盧耀輝，向鵬霖，曾 京，陳天利

(西南交通大學(xué) a.機械工程學(xué)院; b.牽引動力國家重點實驗室,成都 610031)

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鐵道客車焊接構(gòu)架疲勞強度評估方法

盧耀輝a，向鵬霖a，曾 京b，陳天利b

(西南交通大學(xué) a.機械工程學(xué)院; b.牽引動力國家重點實驗室,成都 610031)

鐵道客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為典型的焊接結(jié)構(gòu)，焊縫部位是疲勞失效的薄弱環(huán)節(jié)，對其焊縫位置的疲勞強度進行準(zhǔn)確評估對構(gòu)架的設(shè)計顯得尤為重要.對比分析了焊接接頭的3種有限元建模方式對焊縫部位應(yīng)力的影響，建立了考慮焊縫和不考慮焊縫的構(gòu)架有限元模型，參照UIC 515—4標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)架的兩種有限元模型分別施加模擬運營工況載荷，繪制了構(gòu)架Goodman曲線，對比分析了兩種建模方法的疲勞強度.結(jié)果表明：3種焊縫建模方法對應(yīng)力分析結(jié)果有較大的影響；與考慮焊縫的構(gòu)架有限元模型相比較，不考慮焊縫單元的構(gòu)架有限元模型分析得到的疲勞強度結(jié)果安全系數(shù)較小，分散性較大，結(jié)果偏于保守.本文可以為鐵道客車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的建模及評估方法為構(gòu)架的設(shè)計提供參考.

車輛工程；轉(zhuǎn)向架構(gòu)架；焊接結(jié)構(gòu)；疲勞強度分析；Goodman曲線

轉(zhuǎn)向架構(gòu)架是列車的關(guān)鍵部件之一，對列車的運行安全性和平穩(wěn)性具有十分重要的作用.在焊接構(gòu)架發(fā)生的斷裂事故中，多數(shù)情況是發(fā)生在焊接接頭承受多軸疲勞載荷的情況[1-2].隨著客車運行速度的提高，結(jié)構(gòu)的疲勞破壞問題顯得尤為突出，轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為典型的焊接結(jié)構(gòu)件，對其焊縫位置的疲勞強度進行準(zhǔn)確評估尤為重要.在對轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的疲勞性能的分析方法中，采用有限元數(shù)值模擬方法進行評估是工程上可行有效的方法[3].通常建立大型焊接結(jié)構(gòu)有限元模型的方法是在焊縫處用板殼的相交線代替焊接接頭，這種簡化的建模方法對疲勞強度評估結(jié)果的影響正是本文的關(guān)注點.

為獲得焊接結(jié)構(gòu)的焊縫應(yīng)力正確的計算結(jié)果，對焊接結(jié)構(gòu)有限元模型的正確建立是十分重要的.本文作者根據(jù)一個簡單的焊接接頭模型進行了分析，對兩種建模方法的優(yōu)劣進行比較分析，再通過對焊接構(gòu)架模型在有無焊縫單元情況下進行有限元計算，施加相同的邊界條件和載荷工況，利用最大主應(yīng)力方法結(jié)合Goodman曲線評估方法對比分析其結(jié)果的差異，為工程中利用板殼模型進行焊接構(gòu)件建模提供依據(jù).

1 焊縫有限元建模對比分析

在國際焊接協(xié)會(IIW)標(biāo)準(zhǔn)《焊接接頭及構(gòu)件的疲勞設(shè)計》[4]中對焊縫有限元建模的要求為：使用板殼單元模型，單元必須建立在結(jié)構(gòu)的中間層上.在應(yīng)力突變大的情況下推薦使用8節(jié)點的單元來描述其特點.在簡化模型中，當(dāng)應(yīng)力處于單軸應(yīng)力狀態(tài)下，焊縫單元可以忽略.當(dāng)采用實體模型時，說明厚度方向的多軸應(yīng)力不可忽略，推薦建立焊縫單元，一般采用45°方向的實體焊縫材料來模擬焊縫單元，如圖1所示.

