CN117708966A - 一种基于实际服役条件的构件寿命评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于实际服役条件的构件寿命评估方法，包括步骤：S1、确定轨道交通运输装备结构的使用剖面；S2、对装备结构整体进行受力分析以选取关键部位；S3、编制装备结构的载荷谱，根据装备结构的载荷谱编制装备结构局部载荷谱，再结合选取的关键部位，得到关键部位载荷谱，再转化为关键部位实验载荷谱；S4、编制装备结构的总体环境谱，再以总体环境谱为参考，编制装备结构局部环境谱；S5、模拟装备结构关键部位，设计关键部位模拟构件；S6、测定预腐蚀疲劳系数和腐蚀疲劳影响系数；S7、采用疲劳寿命修正方法评定关键部位模拟构件在服役环境下的疲劳寿命。本发明能够大大提高寿命评估的准确性、快速性和可靠性。
Description
技术领域
本发明主要涉及轨道交通运输装备关键结构的可靠性及寿命评估技术领域，具体涉及一种基于实际服役条件的构件寿命评估方法。
背景技术
外场环境下的长周期服役关乎轨道交通装备结构的安全，是一项非常重要质量指标。环境腐蚀损伤及疲劳损伤会削弱结构的强度，降低可用性。除了设计增加结构安全系数、增添表面处理涂装防腐、设置行之有效的维护维修外，对关键部件环境耐久性评估，保障其环境适应性，同样具有重大意义。当前可靠性评估主要依靠整体振动试验，没有考虑运行环境对实际结构的影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种准确、快速、可靠的基于实际服役条件的构件寿命评估方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于实际服役条件的构件寿命评估方法，包括步骤：
S1、确定轨道交通运输装备结构的使用剖面；
S2、对装备结构整体进行受力分析以选取关键部位；
S3、编制装备结构的载荷谱，根据装备结构的载荷谱编制装备结构局部载荷谱，再结合选取的关键部位，得到关键部位载荷谱，再转化为关键部位实验载荷谱；
S4、编制装备结构的总体环境谱，再以总体环境谱为参考，编制装备结构局部环境谱，再转化为实验环境谱；
S5、模拟装备结构关键部位，设计关键部位模拟构件；
S6、根据关键部位实验载荷谱和关键部位实验环境谱，测定预腐蚀疲劳系数和腐蚀疲劳影响系数；
S7、根据预腐蚀疲劳系数和腐蚀疲劳影响系数，采用疲劳寿命修正方法评定关键部位模拟构件在服役环境下的疲劳寿命。
优选地，确定轨道交通运输装备的使用剖面的具体过程为：针对某线路轨道交通车辆的完整使用过程，总结车辆的使用特点，进而确定车辆的使用剖面，再根据车辆的使用剖面来确定装备的使用剖面。
优选地，所述装备的使用剖面包括停放-使用的时间比例、停放地点、运行路线环境和使用参数信息。
优选地，在步骤S3中，对某线路轨道交通装备的设计谱和实测路谱进行综合分析，采用任务分析法，编制装备结构的载荷谱，并根据装备使用特点，编制装备结构局部载荷谱，结合选取的关键部位，给出关键部位的载荷信息，形成关键部位载荷谱。
优选地，在步骤S3中，关键部位载荷谱转化为关键部位实验载荷谱的具体过程为：
S31、将轨道交通装备结构服役过程实测路谱转化为加速度随时间里程变化的加速度时域谱；
S32、利用仿真技术将加速度时域谱作为轨道交通装备结构瞬态动响应分析的载荷激励，获取轨道交通装备结构的响应谱；
S33、通过雨流计数法对关键位置的响应谱进行低载截除，获得关键结构实验载荷谱。
优选地，在步骤S4中，结合使用剖面，采用单一介质加权构成使用环境，确定构成使用环境的单一介质编制停放加速环境谱和服役环境谱，并根据腐蚀电流当量折算方法，估算加速腐蚀当量关系及单一介质作用百分比，得到实验环境谱。
