梁樹(shù)林，兆文忠

(1.大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.長(zhǎng)春軌道客車股份公司，吉林 長(zhǎng)春 130062)

0 引言

對(duì)我國(guó)軌道交通裝備可靠性而言，焊接結(jié)構(gòu)的可靠性不僅涉及到設(shè)計(jì)成本、制造成本、維修成本，更涉及到服役安全這樣一個(gè)重大命題，其重要性，沒(méi)有人懷疑.但是，如何開(kāi)展焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計(jì)，如何將抽象的、空泛的概念轉(zhuǎn)化為具體的、可操作的行為細(xì)節(jié)，則是需要認(rèn)真思考的.

鑒于此，作者結(jié)合多年的體驗(yàn)提出幾點(diǎn)看法與大家交流.

1 焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)中兩個(gè)因素

在一些人看來(lái)，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題太復(fù)雜，因?yàn)楹附舆^(guò)程本身的熱行為復(fù)雜，焊后殘余應(yīng)力復(fù)雜，焊接缺陷分布復(fù)雜，影響其疲勞壽命的因素更復(fù)雜，但是，透過(guò)這些復(fù)雜的現(xiàn)象，從哲學(xué)的角度看，可以發(fā)現(xiàn):焊接結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題的原因只有兩個(gè):“外因”與“內(nèi)因”.對(duì)待焊接結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題的態(tài)度也只有兩個(gè):“絕對(duì)”與“相對(duì)”.

1.1 關(guān)于“外因”與“內(nèi)因”

所謂外因，指的是作用在焊接結(jié)構(gòu)外部的、廣義變化的載荷，如:規(guī)則或隨機(jī)變化的載荷、變化的溫度載荷等等.當(dāng)我們將一個(gè)車輛投放到一個(gè)服役環(huán)境中之前，尤其是一個(gè)新的環(huán)境之前，對(duì)環(huán)境要有一個(gè)清醒的預(yù)判是相當(dāng)重要的.

標(biāo)準(zhǔn)中度量焊接接頭疲勞強(qiáng)度的S-N曲線的數(shù)學(xué)描寫(xiě)是［1］:

式中，C為取決于焊接接頭應(yīng)力集中的常數(shù)，而m是至少大于3的一個(gè)指數(shù).

因此，壽命與應(yīng)力范圍的數(shù)學(xué)關(guān)系是:

顯然，二者互為高度非線性的雙曲線型關(guān)系，且有靈敏度公式:

可見(jiàn)，Δσ的微小變化，都將導(dǎo)致壽命N有很大變化，且變化方向相反.上述公式雖然簡(jiǎn)單，但是它揭示了一個(gè)規(guī)律，即:因載荷而導(dǎo)致的應(yīng)力變化范圍的微小增長(zhǎng)，都將導(dǎo)致疲勞壽命的高度非線性下降.這意味著忽視“外因”是有風(fēng)險(xiǎn)的.

所謂內(nèi)因，指的是焊接結(jié)構(gòu)自身的抗疲勞能力，這需要用S-N曲線數(shù)據(jù)說(shuō)話.不管是英國(guó)的BS 標(biāo)準(zhǔn)［2］，日本的 JIS 標(biāo)準(zhǔn)［3］，還是國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW)［4］，它們提供了一批S-N數(shù)據(jù)用來(lái)度量焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力，但是，深刻揭示內(nèi)因的應(yīng)該是美國(guó)ASME于2007年頒布的主S-N曲線法［5］，因?yàn)樗鼘-N數(shù)據(jù)壓縮成一條窄帶(見(jiàn)圖1)，并給出了數(shù)學(xué)描述:

式中，C及h為主S-N曲線試驗(yàn)常數(shù);N為代表疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)，等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍ΔSs的定義是:

式中，ΔσS為結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍;t為實(shí)際板厚與單位板厚之比;I(r)為描述載荷模式效應(yīng)的函數(shù)，其中 r為彎曲比，m=3.6.