然而在板殼模型中，不考慮焊縫單元而采用板殼之間的相交線作為焊縫進行考慮，有一定的局限性.在實際的焊接結(jié)構(gòu)失效中，焊趾位置的失效占極大部分，對于焊趾位置的應(yīng)力值計算要求盡可能接近真實值.在不考慮用實體單元建模以提高計算效率的情況下，需要采用板殼焊縫建模方法對焊趾位置的應(yīng)力進行研究.使用板殼單元模擬實體接頭時，采用的方法原理是：板殼位置建立在實體模型薄板的中間層處，利用板殼模擬的實體焊縫填充形狀并使得焊趾位置截面與實體模型的截面位置相同，如圖2所示.

根據(jù)上面的描述設(shè)計了3個不同的焊接結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示.模型1為帶焊縫的實體模型，以此為計算結(jié)果基準(zhǔn)來評判板殼模型中有無焊縫模型結(jié)果的優(yōu)劣；模型2為板殼無焊縫模型；模型3為板殼有焊縫模型.邊界條件為：約束結(jié)構(gòu)右側(cè)的面的所有自由度，在左側(cè)截面上施加剪力.以焊趾位置對疲勞裂紋的擴展有主導(dǎo)作用的結(jié)構(gòu)應(yīng)力為評價指標(biāo)[5-6]進行焊趾位置應(yīng)力的對比，所得結(jié)果如圖4所示，可見3個模型的焊縫應(yīng)力分布基本一致.由圖5中顯示的2種板殼模型結(jié)果相對實體結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計算誤差可以得到以下推論：板殼無焊縫模型由于在焊縫線起止點位置的剛度較大，其應(yīng)力計算會有集中的現(xiàn)象；板殼有焊縫模型的計算結(jié)果相對更貼近實體模型計算結(jié)果.

2 焊接構(gòu)架疲勞強度分析

傳統(tǒng)的焊接構(gòu)架有限元模型的建立方法是采用板殼模型模擬實體結(jié)構(gòu)，按照IIW規(guī)定，在焊縫處用兩板殼的相交線模擬，忽略焊縫處的填充形狀.這種建模方法無法對焊接缺陷等局部細節(jié)進行數(shù)值模擬，但可以對結(jié)構(gòu)的整體進行評價，如強度、模態(tài)和剛度等.疲勞強度分析結(jié)果往往與結(jié)構(gòu)的細節(jié)有很大關(guān)系，因此建立考慮焊縫細節(jié)的構(gòu)架模型，對比分析其疲勞強度.

2.1 焊接構(gòu)架的模型建立

按圖2方法建立考慮焊縫的有限元模型，即在不考慮焊縫細節(jié)的構(gòu)架模型基礎(chǔ)上將焊縫用板殼單元補上，使焊縫焊趾位置與實際保持一致，采用四邊形板殼單元連接相鄰單元的對邊來模擬焊縫，總計不考慮焊縫單元的構(gòu)架有限元模型單元總數(shù)為64 113，節(jié)點數(shù)為58 074，總計考慮焊縫單元的構(gòu)架有限元模型單元總數(shù)為63 997，節(jié)點數(shù)為58 704.圖6為構(gòu)架的2種焊縫細節(jié)有限元模型局部放大圖.

2.2 焊接構(gòu)架載荷工況及疲勞分析方法

2.2.1 焊接構(gòu)架載荷工況的確定

構(gòu)架在實際服役過程中，承受著復(fù)雜的載荷狀態(tài)，包括垂向載荷、橫向載荷、斜對稱載荷等，為了對構(gòu)架進行疲勞強度評估，依據(jù)文獻[7]中有關(guān)規(guī)定，模擬實際運行中出現(xiàn)的各種載荷組合，對構(gòu)架的疲勞強度評估采用將動載荷轉(zhuǎn)化為13種工況載荷組合來模擬轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的實際受力情況，通過施加13種工況的載荷組合對構(gòu)架的兩種模型進行有限元分析,其中：側(cè)滾系數(shù)α取0.10；浮沉系數(shù)β取0.20；運營垂向載荷取307.72 kN.采用構(gòu)架一系簧位置施加彈性邊界約束模擬構(gòu)架實際服役邊界條件.