优选地，所述实验环境谱的得到过程为：
模拟轨道交通装备结构停放-运行反复交替过程，采用预设周期浸润环境谱，得到理论结果；
采用腐蚀电流当量折算法和腐蚀程度对比法来确定当量加速关系；
根据理论计算结果和当量加速关系，综合确定最终的当量加速关系。
优选地，在步骤S6中，测定预腐蚀疲劳系数的过程为：
采用实验环境谱中的停放环境谱对模拟件进行预腐蚀，预腐蚀一定的时间当量后，选取多件模拟件样品进行疲劳试验；
预腐蚀疲劳系数Cj为
式中，N0为室温大气环境下的寿命，N0j为预腐蚀Tj时间后在室温大气环境下的寿命；
为测定N0，采用指定疲劳关键部位模拟试件，进行室温大气环境和实验载荷谱下的成组疲劳试验，得到一组疲劳寿命Nk0(k＝1,…,m0)，认为其服从对数正态分布，则
为测定N0j，采用一组相同的模拟试件，加速实验环境谱下进行相当于地面停放Tj年的加速腐蚀试验，然后在室温大气环境和实验载荷谱下进行成组疲劳试验，得到疲劳寿命Nkj(k＝1,…,mj)，中值寿命
为测定C-T曲线，选定若干个Tj(j＝0,1,…,q)，用(q+1)组模拟试件，1组用于测定N0，q组则分别加速腐蚀至相当地面停放Tj年后进行室温大气环境和实验载荷谱下成组疲劳试验，测得q个N0j，从而获得q组(Tj，Cj)数据，采用合适函数关系式对数据进行拟合，确定C-T曲线。
优选地，在步骤S6中，测定环境腐蚀疲劳影响系数的过程为：
单一介质环境下的腐蚀疲劳影响系数为：
式中：Ni0(i＝0,1,…,p)为结构疲劳关键部位在单一介质环境(i)和实验载荷谱下的中值寿命；
Ni0试验测定：试验得到模拟构件在单一介质(i)及实验载荷谱下成组疲劳试验所得各试件疲劳寿命Ni0,k(k＝1,…,mi表示试件序号)，则有：
如果空中环境谱由p+1种单一介质组成，每种单一介质所占百分比为yi，在用上述方法分别测出各单一介质下的空中腐蚀疲劳影响系数ki后，环境腐蚀疲劳影响系数K由式(6)确定，即：
优选地，在步骤S7中，服役环境下疲劳寿命评定的具体过程为：
若构件在第j个时间间隔ΔTj＝Tj－Tj-1使用了ΔNj公里，则与ΔNj损伤相当的当量一般环境公里数为：
式中：mj为第j年的腐蚀影响系数，mj＝m(Tj)；
若一般环境下的寿命用N*表示，则当：
时，腐蚀条件下结构达到了对应的疲劳寿命修理间隔，其值为：
取疲劳寿命腐蚀影响系数为：
模拟轨道交通装备的停放-运行使用状态，用腐蚀试验模拟停放腐蚀、疲劳试验模拟运行过程中的疲劳过程，多次交替，直至结构破坏或达到试验设计要求，得到疲劳寿命。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明给出了一种轨道交通装备结构典型线路的动态环境谱设计方法，通过分析统计拟特征路线及实际环境中对装备结构起主导作用的环境要素：温度、湿度、pH及大气中的腐蚀成分而编制环境谱，基于环境谱当量转化原理设计模拟加速试验各作用模块构成、参数量值大小及作用时间，保证了对主要因素和作用顺序的等效模拟，真实反映了轨道交通装备结构在服役环境中受干湿交替、盐雾侵蚀、清洗介入污染等现实情况，大大提高了实验室模拟多因素耦合作用下涂层寿命评估的准确性、快速性、可靠性。
本发明实现了针对轨道交通装备金属材料及其焊接接头的环境谱到实验环境谱的转化，创新性的将数十年的外场服役在相同腐蚀机理的条件下转化为实验室短周期加速实验，极大缩短了评价时间。
本发明首次将轨道交通装备关键结构可靠性评估从整体结构中剥离出来，采用仿真分析技术将关键剖面重新定义，并进行模拟件的设计，可有效降低整体结构可靠性及寿命评价成本。从实验室加速试验角度，模拟的试验件设计可综合利用力与环境的耦合作用通过疲劳(常规或腐蚀)试验进行可靠性及寿命评估，获得产品寿命数据更具有实际意义。