圖1 主S-N曲線圖

外載荷的獲得途徑很多，在條件不充分的情況下，如果抓住了主要矛盾，或通過(guò)實(shí)測(cè)，或通過(guò)數(shù)值仿真，看是復(fù)雜的載荷問(wèn)題就有可能得到較好的近似，下面是兩個(gè)案例.

案例1 某工廠接到新西蘭的訂單，需要更新轉(zhuǎn)向架.在沒(méi)有給定載荷譜的情況下，我們堅(jiān)持要求“力所能及”地提供一些載荷信息，于是新西蘭人在他們的線路上用很短的時(shí)間就將測(cè)到的車體振動(dòng)加速度譜提交了，圖2與圖3分別是車體作用到轉(zhuǎn)向架上的載荷譜.間接地掌握了該車的運(yùn)行環(huán)境之后，剩下的事情進(jìn)行的非常順利.反之，假如放棄這一要求，服役環(huán)境模糊，風(fēng)險(xiǎn)就將難于預(yù)先判斷.

圖2 垂向載荷譜

圖3 橫向載荷譜

案例2 某高速動(dòng)車組在某一線路上通過(guò)的隧道非常多，高速通過(guò)時(shí)空氣動(dòng)力學(xué)載荷非常惡劣，其惡劣程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出預(yù)判，結(jié)果導(dǎo)致了一些焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題.為了研究這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)诓⑿杏?jì)算機(jī)上進(jìn)行CFD數(shù)值仿真，提取了氣動(dòng)載荷，然后，利用流－固耦合技術(shù)，獲得了結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)載荷.圖4與圖5分別給出了某一個(gè)觀察點(diǎn)上數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的氣動(dòng)載荷對(duì)比，從圖中得出計(jì)算得到的最小值為－3 247 Pa，而實(shí)測(cè)值為－3 190 Pa.基于這些數(shù)據(jù)，氣動(dòng)載荷引起的疲勞壽命的預(yù)測(cè)工作就可以繼續(xù)進(jìn)行了.

圖4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖5 與計(jì)算對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)結(jié)果

上述兩個(gè)獲得載荷的辦法都不難操作，成本也不高，載荷重要，主動(dòng)的態(tài)度更重要.還要指出，像其它疲勞問(wèn)題那樣，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題也是一個(gè)時(shí)間歷程上的事件，它不僅具有隱蔽性，還具有欺騙性.鑒于載荷問(wèn)題的重要性，監(jiān)測(cè)服役環(huán)境中載荷的“一舉一動(dòng)”更有意義，關(guān)于這方面的研究，將另有文章介紹.

1.2 關(guān)于“絕對(duì)”與“相對(duì)”

在抗疲勞設(shè)計(jì)過(guò)程中，當(dāng)我們沒(méi)有樣機(jī)或樣件用于疲勞試驗(yàn)時(shí)，或者在設(shè)計(jì)初期僅有圖紙的時(shí)候，可以通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算的手段開(kāi)展這項(xiàng)工作，但是許多人認(rèn)為“焊縫上的疲勞壽命是算不出來(lái)的”，甚至以某些日本人的“疲勞試驗(yàn)是唯一手段”為理由而排斥或拒絕計(jì)算，我們認(rèn)為這是片面的.

事實(shí)上，焊縫上的疲勞壽命是一個(gè)概率問(wèn)題，只有統(tǒng)計(jì)意義上的解.試驗(yàn)也好，計(jì)算也好，都如此.我們鼓勵(lì)計(jì)算，并不是認(rèn)為疲勞壽命可以算得很準(zhǔn)，而是鼓勵(lì)“污染要從源頭治理”，一旦計(jì)算壽命的模型有一定的置信度，那么計(jì)算就是有意義的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員可以通過(guò)“相對(duì)比較”而確認(rèn)哪一些焊縫將來(lái)有可能會(huì)出問(wèn)題.

