李偉偉等

摘要： 為評(píng)估某鋁合金地鐵車輛的疲勞壽命，采用美國ASME標(biāo)準(zhǔn)中的網(wǎng)格不敏感的主SN曲線法對(duì)該車焊縫進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測.用HyperMesh對(duì)車體進(jìn)行有限元建模，并對(duì)焊縫處網(wǎng)格細(xì)化；用ANSYS計(jì)算焊縫處應(yīng)力；運(yùn)用自主開發(fā)的FEWeld軟件對(duì)其進(jìn)行等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算和疲勞壽命的預(yù)測；對(duì)疲勞壽命不符合設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的疲勞壽命符合設(shè)計(jì)要求.網(wǎng)格不敏感的主SN曲線法具有重要工程應(yīng)用推廣價(jià)值.

關(guān)鍵詞： 地鐵； 焊縫建模； 疲勞壽命預(yù)測； 有限元； 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法； ASME標(biāo)準(zhǔn)； 主SN曲線； 鋁合金焊接結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)： U270.2；TB115.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： To evaluate the fatigue life of an aluminum subway vehicle， the weld line fatigue life of the vehicle is predicted by the meshinsensitive master SN method in ASME standard of the United States. The finite element model of the car body is built by HyperMesh and the mesh of weld lines is refined； the stress near weld lines is calculated by ANSYS； by the selfdeveloped software FEWeld， the equivalent structural stress is calculated and the fatigue life is calculated； the structures where the fatigue life cannot meet the design requirements are improved and optimized， and the fatigue life of the improved structure meets the design requirements. The meshinsensitive master SN curve method has great promotion value on engineering application.

Key words： subway； weld line modeling； fatigue life prediction； finite element； equivalent stress method； ASME standard； master SN curve； aluminum welded structure

引言

軌道車輛車體由底架、側(cè)墻、端墻、車頂和司機(jī)室等幾部分組成，一個(gè)合格的車體不僅要滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，疲勞壽命也是重要指標(biāo)之一.近幾年來，城市軌道疲勞失效事故時(shí)有發(fā)生，不僅影響旅客安全，還造成經(jīng)濟(jì)損失.車體疲勞是一種車體焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷的過程，在這個(gè)過程中，在循環(huán)載荷的作用下，即使應(yīng)力低于材料的屈服極限，車體也會(huì)出現(xiàn)疲勞裂紋.一般來說，焊接接頭是車體結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞的薄弱環(huán)節(jié)，因此對(duì)車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞評(píng)估主要是對(duì)焊接接頭進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估.

隨著高速列車和輕軌、地鐵的發(fā)展，列車的高速化和輕量化等課題越來越受到重視.鋁合金材料具有質(zhì)量輕，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度高，耐腐蝕，以及加工性能好等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被廣泛應(yīng)用于客車車體.鋁合金車體的主要特點(diǎn)包括：（1）大幅降低車體質(zhì)量，同等條件大約是普通鋼質(zhì)車的30%～35%；（2）鋁合金車體由大斷面鋁合金中空擠壓型材整體焊接而成，使由底架、側(cè)墻、端墻、車頂和司機(jī)室等組成的車體能夠承受橫向、縱向、垂向和扭轉(zhuǎn)等載荷.

本文以某鋁合金軌道車輛頭車為載體，對(duì)其進(jìn)行有限元建模，參考EN 126631：2010標(biāo)準(zhǔn)[1]，基于ANSYS和自主開發(fā)的FEWeld軟件，計(jì)算車體在對(duì)稱載荷作用下的疲勞壽命，并比較2種方案的分析結(jié)果.結(jié)果表明：改進(jìn)結(jié)構(gòu)使焊縫形狀更圓滑，減少應(yīng)力集中的影響，可以增加車體的疲勞壽命.

1結(jié)構(gòu)應(yīng)力法

結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，又稱主SN曲線法、Verity方法或網(wǎng)格不敏感的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法. [2]該方法是美國新奧爾良大學(xué)DONG Pingsha博士基于斷裂力學(xué)原理及大量焊接疲勞試驗(yàn)發(fā)明的計(jì)算焊縫疲勞壽命的最新的最準(zhǔn)確的方法.該方法采用網(wǎng)格不敏感的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算方法及其主SN曲線模型，可以相對(duì)準(zhǔn)確地計(jì)算出空間任意走向的焊縫的疲勞壽命. [34]

1.1結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由于焊接接頭的疲勞裂紋一般發(fā)生在焊趾處，所以研究焊趾處的應(yīng)力組成極其重要.焊趾處應(yīng)力由焊接引起的殘余應(yīng)力和遠(yuǎn)端外力引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力2部分組成.殘余應(yīng)力在焊縫處為自平衡力，且在結(jié)構(gòu)運(yùn)行過程中幅值不變，所以對(duì)結(jié)構(gòu)疲勞無明顯作用，而結(jié)構(gòu)應(yīng)力因?yàn)榇嬖诮蛔冏饔?，所以是產(chǎn)生疲勞破壞的主要因素.[5]厚度為t的板焊趾處的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布見圖1（a），將結(jié)構(gòu)應(yīng)力簡化為彎曲應(yīng)力σb和膜應(yīng)力σm，見圖1（b）.