本发明创新性的将实测载荷历程转化为可供实验室使用的疲劳载荷谱，在损伤等效的前提下，实现了实验条件简化。
本发明通过将腐蚀系数、预腐蚀-疲劳系数测定，模拟轨道交通装备的停放-运行使用状态，用腐蚀试验模拟停放腐蚀、疲劳试验模拟运行过程中的疲劳过程，通过试验寿命与计算寿命的比较研究腐蚀－疲劳交替作用的影响，并根据实际情况，采用疲劳寿命修正方法，评估服役条件下的疲劳寿命。
本发明实现了对腐蚀条件下的轨道交通装备的寿命评估，通过关键部位试件腐蚀、疲劳交替试验，实现了对轨道交通装备结构腐蚀条件下使用寿命评估，提高了实际运行条件下轨道交通装备结构的使用寿命及评估精度。
附图说明
图1为本发明的寿命评估方法在实施例的流程图。
图2为本发明的装备结构的局部危险剖面及其仿真细节值。
图3为本发明的关键结构实验用载荷谱。
图4为本发明的关键剖面内的应力梯度图。
图5为本发明的试件与实际结构危险位置的关键剖面上的应力梯度对比图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
如图1所示，本发明实施例提供了一种基于实际服役条件的构件寿命评估方法，具体包括步骤：
S1、确定使用剖面：针对某线路轨道交通车辆的完整使用过程，总结车辆的使用特点，确定车辆的使用剖面，进而确定装备的使用剖面，给出停放-使用的时间比例、停放地点，运行路线环境和使用参数信息；
S2、结构分析：采用有限元分析软件，进行部件结构整体进行受力分析，选取关键部位；
S3、编制载荷谱：对某线路轨道交通装备的设计谱和实测路谱进行综合分析，采用任务分析法，编制装备结构的载荷谱，并根据装备使用特点，编制轨道交通装备结构局部载荷谱，结合关键部位的选取，给出关键部位的载荷作用强度、频率等信息，形成关键部位载荷谱；
S4、编制环境谱。具体包括总体环境谱、局部环境谱和实验环境谱的编制，如下所示；
1)总体环境谱编制。根据轨道车辆使用特点，依据运行路线对应的地域、城市、路线上的自然气候环境和化学环境，编制使用总体环境谱，给出各类环境要素构成和环境要素信息，如作用时间、强度、频率等信息。
2)局部环境谱编制。考虑轨道车辆在具体路线上的使用特点，根据路况信息、关键结构和外界的关联性等，以总体环境谱为参考，编制轨道交通装备局部环境谱，给出关键部位中各类环境要素构成和环境要素信息，如作用时间、强度、频率等信息。
3)实验环境谱编制。结合列车使用剖面，采用单一介质加权构成使用环境，确定构成使用环境的单一介质编制停放加速环境谱和服役环境谱，并根据腐蚀电流当量折算方法，估算加速腐蚀当量关系及单一介质作用百分比。
S5、设计模拟试件：模拟轨道交通部件关键部位，根据应力梯度相近原则，设计关键部位模拟试件。
S6、测定腐蚀影响系数。其中包括预腐蚀影响系数测定和腐蚀疲劳影响系数测定，分别为：
1)预腐蚀影响系数测定：进行关键部位模拟试件在中加速腐蚀不同时间后的成组疲劳试验，统计分析得到中值寿命，拟合得到预腐蚀疲劳影响系数曲线(C-T曲线)。
2)腐蚀疲劳影响系数测定：进行关键部位模拟试件在单一介质环境下的成组腐蚀疲劳试验，统计分析得到中值寿命，确定单一介质腐蚀疲劳影响系数，按单一介质组分加权方法确定腐蚀疲劳影响系数。
S7、评定疲劳寿命：采用疲劳寿命修正方法，评估服役条件下的疲劳寿命，并采用如下两种途径进行方法验证：
1)进行模拟试件的预腐蚀-疲劳交替试验，将试验寿命与分析寿命进行对比；
2)进行一系列关键部位的预腐蚀疲劳试验，将试验结果与外场寿命进行对比。
