李曉峰，王宇，李光，李向偉

(1.大連交通大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.齊齊哈爾軌道交通裝備有限責(zé)任公司，齊齊哈爾 161002)

0 引言

焊接是一種在連接金屬結(jié)構(gòu)中既有效又經(jīng)濟(jì)的連接方式，是現(xiàn)代生產(chǎn)制造業(yè)采用的最主要的連接方式之一，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、鐵路機(jī)車車輛、建筑等工業(yè)的各個領(lǐng)域，但是由于在焊接過程中難免會伴隨著各種缺陷和一些難以控制的因素，如應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力等，因而導(dǎo)致了焊縫成為最薄弱環(huán)節(jié)，焊縫的壽命也往往都要低于母材的壽命，所以焊縫的位置通常是容易發(fā)生疲勞破壞的位置.不同于其它的一些應(yīng)用于海上運輸罐式集裝箱，本文研究的罐式集裝箱主要應(yīng)用于鐵路運輸.該集裝箱在線路上使用一段時間后，在箱體框架的焊縫出現(xiàn)了疲勞裂紋，針對此條焊縫，維修中采用了加補強(qiáng)板的補強(qiáng)方案，為了確定原結(jié)構(gòu)出現(xiàn)疲勞裂紋的原因以及補強(qiáng)方案的有效性，引用了美國2007年ASME標(biāo)準(zhǔn)中最新的網(wǎng)格不敏感的主S-N曲線法［1-3］對該處焊縫進(jìn)行了有限元建模，并對原結(jié)構(gòu)與補強(qiáng)結(jié)構(gòu)的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力和焊縫壽命進(jìn)行了對比并得出相應(yīng)的結(jié)論和一些建議.

1 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的基本原理

1.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力的定義

在焊趾缺口附近沿板厚方向的應(yīng)力分布通常是非線性的，焊趾部位垂直于豎向假設(shè)裂紋面的實際正應(yīng)力分布如圖1所示.按平衡等效條件，該實際缺口處的正應(yīng)力可分解為沿板厚t分布的膜正應(yīng)力σm、彎曲正應(yīng)力σb和非線性正應(yīng)力峰值σp，結(jié)構(gòu)應(yīng)力σs即定義為焊趾表面膜正應(yīng)力σM和彎曲正應(yīng)力σB之和.

圖1 焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力組成

當(dāng)結(jié)構(gòu)處于平衡狀態(tài)，由外力引起的焊趾處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力σs與外載荷平衡，非線性正應(yīng)力峰值σp是自平衡的殘余應(yīng)力.σm和σb對疲勞起主導(dǎo)作用.已知焊趾處的線載荷f，線彎矩m和板厚t.根據(jù)力平衡和彎矩平衡方程即可求出焊趾處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力值σs結(jié)構(gòu)應(yīng)力:

σs為所求結(jié)構(gòu)應(yīng)力值，該值的大小對有限元網(wǎng)格不敏感.另外，當(dāng)有較大剪切力存大時，還應(yīng)計入剪應(yīng)力對疲勞性能的影響，剪應(yīng)力的計算方法與上述過程相似.

1.2 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的定義

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力是以結(jié)構(gòu)應(yīng)力為控制參數(shù)計算應(yīng)力強(qiáng)度因子，以斷裂力學(xué)為理論基礎(chǔ)，并結(jié)合疲勞壽命直接相關(guān)的應(yīng)力參數(shù)，在這個基于斷裂力學(xué)表達(dá)式的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力中，不僅考慮焊趾缺口、焊接接頭板的厚度的影響、載荷模式的影響，也考慮了應(yīng)力集中的影響，并以這些影響因素為參數(shù)導(dǎo)出等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力轉(zhuǎn)化方程.等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力轉(zhuǎn)化方程為:

以等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍ΔSS為參數(shù)的主S-N曲線的焊縫疲勞壽命計算公式為

式中，m=3.6;t為板厚;I(r)為彎曲度比r的無量綱函數(shù)(R=Δσb/Δσs);Cd及h為主S-N曲線試驗常數(shù);N為代表疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)［4-5］.

圖2 主S-N曲線試驗數(shù)據(jù)

從圖2來看，新定義的S-N曲線方程與BS標(biāo)準(zhǔn)中基于名義應(yīng)力的S-N曲線方程形式上基本是相同的，但是，主S-N曲線方程中用變化范圍度量的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力并不是針對某一個具體的焊接接頭形式而提出的，它是將反映應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、焊接接頭的板的厚度、外載荷引起的膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力之間的比例進(jìn)行了綜合，因而對任何走向的焊縫都有效.

2 含焊縫細(xì)節(jié)的計算模型

2.1 原始方案的計算模型

原方案焊縫的疲勞裂紋出現(xiàn)在罐體框架上，如圖3所示，該罐體框架上的其它幾個對稱部位均有類似形式的疲勞裂紋，因此建立包含焊縫細(xì)節(jié)在內(nèi)的部件有限元模型.

圖3 原方案局部細(xì)節(jié)

有限元的建模過程采用原結(jié)構(gòu)的1/4進(jìn)行建模，利用殼單元(SHELL63)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的離散，罐體及框架共離散為24296個單元和23962個節(jié)點.模型的載荷及約束條件均按規(guī)定進(jìn)行施加.如圖4所示.