2.2.2 構(gòu)架疲勞強度分析方法

焊接構(gòu)架在實際工作中承受的是多軸應(yīng)力載荷，在歐洲鐵路機車車輛行業(yè)中，對此類結(jié)構(gòu)疲勞強度評估主要根據(jù)國際鐵路聯(lián)盟試驗研究中心的研究報告(UIC)給出的方法進行校核.標(biāo)準(zhǔn)中指出結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞裂紋的方向與最大主應(yīng)力方向垂直，因此在處理此類結(jié)構(gòu)的疲勞強度評估時，采用最大主應(yīng)力作為評估參數(shù)[8]，將三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力，計算應(yīng)力循環(huán)的平均應(yīng)力和幅值，再根據(jù)材料的修正Goodman曲線進行結(jié)構(gòu)疲勞強度評定.本文作者采用自編程序，將構(gòu)架多工況應(yīng)力依據(jù)最大主應(yīng)力及其主方向轉(zhuǎn)化為單軸應(yīng)力進行疲勞強度評定.

修正的Goodman曲線是指以屈服極限為限界、并以Goodman提出的線性經(jīng)驗公式為基礎(chǔ)，用直線替代疲勞極限后得到的一種簡化的疲勞極限圖.Goodman疲勞曲線實際上是一種疲勞破壞包絡(luò)線，如圖7所示.評估疲勞強度時，結(jié)構(gòu)任何點應(yīng)力位于Goodman疲勞曲線封閉區(qū)域之外則表明結(jié)構(gòu)經(jīng)過107次循環(huán)載荷作用后發(fā)生疲勞破壞.已知材料參數(shù)時，Goodman疲勞曲線繪制方法如下：建立一個直角坐標(biāo)系，橫坐標(biāo)表示平均應(yīng)力σm，縱坐標(biāo)表示最大、最小應(yīng)力值σ，作一條過原點平分上述坐標(biāo)系Ⅰ、Ⅲ象限的直線GI，G點坐標(biāo)(-σs,-σs)，I點坐標(biāo)(σb,σb)；過拉伸屈服極限點(0,σs)作橫坐標(biāo)軸的平行線交直線AI于點B、交直線GI于點C，過點B作縱坐標(biāo)軸的平行線交直線EI于點D；壓縮屈服前，平均應(yīng)力不影響疲勞應(yīng)力幅，分別過正、負疲勞極限點A、點E作直線GI的平行線AH和EF，過壓縮屈服極限點(0,-σs)作橫坐標(biāo)軸的平行線交直線EF于點F，過F點作縱坐標(biāo)軸的平行線，交直線AH于點H；封閉曲線ABCDEFGHA即為Goodman疲勞曲線[9]，最后以應(yīng)力幅與其對應(yīng)的上下包絡(luò)線范圍的比值作為安全系數(shù)評估該節(jié)點位置的安全性.

根據(jù)文獻[10]中16Mn鋼及其焊接接頭的常規(guī)機械性能，繪制出轉(zhuǎn)向架構(gòu)架材料對應(yīng)可靠度為95%的Goodman曲線，如圖8所示.該曲線未考慮安全系數(shù)，不同于UIC報告中選取的Goodman曲線在評估時母材和焊縫已經(jīng)進行了安全系數(shù)考慮.16Mn焊接接頭屈服強度接近于500 MPa，疲勞強度為240 MPa，對構(gòu)架上的危險點進行評估時，一般危險點處于焊縫的焊趾位置及部件連接點，接頭和母材的Goodman包絡(luò)線應(yīng)該屈服強度取數(shù)值較小的母材屈服強度值，而疲勞強度根據(jù)危險點位于母材或者焊縫而定.修正后的Goodman-Smith疲勞曲線圖中有2個包絡(luò)范圍，其中：a為焊接接頭的包絡(luò)線；b為母材的包絡(luò)線，在評估中忽略虛線部分.