本发明通过先确定装备的使用剖面，然后编制轨道交通装备载荷谱/环境谱；其次分析装备的结构，设计关键部位模拟试件；再次，根据实验加速环境谱，进行预腐蚀疲劳和腐蚀疲劳影响系数测定，构建腐蚀疲劳影响系数模型；最后，采用疲劳寿命修正方法评定服役环境下的疲劳寿命。本发明通过模拟件设计、载荷谱编制、环境谱折算相结合的方法，通过典型构件载荷特征、服役环境与结构设计相结合来确定载荷及环境对关键焊缝使用寿命的影响，保障关键部位的有效运行。
下面结合一个具体的完整实施例来对本发明的方法做进一步的说明：
S1、使用剖面
以某铁路线路运行的列车为研究对象，结合地理位置、气候类型、城市污染性等因素，将该线路划分为特征气候区I、特征气候区I I、特征气候区I I I。
进行某线路运行列车时刻表分析，依据列车运行时刻表确定各城市在分段区域的腐蚀影响。根据列车时刻表，统计分析各段的运行时长以及运行总时长的占比，如表1所示。对于轨道交通装备材料全年标准潮湿的占比，依据五个特征城市各自数据进行加权计算。假设列车运行在城市A-城市B段的时间占比为α1，则在该段内可以视作城市A和城市B的加权系数各自为α1/2，城市B-城市C的运行时间占比为α2，则在该段内城市B和城市C的加权系数各自为α2/2。以此计算，则在北方地区城市A的占比为α1/2，城市B为的占比α1/2+α2/2，城市C的占比为α2/2。
表1列车运行线路分段区域时长占比
列车使用过程中，会定期进行清洗，清洗过程的部分参数需要统计：
(1)清洗频率：每隔N天会打开裙板，并同时对车身进行清洗；
(2)清洗液成分：市售清洗液，pH＝X；
(3)清洗工艺：用抹布对车身进行擦洗，先用酸性清洗液擦洗一次，再用清水擦洗三次，清洗液可能会随着车身滴落到轨道交通装备表面。
S2、结构分析
对实际服役过程中的载荷谱进行测试分析，获得典型工况下的载荷路谱，确定载荷随时间历程的变化曲线；以电气柜三维模型为载体进行仿真分析，在实际载荷谱的作用下，获得装备结构的局部危险剖面及其仿真细节值(应力水平、应力梯度)，如图2。
S3、载荷谱编制
载荷谱编制基于实际路线上为轨道交通装备及相关部件在实际运行过程中的振动环境水平，在振动方面从时域和频域的角度对典型构件的振动分析。测试路线与表1中线路相同，测试设备为数据收集与分析***，采集信息为部件在运行过程中的三向加速度，分析频率高于2000Hz。
将实测振动载荷转化为实验载荷谱的方式为：
S31、通过振动试验台将轨道交通装备服役过程实测路谱转化为加速度随时间里程变化的时域谱；
S32、利用仿真技术将加速度时域谱作为轨道交通装备瞬态动响应分析的载荷激励，获取轨道交通装备承力结构的响应谱；
S33、通过雨流计数法对关键位置的响应谱进行低载截除，获得关键结构实验用载荷谱，如图3所示。
S4、环境谱编制
(1)总体环境谱
两区段各城市占比时间统计结果如表2所示。统计分析不同运行区间内所有城市的潮湿时间平均值和两端城市的平均值的比值，得到不同运行区间的修正系数，不同地点全年标准潮湿时间计算的加权系数进行修正，修正结果列于表3。在五个地点的对特征路线标准潮湿空气的加权系数之上，乘以不同运行区间的修正系数，得到最后的标准潮湿作用时间。
表2不同地点全年标准潮湿时间计算的加权系数
表3不同地点全年标准潮湿时间计算的加权系数
(2)局部环境谱
除运行的大环境外，还需要根据装备所处位置，使用、维护产生的诱发环境等构建装备局部的环境谱。如：在车辆行驶过程中，装备内部的设备持续工作，会发热造成温度升高；由于车轮与铁轨的摩擦发热也会造成局部温度变化；使用维护时，极小可能接触到的清洗剂或水；车辆运行过程中可能存在的砂石冲击。这些客观环境影响都应考虑在内。
(3)实验环境谱
1)停放环境谱
模拟轨道交通装备结构停放-运行反复交替过程，采用如下周期浸润环境谱，它由两部分构成：