結(jié)構(gòu)應(yīng)力為

1.2等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由于焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋客觀存在的特殊性，從力學(xué)機(jī)理上看，其擴(kuò)展過程是與材料性能無關(guān)的純力學(xué)行為，因此焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命可以應(yīng)用斷裂力學(xué)的理論求解. [6]用裂紋的擴(kuò)展過程判定結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度. [5]在求解過程中定義一個(gè)概念——等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，其考慮載荷模式、板厚尺寸、焊趾缺口效應(yīng)和應(yīng)力集中等對(duì)疲勞壽命的影響.此外，傳統(tǒng)的疲勞壽命評(píng)估方法以名義應(yīng)力為基本參數(shù)，但對(duì)于復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)，不管是名義應(yīng)力法還是熱點(diǎn)應(yīng)力法，都存在焊接接頭難以分類、SN曲線難以界定的困難.結(jié)構(gòu)應(yīng)力法以節(jié)點(diǎn)力為基本參數(shù)[7]，基于節(jié)點(diǎn)力的計(jì)算結(jié)果對(duì)網(wǎng)格的敏感性比基于應(yīng)力計(jì)算的低，因此節(jié)點(diǎn)力法的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格的不敏感，即對(duì)有限元網(wǎng)格的類型和質(zhì)量要求低，在這一點(diǎn)上較傳統(tǒng)計(jì)算方法具有明顯優(yōu)勢.

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法具有更嚴(yán)格的理論基礎(chǔ).其有2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：網(wǎng)格不敏感的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算和等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的轉(zhuǎn)化.這2項(xiàng)技術(shù)使其在疲勞壽命評(píng)估方面具有很大優(yōu)勢，例如，分析部位沒有嚴(yán)格的有限元網(wǎng)格離散要求、焊趾熱點(diǎn)部位的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果精確可靠，因此疲勞強(qiáng)度評(píng)定和壽命預(yù)測精度較高.

4結(jié)論

通過以上分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，車體各部位在垂向載荷、縱向載荷和橫向載荷這3種工況作用下，疲勞壽命均大于107，表明加寬和圓滑圓角的上蓋板剛度得到協(xié)調(diào)，應(yīng)力集中得到有效抑制.

（2）在機(jī)車車輛焊接結(jié)構(gòu)中，疲勞破壞的原因是應(yīng)力集中過于嚴(yán)重.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，千方百計(jì)降低各式各樣的應(yīng)力集中是提高其抗疲勞能力、增加疲勞壽命的第一要素.

（3）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段通過有限元法對(duì)車體進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)疲勞強(qiáng)度的薄弱部位，是提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，為車體設(shè)計(jì)的進(jìn)一步改進(jìn)提供一定參考.

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4結(jié)論

通過以上分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，車體各部位在垂向載荷、縱向載荷和橫向載荷這3種工況作用下，疲勞壽命均大于107，表明加寬和圓滑圓角的上蓋板剛度得到協(xié)調(diào)，應(yīng)力集中得到有效抑制.

（2）在機(jī)車車輛焊接結(jié)構(gòu)中，疲勞破壞的原因是應(yīng)力集中過于嚴(yán)重.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，千方百計(jì)降低各式各樣的應(yīng)力集中是提高其抗疲勞能力、增加疲勞壽命的第一要素.

（3）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段通過有限元法對(duì)車體進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)疲勞強(qiáng)度的薄弱部位，是提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，為車體設(shè)計(jì)的進(jìn)一步改進(jìn)提供一定參考.

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4結(jié)論

通過以上分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，車體各部位在垂向載荷、縱向載荷和橫向載荷這3種工況作用下，疲勞壽命均大于107，表明加寬和圓滑圓角的上蓋板剛度得到協(xié)調(diào)，應(yīng)力集中得到有效抑制.

（2）在機(jī)車車輛焊接結(jié)構(gòu)中，疲勞破壞的原因是應(yīng)力集中過于嚴(yán)重.在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，千方百計(jì)降低各式各樣的應(yīng)力集中是提高其抗疲勞能力、增加疲勞壽命的第一要素.

（3）在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段通過有限元法對(duì)車體進(jìn)行疲勞壽命評(píng)估，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)疲勞強(qiáng)度的薄弱部位，是提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，為車體設(shè)計(jì)的進(jìn)一步改進(jìn)提供一定參考.

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