以某動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架為例，計(jì)算了134條焊縫的疲勞損傷，表1給出了部分預(yù)測(cè)結(jié)果.通過(guò)比較，指出了疲勞損傷較大的焊縫是那幾條，并提請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)人員關(guān)注，因?yàn)橐坏┉h(huán)境惡化，最有可能出問(wèn)題的就是這些焊縫，這就是對(duì)比的貢獻(xiàn)，它也稱之為抗疲勞設(shè)計(jì)的“虛擬疲勞試驗(yàn)”.

表1 部分累積損傷值較高的焊縫示意

還要強(qiáng)調(diào)的是:主S-N曲線法使我們有能力在“虛擬疲勞試驗(yàn)”中獲得任何一條焊縫的疲勞壽命或損傷，否則“比較中選優(yōu)”將很難有效操作.

2 降低應(yīng)力集中的策略

明了外因，只是一個(gè)完整的解決方案的一部分而不是全部.在對(duì)焊接接頭開(kāi)展抗疲勞設(shè)計(jì)時(shí)，還要對(duì)其自身的抗疲勞能力有一個(gè)清醒的判斷，當(dāng)對(duì)外因難于判斷時(shí)，關(guān)注內(nèi)因而提高自身的抗疲勞能力就顯得尤其重要.從力學(xué)的角度看，內(nèi)因是可以用焊接接頭上幾何宏觀或微觀的不連續(xù)性而導(dǎo)致的應(yīng)力集中來(lái)度量.一個(gè)證據(jù)是，IIW通過(guò)試驗(yàn)給出了一批焊接接頭的S-N曲線，它們互相平行，但卻有高有低，其原因就是應(yīng)力集中程度不同.

如果說(shuō)發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中是一個(gè)“認(rèn)識(shí)世界”的過(guò)程，那么，降低應(yīng)力集中則是一個(gè)“改造世界”的過(guò)程，二者同樣重要.可是，怎樣才能有效地降低應(yīng)力集中呢?“點(diǎn)子”可能很多，下面的三點(diǎn)是來(lái)自實(shí)踐的總結(jié).

2.1 傳力路徑與焊縫之間，以“疏”治“堵”

對(duì)任何一個(gè)焊接結(jié)構(gòu)，在給定的載荷工況下，力的路徑是唯一的.在拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)工程中，傳力路徑扮演了一個(gè)極其重要的角色，在焊接結(jié)構(gòu)里也要關(guān)注傳力路徑，因?yàn)樗蛻?yīng)力集中密切相關(guān).譬如，焊縫走向“橫擋”傳力路徑，則相當(dāng)于“堵”;如果傳力焊縫“順從”傳力路徑，則相當(dāng)于“疏”，顯然，前者的應(yīng)力集中程度大于后者，這一點(diǎn)也可以從斷裂力學(xué)的理論得到證實(shí).下面是一個(gè)簡(jiǎn)單的IIW中提供的例子，在同樣的載荷作用下，“順從”傳力路徑的那個(gè)焊接接頭(疲勞等級(jí)FAT值為125)的疲勞壽命是“橫擋”傳力路徑那個(gè)焊接接頭(疲勞等級(jí)FAT值為80)疲勞壽命的3.8倍以上［4］.

工程上，因結(jié)構(gòu)需要，焊縫走向“橫擋”傳力路徑常常是不可避免，特別是角焊縫，降低由此導(dǎo)致的應(yīng)力集中，一個(gè)對(duì)策是在傳力路徑上對(duì)應(yīng)力進(jìn)行“疏導(dǎo)”.

案例1 某轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架上因吊掛電機(jī)，一條橫焊縫因局部應(yīng)力集中而導(dǎo)致疲勞壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，采用上述策略，沿著傳力路徑布置了四個(gè)橫跨該焊縫的小筋板，計(jì)算結(jié)果表明，相對(duì)疲勞壽命提高了2.65倍.雖然因布置小筋板而增加了新的焊縫，但是它們壽命卻很高.