①酸性NaCl溶液浸泡。采用5％NaCl溶液中加入少量稀H2SO4，使pH值达到4.0～4.5，以模拟盐雾和酸性气体的作用。
②温湿环境下表面溶液的烘干过程。在40℃左右及RH＝95％～100％湿度下，用远红外灯照射烘干试件，以模拟潮湿空气及凝露的作用过程。
一个加速周期由30分钟组成，浸泡时间占1/4。
2)当量加速关系
当量加速关系综合采用腐蚀电流当量折算法和腐蚀程度对比法确定。入库停放相当于标准潮湿空气作用时间，列车入库停放环境相当于标准潮湿空气作用M h。加速谱1个小时相当于标准潮湿空气作用时间计算如下：
参考折算系数见表4，其中铝合金材料3.5％和7％NaCl溶液相对标准潮湿空气的加速系数为8.264和10.32，插值求得5％NaCl容易的加速系数为9.144，即5％NaCl溶液作用1小时相当于水介质作用9.144小时；
表4不同浓度NaCl溶液与水介质的折算系数
| NaCl浓度(％) | 铝合金 | 钢 |
| 0.35 | 0.643 | 0.558 |
| 0.5 | 0.612 | 0.485 |
| 1.72 | 0.335 | 0.417 |
| 3.5 | 0.121 | 0.32 |
| 7 | 0.0969 | 0.31 |
不同浓度酸与水介质的折算系数见表5。pH＝4的稀硫酸，[H+]＝0.0001mo l/L，则H2SO4对应的浓度为0.5×0.00001mo l/L，其分子量为98.08，故硫酸质量浓度为0.4904mg/L。1mg/L和0.1mg/L所对应的折算系数分别为α＝0.348和α＝0.635，加速系数为其倒数分别为2.874和1.575，外推得到0.4904mg/L酸浓度对应的加速系数为4.58，即pH＝4的稀硫酸作用1小时相当于标准潮湿空气作用4.58小时。
表5不同浓度酸与水介质的折算系数
加速谱1个小时相当于标准潮湿空气作用9.144+4.58＝13.724h。M/13.724，即加速谱作用M/13.724h相当于外场使用1年。
3)当量加速关系综合确定
根据1)中理论计算的结果和2)中的对比，综合确定当量加速关系。各种单一介质的作用时间比例。室温大气环境91.8％，其他的比例为8.2％；在其他组分中，标准潮湿空气、3.5％NaCl和酸性NaCl的比例分别为yi(i＝1,2,3)，得y1＝89.76％，y2＝5.38％，y3＝4.86％。单一介质环境和比例分别为：室温大气环境91.8％，标准潮湿空气89.76％*8.2％＝7.36％、3.5％NaCl盐雾5.38％*8.2％＝0.44％、酸性3.5％NaCl溶液(pH＝4，稀硫酸)4.86％*8.2％＝0.4％。
S5、疲劳关键部位模拟试件设计
从疲劳失效的角度分析，关键剖面应为关键部位中与主应力方向垂直的剖面。
通过轨道交通装备部件仿真模拟选择mi ses应力最大值位置作为疲劳关键部位，该点位于顶部焊缝的焊趾与外挂结构相交的一侧。关键剖面的最大应力水平及其应力梯度是影响结构疲劳寿命的主要因素，提取了关键剖面内沿表面方向与沿剖面倾斜方向各结点的6个应力分量，并计算了其沿主应力方向的正应力，得到了关键剖面内的应力梯度，结果如图4所示。
图4显示2mm范围内应力沿表面方向的分布几乎没有变化，可以认为关键部位沿宽度方向的应力分布均匀，不存在应力梯度；而应力沿剖面倾斜方向，在2mm内从17.2MPa降低至5.6MPa，即关键剖面沿厚度方向存在应力梯度。
