Vehicle Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044;
2. Beijing Key Laboratory of Service Performance of Vehicles, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044;
3. Metal & Chemistry Research Institute, China Academy of Railway Sciences Corporation Limited, Beijing 100081

Received:2024-04-21 Revised:2024-12-27 Published:2025-04-14

摘要/Abstract

摘要： 依据吉布斯自由能变化值作为疲劳裂纹萌生判据，构建缺陷车轴钢疲劳裂纹萌生寿命预测模型。通过疲劳试验探究EA4T车轴钢材料裂纹萌生变形机制，结合晶体塑性理论框架构建外部缺陷车轴有限元晶体模型，并结合疲劳试验与有限元仿真获取该晶体模型下的能效因子f。从微观角度对车轴缺陷附近应力场及结构变形进行分析，探究外部缺陷对车轴裂纹萌生寿命的影响。对环状划痕和菱形这两种缺陷车轴模型进行塑性应变能密度的标定和寿命预测。结果表明：环状划痕缺陷高应力集中范围更广，对材料组织结构产生的破坏范围更大，更容易发生疲劳破坏。环状划痕缺陷的裂纹萌生寿命低于菱形缺陷，缺陷面积大，对裂纹萌生寿命的影响更严峻。

关键词: 晶体塑性, 外部缺陷, 吉布斯自由能, 裂纹萌生寿命

Abstract: According to the change of Gibbs free energy as the fatigue crack initiation criterion, the fatigue crack initiation life prediction model of defective axle steel is established. The deformation mechanism of crack initiation of EA4T axle steel was explored by fatigue test, and the finite element crystal model of external defect axle was constructed based on the theoretical framework of crystal plasticity. The energy efficiency factor f of the crystal model was obtained by fatigue test and finite element simulation. From the microscopic point of view, the stress field and structural deformation near the axle defects are analyzed to explore the influence of external defects on the crack initiation life of the axle. The plastic strain energy density and life prediction of two kinds of defective axle models, ring scratch and diamond, are carried out. The results show that the high stress concentration range of annular scratch defect is wider, the damage range of material structure is larger, and fatigue failureis more likely to occur. The crack initiation life of annular scratch defects is lower than that of diamond defects, and the defect area is larger, which has a more severe effect on the crack initiation life.

Key words: crystal plasticity, external defects, gibbs free energy, crack initiation life

中图分类号:

U270

周素霞, 曲直, 张昭, 吴毅. 基于晶体塑性有限元模拟的EA4T车轴钢裂纹萌生寿命预测[J]. 机械工程学报, 2025, 61(6): 277-284.

ZHOU Suxia, QU Zhi, ZHANG Zhao, WU Yi. Prediction of Crack Initiation Life of EA4T Axle Steel based on Crystal Plastic Finite Element Simulation[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2025, 61(6): 277-284.