案例2 從國(guó)外某公司引進(jìn)的某型高速動(dòng)車組動(dòng)車轉(zhuǎn)向架上的牽引電機(jī)的托架在線路上動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，該托架有一條焊縫的疲勞壽命(圖6中焊縫的A點(diǎn))達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命要求.

圖6 疲勞壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的位置示意

從圖7中可以看出，在該焊縫處確實(shí)有顯著的應(yīng)力集中.

圖7 原設(shè)計(jì)垂直焊縫方向上的應(yīng)力分布

添加一個(gè)小筋的改進(jìn)方案(見(jiàn)圖8)，使原方案問(wèn)題焊縫的應(yīng)力集中得到緩解，計(jì)算壽命為1 439萬(wàn)公里，達(dá)到了設(shè)計(jì)壽命1 200萬(wàn)公里的要求，對(duì)改進(jìn)方案的實(shí)測(cè)證明了這一點(diǎn).

圖8 添加斜筋的改進(jìn)方案的有限元模型

有人認(rèn)為傳力路徑的概念過(guò)于抽象，其實(shí)不然.當(dāng)用有限元技術(shù)求解某一個(gè)問(wèn)題以后，傳力路徑就隱藏在結(jié)果文件之中了，以ANSYS為例，繪出的各類應(yīng)力矢量圖中傳力路徑清晰可見(jiàn)，問(wèn)題是許多人忽視了它的重要意義而不去研究它.

2.2 降低應(yīng)力集中，以“柔”克“剛”

眾所周知，應(yīng)力的數(shù)學(xué)描述是形變的微分，微分具有局部屬性，因此，應(yīng)力集中具有局部屬性.當(dāng)設(shè)計(jì)人員，或通過(guò)有限元計(jì)算，或通過(guò)“貼片”獲得的應(yīng)力較高時(shí)，常采取局部補(bǔ)強(qiáng)措施以降低其應(yīng)力水平，這時(shí)，我們一定要問(wèn):注意剛度協(xié)調(diào)了嗎?如果忽視這一點(diǎn)，可能適得其反，這樣的案

圖9 某客車承載梁焊縫開(kāi)裂

例可以列舉很多，下面是一個(gè)典型的剛度極不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致焊縫開(kāi)裂的一個(gè)案例(見(jiàn)圖9).

如果堅(jiān)持剛度協(xié)調(diào)這一原則，看似令人頭痛的問(wèn)題，可能迎刃而解.某轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架上一個(gè)搭接接頭端焊縫發(fā)生了開(kāi)裂事故.基于剛度協(xié)調(diào)原則提出了一個(gè)解決方案，新方案的基礎(chǔ)計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)自于表2.

新方案的計(jì)算壽命以及疲勞臺(tái)架上的試驗(yàn)壽命(約1 400萬(wàn)公里)，遠(yuǎn)高于原結(jié)構(gòu)的壽命(約480萬(wàn)公里)，它表明改進(jìn)結(jié)構(gòu)的疲勞壽命可以滿足使用要求.

事實(shí)上，改進(jìn)方案中的主要措施很簡(jiǎn)單:將該搭接接頭的端焊縫按照1∶3以上的比例光滑磨削，這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的措施竟然使其疲勞壽命提高了兩倍，這是什么原因呢?其實(shí)道理也很簡(jiǎn)單:磨削后，在載荷作用方向上避免了此處剛度的突然變化，剛度協(xié)調(diào)了，應(yīng)力集中必然緩解，抗疲勞能力因而得到了顯著的提高.

2.3 躲開(kāi)應(yīng)力集中，以“虛”避“實(shí)”

有時(shí)，焊縫不得不承受應(yīng)力集中的“煎熬”，但是，有時(shí)是可以避實(shí)就虛的.

案例1 仍然以上面提及的某公司的電機(jī)托架原設(shè)計(jì)方案為例，一個(gè)更好的解決方案即將出臺(tái)，即將原方案角焊縫移走，在遠(yuǎn)離應(yīng)力集中處布置對(duì)接平焊縫，這樣，原設(shè)計(jì)方案的重量還可以顯著下降.