提取到关键结构中的关键剖面后，需设计试件达到相同的应力梯度。首先，选取材料与实际结构材料完全相同，其取样方向、热处理态均与真实结构相同。试件采用与真实结构相同的表面处理方式，其中切削面需要较高的表面质量，以确保关键部位位置的应力集中。最后通过试件参数包括：切削厚度H，切削长度L，垫片厚度D，试件长度与试件宽度对梯度几乎无影响，因此不作为设计参数。通过有限元计算分析，得到了能够教好拟合实际结构关键剖面应力梯度的尺寸参数。
在该尺寸下，试件受2000N的Y方向拉伸载荷，远场主应力水平为16.67MPa，关键剖面危险点主应力为30.74MPa，远场与关键剖面的主应力之比为0.5421。试件与实际结构危险位置的关键剖面上的应力梯度对比见图5。
S6、测定腐蚀影响系数
(1)测定预腐蚀疲劳系数
采用实验环境谱中的停放环境谱对模拟件进行预腐蚀，预腐蚀一定的时间当量后，选取不少于7件模拟件样品进行疲劳试验。
预腐蚀疲劳系数Cj为
式中，N0为室温大气环境下的寿命，N0j为预腐蚀Tj时间后在室温大气环境下的寿命。
为测定N0，采用指定疲劳关键部位模拟试件，进行室温大气环境和实验载荷谱下的成组疲劳试验，得到一组疲劳寿命Nk0(k＝1,…,m0)，认为其服从对数正态分布，则
为测定N0j，采用一组相同的模拟试件，加速试验环境谱下进行相当于地面停放Tj年的加速腐蚀试验，然后在室温大气环境和实验载荷谱下进行成组疲劳试验，得到疲劳寿命Nkj(k＝1,…,mj)，中值寿命
为测定C—T曲线，需要选定若干个Tj(j＝0,1,…,q)，用(q+1)组模拟试件，1组用于测定N0，q组则分别加速腐蚀至相当地面停放Tj年后进行室温大气环境和使用载荷谱下成组疲劳试验，测得q个N0j，从而获得q组(Tj，Cj)数据，采用合适的函数关系式对数据进行拟合，确定C—T曲线。
C-T曲线多采用如下两种形式
C(t)＝1.0-βtα (3)
式中：β为系数；α为指数。
(2)测定环境腐蚀疲劳影响系数
单一介质环境下的腐蚀疲劳影响系数为：
式中：Ni0(i＝0,1,…,p)为结构疲劳关键部位在单一介质环境(i)和使用载荷谱下的中值寿命。
Ni0试验测定。试验得到模拟试件在单一介质(i)及使用载荷谱下成组疲劳试验所得各试件疲劳寿命Ni0,k(k＝1,…,mi表示试件序号)，则有：
如果空中环境谱由p+1种单一介质组成，每种单一介质所占百分比为yi，在用上述方法分别测出各单一介质下的空中腐蚀疲劳影响系数ki后，环境腐蚀疲劳影响系数K可由式(6)确定，即：
腐蚀影响系数曲线为m(T)＝K·C(T)，根据公式构建寿命评估模型。
S7、服役环境下疲劳寿命评定
若柜体在第j个时间间隔ΔTj＝Tj－Tj-1使用了ΔNj公里，则与ΔNj损伤相当的当量一般环境公里数为：
式中：mj为第j年的腐蚀影响系数，mj＝m(Tj)。
若一般环境下的寿命用N*表示，则当：
时，腐蚀条件下结构达到了对应的疲劳寿命修理间隔，其值为：
取疲劳寿命腐蚀影响系数为：
模拟轨道交通装备的停放-运行使用状态，用腐蚀试验模拟停放腐蚀、疲劳试验模拟运行过程中的疲劳过程，多次交替，直至结构破坏或达到试验设计要求，通过试验寿命与计算寿命的比较研究腐蚀－疲劳交替作用的影响。
真实模拟实际交替过程实际上是无法实现的，因此，可实施的交替试验一般是预腐蚀相当于停放一定年限后进行疲劳试验，然后反复进行。又因预腐蚀由实验室加速腐蚀试验予以实现，加速腐蚀试验有一个稳定过程，所以每个交替周期对应的地面停放年限不能太短，因此设定每个周期为实测总周期的0.1-0.2。
本发明给出了一种轨道交通装备结构典型线路的动态环境谱设计方法，通过分析统计拟特征路线及实际环境中对装备结构起主导作用的环境要素：温度、湿度、pH及大气中的腐蚀成分而编制环境谱，基于环境谱当量转化原理设计模拟加速试验各作用模块构成、参数量值大小及作用时间，保证了对主要因素和作用顺序的等效模拟，真实反映了轨道交通装备结构在服役环境中受干湿交替、盐雾侵蚀、清洗介入污染等现实情况，大大提高了实验室模拟多因素耦合作用下涂层寿命评估的准确性、快速性、可靠性。