参考文献

[1] 周素霞，谢基龙，宋占勋. 影响车轴疲劳强度关键因素的研究[J]. 机械制造，2008(1)：65-67. ZHOU Suxia，XIE Jilong，SONG Zhanxun. Study on the key factors affecting axle fatigue strength[J]. Machinery Manufacturing，2008(1)：65-67.
[2] 张浩楠，张继旺，李行，等. 高速列车车轴用EA4T钢腐蚀疲劳性能研究[J]. 表面技术，2021，50(10)：279-285，300. ZHANG Haonan，ZHANG Jiwang，LI Xing，et al. Study on corrosion fatigue properties of EA4T steel for high speed train axles[J]. Surface Technology，2021，50(10)：279-285，300.
[3] 徐忠伟. 高速铁路外物损伤车轴疲劳评估方法[D]. 成都：西南交通大学，2018. XU Zhongwei. Fatigue assessment method for axles damaged by foreign objects in high-speed railway[D]. Chengdu：Southwest Jiaotong University，2018.
[4] 吴圣川，徐忠伟，康国政，等. 外物损伤对合金车轴钢疲劳性能的影响[J]. 西南交通大学学报，2020，55(3)：658-663. WU Shengchuan，XU Zhongwei，KANG Guozheng，et al. Effect of external damage on fatigue properties of alloy axle steel[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2020，55(3)：658-663.
[5] GÜRER G，GÜR C H. Failure analysis of fretting fatigue initiation and growth on railway axle press-fits[J]. Engineering Failure Analysis，2018，28：151-166.
[6] 周素霞. 高速列车空心车轴损伤容限理论与方法研究[D]. 北京：北京交通大学，2010. ZHOU Suxia. Study on damage tolerance theory and method of hollow axle of high-speed train[D]. Beijing：Beijing Jiaotong University，2010.
[7] 曹建国，宋红攀，刘鑫贵，等. 基于ANSYS/FE-SAFE的高速动车组非动力车轴疲劳寿命分析[J]. 中国铁道科学，2017，38(1)：111-116. CAO Jianguo，SONG Hongpan，LIU Xingui，et al. Fatigue life analysis of non-power axle of high speed EMU based on ANSYS/FE-SAFE[J]. China Railway Science，2017，38(1)：111-116.
[8] 吕晓旭. 典型缺陷对车轴应力及疲劳寿命影响研究[D].北京：北京交通大学，2019. LÜ Xiaoxu. Study on the effect of typical defects on axle stress and fatigue life[D]. Beijing：Beijing Jiaotong University，2019.
[9] LING L，SHEN L，GWÉNAËLLE P. Fatigue crack initiation life prediction for aluminium alloy 7075 using crystal plasticity finite element simulations[J]. Mechanics of Materials，2015，81：84-93.
[10] FINE M E，BHAT S P. A model of fatigue crack nucleation in single crystal iron and copper[J]. Mater. Sci. Eng.，2007，468：64-69.
[11] BHAT S P，FINE M E. Fatigue crack nucleation in iron and a high strength low alloy steel[J]. Materials Science & Engineering A，2021，314(1-2)：90-96.
[12] 冉旭，姜明坤，韩英. 高铁用进口EA4T钢车轴的组织和力学性能[J]. 机械工程材料，2019，43(8)：41-45，74. RAN Xu，JIANG Mingkun，HAN Ying. Organization and mechanical properties of imported EA4T steel axles for high-speed rail[J]. Mechanical Engineering Materials，2019，43(8)：41-45，74.
[13] 代胜. 不同拉扭加载路径下EA4T车轴钢疲劳短裂纹行为对比研究[D]. 成都：西南交通大学，2020. DAI Sheng. Comparative study on short fatigue crack behavior of EA4T axle steel under different tension and torsion loading paths[D]. Chengdu：Southwest Jiaotong University，2020.
[14] 王一凡. 介观尺度下铝硅合金微动疲劳裂纹萌生机理的研究[D]. 太原：中北大学，2021. WANG Yifan. Study on fretting fatigue crack initiation mechanism of Al-Si alloy at mesoscopic scale[D]. Taiyuan：Central North University，2021.
[15] 赵长生，顾宜. 材料科学与工程基础[M]. 北京：化学工业出版社，2019. ZHAO Changsheng，GU Yi. The foundation of material science and engineering[M]. Beijing：Chemical Industry Press，2019.
[16] 卢术娟. 基于晶体塑性有限元的车轴材料疲劳寿命预测方法研究[D]. 北京：北京建筑大学，2020. LU Shujuan. Study on fatigue life prediction method of axle materials based on crystal plastic finite element method[D]. Beijing：Beijing University of Civil Engineering and Architecture，2020.
[17] 李行，张继旺，徐俊生，等. 缺陷对EA4T车轴钢疲劳性能的影响[J]. 西南交通大学学报，2021，56(3)：627-633. LI Xing，ZHANG Jiwang，XU Junsheng，et al. Effect of defects on fatigue properties of EA4T axle steel[J]. Journal of Southwest Jiaotong University，2021，56(3)：627-633.

基于晶体塑性有限元模拟的EA4T车轴钢裂纹萌生寿命预测

Prediction of Crack Initiation Life of EA4T Axle Steel based on Crystal Plastic Finite Element Simulation

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 10

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	冀寒松, 宋清华, 杜宜聪, 刘战强. Inconel-718微构件晶粒尺度伪随机建模与仿真[J]. 机械工程学报, 2023, 59(17): 232-240.
[2]	郑战光, 覃里杜, 谢昌吉, 潘淑琴, 孙腾. 晶体塑性疲劳指示因子研究方法综述[J]. 机械工程学报, 2022, 58(8): 105-116.
[3]	蔡旺, 王春晖, 孙朝阳, 马晋遥, 李月敏, 姜军, 张跃飞. 耦合温度效应晶体塑性的TWIP钢变形行为研究[J]. 机械工程学报, 2022, 58(20): 283-293.
[4]	郭晓曦, 李恒, 冯振勇, 张铎. 铝合金管弯曲成形表面粗化宏细观耦合建模仿真[J]. 机械工程学报, 2021, 57(22): 209-217.
[5]	王姝予, 宋世杰, 陆晓翀, 阚前华, 康国政, 张旭. CrMnFeCoNi高熵合金拉伸断裂的晶体塑性有限元模拟[J]. 机械工程学报, 2021, 57(22): 43-51.
[6]	李银银, 蒋玮. 基于纳米压痕的激光修复层晶体材料常数反演方法[J]. 机械工程学报, 2021, 57(2): 97-104.
[7]	孙莉, 郭素娟, 苑光健, 陈杨熙, 张显程, 涂善东. 宏/微观循环本构模型及其在工程结构中的应用[J]. 机械工程学报, 2021, 57(16): 198-217.
[8]	孙李刚, 凌超, 陈浩, 李东风. 结构完整性分析中的多尺度力学方法[J]. 机械工程学报, 2021, 57(16): 106-121.
[9]	刘禹, 单颖春, 刘献栋, 何田. 高温对汽车灰铸铁制动盘热疲劳裂纹萌生寿命的影响[J]. 机械工程学报, 2019, 55(8): 97-105.
[10]	李大永　张少睿　彭颖红　刘守荣　仇素萍. 板材冲压成形的晶体塑性有限元模拟[J]. , 2008, 44(1): 190-194.