案例2 有一發(fā)電車，下吊掛一個(gè)很重的油箱.傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖10(左)所示，角焊縫就在應(yīng)力集中處，如果我們稍微改動(dòng)一下，如圖10(右)所示，用一個(gè)角鋼替代之，結(jié)果將會(huì)怎樣呢?答案不言而喻.當(dāng)應(yīng)力集中不可避免時(shí)，躲開(kāi)應(yīng)力集中的策略是一個(gè)可選的方案.

圖10 油箱吊掛上焊縫重新布置示意

將焊縫放在應(yīng)力集中處的一個(gè)主要原因是設(shè)計(jì)人員只考慮了靜強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，忽視了抗疲勞的設(shè)計(jì)要求，一旦這種慣性思維指導(dǎo)設(shè)計(jì)，問(wèn)題遲早要暴露出來(lái)，尤其是在新的服役環(huán)境下，情況可能更糟糕.

3 結(jié)論

在我國(guó)，焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)是一個(gè)一直沒(méi)有得到很好解決的難題.一個(gè)生動(dòng)的案例是，一個(gè)工廠產(chǎn)品出口不久，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題搞得他們非常狼狽，訂單帶來(lái)的喜悅很快變成了抱怨:“早知如此，何必當(dāng)初”，其實(shí)，這樣的教訓(xùn)何止一個(gè)呢?現(xiàn)在看來(lái)，問(wèn)題的原因是駕馭疲勞問(wèn)題的能力是他們的短板，他們要么將復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)單化，要么將簡(jiǎn)單問(wèn)題復(fù)雜化，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題的內(nèi)在規(guī)律知之甚少.

現(xiàn)在，主S-N曲線法以數(shù)學(xué)公式的形式揭示了焊接結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題的內(nèi)涵，這就為研究人員提供了一個(gè)破解這個(gè)難題的良方.基于主S-N曲線法:

(1)當(dāng)給定靜載荷時(shí)，研究人員可以評(píng)估焊縫上的應(yīng)力集中;

(2)當(dāng)給定動(dòng)載荷時(shí)，研究人員可以預(yù)測(cè)焊縫上的疲勞壽命.

這樣，只要研究人員手里有了載荷，哪怕僅僅是靜載荷，抗疲勞設(shè)計(jì)就可以開(kāi)展下去，并將得到有一定參考價(jià)值的結(jié)果.

進(jìn)一步，如果研究人員在抗疲勞設(shè)計(jì)過(guò)程中再引入一點(diǎn)哲學(xué)思維，從發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中出發(fā)，到緩解應(yīng)力集中落腳，我們就有理由相信，治理焊接結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題的被動(dòng)局面是可以扭轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的，對(duì)我國(guó)軌道交通裝備行業(yè)尤其如此.

［1］霍立興.焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評(píng)定［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］BS7608－1993:Code of practice for fatigue design and assessment of steel structures［S］.1993.

［3］JIS E 4207－2004:Truck frames for railway rolling stock-General rules for design［S］.2004.

［4］IIW.Fatigue Design of Welded Joints and Components［S］.2003.

［5］Ping-sha DONG.The master S-N curve method，An implementation for fatigue evaluation of welded components in the ASME B＆PV CODE，Section VIII，Division 2 and API579-1/ASME FFS-1，Welding Research Council，Inc.USA，2011.

［6］DONG P.A Robust Structural Stress Method for Fatigue Analysis of Offshore/Marine Structures［J］.J.of Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2005，127(2):68-74.

［7］DONG P.Analysis of Hot Spot Stress and Alternative Structural Stress Methods［J］.Proceedings of the 22nd OMAE International Conference，Paper No.OMAE2003-37315，2003，7:8-13.

［8］DONG P.Stresses and Stress Intensities at Notches，A-nomalous Crack Growth Revisited［J］.International Journal of Fatigue，2003，25:811-825.