本发明实现了针对轨道交通装备金属材料及其焊接接头的环境谱到实验环境谱的转化，创新性的将数十年的外场服役在相同腐蚀机理的条件下转化为实验室短周期加速实验，极大缩短了评价时间。
本发明首次将轨道交通装备关键结构可靠性评估从整体结构中剥离出来，采用仿真分析技术将关键剖面重新定义，并进行模拟件的设计，可有效降低整体结构可靠性及寿命评价成本。从实验室加速试验角度，模拟的试验件设计可综合利用力与环境的耦合作用通过疲劳(常规或腐蚀)试验进行可靠性及寿命评估，获得产品寿命数据更具有实际意义。
本发明创新性的将实测载荷历程转化为可供实验室使用的疲劳载荷谱，在损伤等效的前提下，实现了实验条件简化。
本发明通过将腐蚀系数、预腐蚀-疲劳系数测定，模拟轨道交通装备的停放-运行使用状态，用腐蚀试验模拟停放腐蚀、疲劳试验模拟运行过程中的疲劳过程，通过试验寿命与计算寿命的比较研究腐蚀－疲劳交替作用的影响，并根据实际情况，采用疲劳寿命修正方法，评估服役条件下的疲劳寿命。
本发明实现了对腐蚀条件下的轨道交通装备的寿命评估，通过关键部位试件腐蚀、疲劳交替试验，实现了对轨道交通装备结构腐蚀条件下使用寿命评估，提高了实际运行条件下轨道交通装备结构的使用寿命及评估精度。
如本公开和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于实际服役条件的构件寿命评估方法，其特征在于，包括步骤：
S1、确定轨道交通运输装备结构的使用剖面；
S2、对装备结构整体进行受力分析以选取关键部位；
S3、编制装备结构的载荷谱，根据装备结构的载荷谱编制装备结构局部载荷谱，再结合选取的关键部位，得到关键部位载荷谱，再转化为关键部位实验载荷谱；
S4、编制装备结构的总体环境谱，再以总体环境谱为参考，编制装备结构局部环境谱，再转化为实验环境谱；
S5、模拟装备结构关键部位，设计关键部位模拟构件；
S6、根据关键部位实验载荷谱和关键部位实验环境谱，测定预腐蚀疲劳系数和腐蚀疲劳影响系数；
S7、根据预腐蚀疲劳系数和腐蚀疲劳影响系数，采用疲劳寿命修正方法评定关键部位模拟构件在服役环境下的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的基于实际服役条件的构件寿命评估方法，其特征在于，确定轨道交通运输装备的使用剖面的具体过程为：针对某线路轨道交通车辆的完整使用过程，总结车辆的使用特点，进而确定车辆的使用剖面，再根据车辆的使用剖面来确定装备的使用剖面。
3.根据权利要求2所述的基于实际服役条件的构件寿命评估方法，其特征在于，所述装备的使用剖面包括停放-使用的时间比例、停放地点、运行路线环境和使用参数信息。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于实际服役条件的构件寿命评估方法，其特征在于，在步骤S3中，对某线路轨道交通装备的设计谱和实测路谱进行综合分析，采用任务分析法，编制装备结构的载荷谱，并根据装备使用特点，编制装备结构局部载荷谱，结合选取的关键部位，给出关键部位的载荷信息，形成关键部位载荷谱。
5.根据权利要求4所述的基于实际服役条件的构件寿命评估方法，其特征在于，在步骤S3中，关键部位载荷谱转化为关键部位实验载荷谱的具体过程为：
S31、将轨道交通装备结构服役过程实测路谱转化为加速度随时间里程变化的加速度时域谱；
S32、利用仿真技术将加速度时域谱作为轨道交通装备结构瞬态动响应分析的载荷激励，获取轨道交通装备结构的响应谱；
S33、通过雨流计数法对关键位置的响应谱进行低载截除，获得关键结构实验载荷谱。