圖4 原方案1/4模型有限元網(wǎng)格

2.2 補強(qiáng)方案的計算模型

為了降低問題焊縫的應(yīng)力幅值，補強(qiáng)方案的措施是在出現(xiàn)疲勞裂紋的焊縫的外表面焊接一塊6mm厚的補強(qiáng)板，該補強(qiáng)板只有四周通過焊接與框架連接.并且在框架上焊接了兩塊肋板.如圖5所示.補強(qiáng)方案與原方案相比增加了兩塊肋板和一塊補強(qiáng)板.其它的結(jié)構(gòu)尺寸不變，補強(qiáng)方案較原方案增加了兩條焊縫，圖6為含焊縫細(xì)節(jié)的補強(qiáng)方案的有限元模型.

圖5 補強(qiáng)方案局部細(xì)節(jié)

圖6 補強(qiáng)方案1/4模型有限元網(wǎng)格

3 兩種方案焊縫等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算

3.1 問題焊縫的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的對比

通過對箱體的橫向、縱向和垂向三種載荷進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)垂向載荷對出現(xiàn)裂紋焊縫的影響較大，因此判定垂向載荷的變化引發(fā)疲勞的主要載荷.因此對比了原結(jié)構(gòu)與補強(qiáng)方案出現(xiàn)疲勞裂紋的焊縫在垂向載荷作用下的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，如圖7所示.

圖7 兩種方案等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布對比

經(jīng)過對比計算可以看出，原結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)疲勞裂紋處的焊縫的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最大值為－350 MPa，補強(qiáng)之后降為 －242 MPa，由于兩條焊縫的細(xì)節(jié)條件相同，所以可以肯定補強(qiáng)方案的焊縫壽命一定會高于原方案，補強(qiáng)對與提高焊縫的抗疲勞能力是起到了作用的.

3.2 補強(qiáng)板上焊縫焊趾上的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力

為了對原方案結(jié)構(gòu)進(jìn)行補強(qiáng)，補強(qiáng)方案所增加補強(qiáng)板的焊接位置(圖6)，補強(qiáng)板上的焊縫的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計算結(jié)果如圖8、圖9.計算結(jié)果表明補強(qiáng)板上的焊線結(jié)構(gòu)應(yīng)力的最大值分別為－10.3 MPa和－87 MPa，遠(yuǎn)低于出現(xiàn)疲勞破壞的焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計算值，這表明補強(qiáng)本身是安全的.

圖8 補強(qiáng)板焊縫1上等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

圖9 補強(qiáng)板焊縫2上等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

4 疲勞損傷累積計算結(jié)果與對比

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計算能夠反應(yīng)出改進(jìn)方案確實對提高焊縫的壽命有幫助，但為了準(zhǔn)確計算出改進(jìn)方案的效果，還必須通過計算疲勞損傷而量化.鐵路上運輸集裝箱往往采用集裝箱平車進(jìn)行運輸，因而采用AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)M-1001-97《貨車設(shè)計制造規(guī)范》第7章新造貨車的疲勞設(shè)計中的“聯(lián)運車組重車關(guān)節(jié)連接器垂向載荷的線路環(huán)境事件百分率譜”，最后遵照Miner's損傷累積理論，又分別對原結(jié)構(gòu)和補強(qiáng)方案中上述重要焊縫的焊趾進(jìn)行了疲勞損傷累積計算［6］.

經(jīng)過對載荷譜的計算，并遵照Miner's損傷累積理論得出兩種方案的焊縫的疲勞壽命如附表所示.

附表 兩種方案的結(jié)構(gòu)應(yīng)力與壽命里程對比

附表中計算的壽命里程為重車情況下計算得到的，若按空重比為1∶1的情況計算，按重車每年運行125 000 km，可以看到原方案的中的焊縫僅僅可以運行0.186年，這還是比較符合實際的運行情況.

5 結(jié)論

(1)等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法充分考慮焊趾缺口、焊接接頭板的厚度、載荷模式的影響，也考慮了應(yīng)力集中的影響，并用一條主S-N曲線取代了其他標(biāo)準(zhǔn)的各種不同接頭的S-N曲線，從而使得計算結(jié)果更加準(zhǔn)確更接近真實值;

(2)原結(jié)構(gòu)焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力比較大，因而使得焊縫的疲勞壽命比較小，這一點與實際情況吻合.等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法可以有效反應(yīng)出焊接結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力集中;

(3)較之原結(jié)構(gòu)，補強(qiáng)結(jié)構(gòu)對提高原結(jié)構(gòu)的焊縫疲勞壽命起到了一定作用，但從計算結(jié)果來看來原焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力仍然比較大，疲勞壽命依然很小，增加該處補強(qiáng)板不能從根本上提高原焊縫的抗疲勞能力.

［1］Fatigue Assessment of Welds-Elastic Analysis and Structural Stress［M］.ASME Div 2，2007.

［2］李曉峰，謝素明，時慧焯，等.車輛焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評估方法研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2007，28(3):74-77.

［3］謝素明，程亞軍，兆文忠.貨車焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測研究［J］.鐵道車輛，2006，44(6):1-5.

［4］DON G P.A Structural Stress Definition and Numerical Implementation for Fatigue Analysis of Welded Joints［J］.International Journal of Fatigue，2001 ，23(10):865-2876.

［5］DONG P，HONG J K.Analysis of Recent Fatigue Data Using the Structural Stress Procedure in ASME Div 2 Rewrite［J］.Journal of Pressure Vessel Technology，2007，129:355-362.

［6］美國鐵道協(xié)會(AAR).機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)手冊C分冊［M］.青島:鐵道部四方車輛研究所，1986.