6.根据权利要求1或2或3所述的基于实际服役条件的构件寿命评估方法，其特征在于，在步骤S4中，结合使用剖面，采用单一介质加权构成使用环境，确定构成使用环境的单一介质编制停放加速环境谱和服役环境谱，并根据腐蚀电流当量折算方法，估算加速腐蚀当量关系及单一介质作用百分比，得到实验环境谱。
7.根据权利要求6所述的基于实际服役条件的构件寿命评估方法，其特征在于，所述实验环境谱的得到过程为：
模拟轨道交通装备结构停放-运行反复交替过程，采用预设周期浸润环境谱，得到理论结果；
采用腐蚀电流当量折算法和腐蚀程度对比法来确定当量加速关系；
根据理论计算结果和当量加速关系，综合确定最终的当量加速关系。
8.根据权利要求7所述的基于实际服役条件的构件寿命评估方法，其特征在于，在步骤S6中，测定预腐蚀疲劳系数的过程为：
采用实验环境谱中的停放环境谱对模拟件进行预腐蚀，预腐蚀一定的时间当量后，选取多件模拟件样品进行疲劳试验；
预腐蚀疲劳系数Cj为
式中，N0为室温大气环境下的寿命，N0j为预腐蚀Tj时间后在室温大气环境下的寿命；
为测定N0，采用指定疲劳关键部位模拟试件，进行室温大气环境和实验载荷谱下的成组疲劳试验，得到一组疲劳寿命Nk0，认为其服从对数正态分布，则其中k＝1,…,m0；
为测定N0j，采用一组相同的模拟试件，加速实验环境谱下进行相当于地面停放Tj年的加速腐蚀试验，然后在室温大气环境和实验载荷谱下进行成组疲劳试验，得到疲劳寿命Nkj，其中k＝1,…,mj，中值寿命
为测定C-T曲线，选定若干个Tj，其中j＝0,1,…,q，用q+1组模拟试件，1组用于测定N0，q组则分别加速腐蚀至相当地面停放Tj年后进行室温大气环境和实验载荷谱下成组疲劳试验，测得q个N0j，从而获得q组(Tj，Cj)数据，采用合适函数关系式对数据进行拟合，确定C-T曲线。
9.根据权利要求8所述的基于实际服役条件的构件寿命评估方法，其特征在于，在步骤S6中，测定环境腐蚀疲劳影响系数的过程为：
单一介质环境下的腐蚀疲劳影响系数为：
式中：Ni0为结构疲劳关键部位在单一介质环境i和实验载荷谱下的中值寿命，其中i＝0,1,…,p；
Ni0试验测定：试验得到模拟构件在单一介质i及实验载荷谱下成组疲劳试验所得各试件疲劳寿命Ni0,k，则有：其中k＝1,…,mi表示试件序号；
如果空中环境谱由p+1种单一介质组成，每种单一介质所占百分比为yi，在用上述方法分别测出各单一介质下的空中腐蚀疲劳影响系数ki后，环境腐蚀疲劳影响系数K由式(6)确定，即：
10.根据权利要求9所述的基于实际服役条件的构件寿命评估方法，其特征在于，在步骤S7中，服役环境下疲劳寿命评定的具体过程为：
若构件在第j个时间间隔ΔTj＝Tj－Tj-1使用了ΔNj公里，则与ΔNj损伤相当的当量一般环境公里数为：
式中：mj为第j年的腐蚀影响系数，mj＝m(Tj)；
若一般环境下的寿命用N*表示，则当：
时，腐蚀条件下结构达到了对应的疲劳寿命修理间隔，其值为：
取疲劳寿命腐蚀影响系数为：
模拟轨道交通装备的停放-运行使用状态，用腐蚀试验模拟停放腐蚀、疲劳试验模拟运行过程中的疲劳过程，多次交替，直至结构破坏或达到试验设计要求，得到疲劳寿命。
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|---|---|---|---|---|
| CN118130288A (zh) * | 2024-05-10 | 2024-06-04 | 西南交通大学 | 一种轮轨材料滚动接触疲劳试验的评价方法 |
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