3 構(gòu)架疲勞強度結(jié)果分析

依據(jù)文獻[7]中有關(guān)規(guī)定，對構(gòu)架的疲勞強度評估采用將動載荷轉(zhuǎn)化為13種工況載荷組合來模擬轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的實際受力情況，通過施加13種工況的載荷組合對構(gòu)架的2種模型分別進行了有限元分析,見圖9.

通過設(shè)計的13個工況進行計算得到2個焊接構(gòu)架模型在各工況下的最大主應(yīng)力結(jié)果.建立焊縫后的構(gòu)架模型結(jié)果偏小，說明建立焊縫后結(jié)構(gòu)有所加強，力的分布也較合理，這與焊縫處的單元有關(guān)系，焊縫處建立的單元對結(jié)構(gòu)有加強的作用.有無考慮焊縫細節(jié)的構(gòu)架結(jié)果之間基本相差不大，如果不建立焊縫進行分析有可能使評估結(jié)果偏于保守.

從有限元分析的后處理結(jié)果中分別導(dǎo)出構(gòu)架各工況的應(yīng)力計算結(jié)果，找到轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的10個節(jié)點，原則是選擇根據(jù)以往的計算報告和文獻分析的壽命較短的位置，并且主要分析焊縫焊趾位置的疲勞危險點，對比這些節(jié)點在各工況下最大主應(yīng)力結(jié)果的最大、最小應(yīng)力值，并求出其平均應(yīng)力，將這些節(jié)點的應(yīng)力值標(biāo)記在Goodman曲線圖上，并按照節(jié)點應(yīng)力對應(yīng)的Goodman疲勞曲線對應(yīng)計算其安全系數(shù)，判定安全系數(shù)是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的最低安全系數(shù).圖10為2種焊縫單元模型的Goodman曲線疲勞強度評估結(jié)果.

2種模型的相同關(guān)注點的安全系數(shù)差別見表1，其中無焊縫模型的安全系數(shù)普遍較小，說明由于沒有建立焊縫使板殼交界線處的應(yīng)力集中增大，從而導(dǎo)致應(yīng)力結(jié)果分散性加大，計算應(yīng)力大于實際應(yīng)力，因此做出了較為保守的評估；而采用建立焊縫的構(gòu)架有限元模型計算得到的結(jié)果顯示，構(gòu)架危險點具有較大的安全系數(shù)，若采用該種建模計算方法，對構(gòu)架的疲勞強度評估更合理準(zhǔn)確.

從結(jié)果中對比各工況得到這些節(jié)點對應(yīng)最大主應(yīng)力的最大、最小應(yīng)力值，對比這些節(jié)點在各工況下最大主應(yīng)力結(jié)果的最大、最小應(yīng)力值.

表1 兩種焊接構(gòu)架的安全系數(shù)

4 結(jié)論

1)與實體單元考慮焊縫的模型相比，采用考慮焊縫的板殼建模方法能夠得到較高精度的結(jié)果，而采用不建立焊縫的板殼模型會使應(yīng)力結(jié)果在焊縫首尾局部位置產(chǎn)生較大的誤差；在精確評價焊趾位置的應(yīng)力時，應(yīng)考慮焊縫對其局部應(yīng)力的影響.

2)采用最大主應(yīng)力法對焊接構(gòu)架疲勞強度進行分析時，不考慮焊縫細節(jié)的板殼模型與考慮焊縫的板殼模型相比，其計算其結(jié)果較保守，在焊縫附近的應(yīng)力相對分散；而建立考慮焊縫的板殼模型，其計算結(jié)果得到的疲勞強度安全系數(shù)相對較大.

3)構(gòu)架建模方法對疲勞強度的結(jié)果影響是局部的，而且總體上影響不是很顯著，所以工程設(shè)計中采用偏于保守的無焊縫的構(gòu)架建模方法是可行的，對構(gòu)架的整體方案設(shè)計具有參考意義.

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Evaluation method of fatigue strength for welding bogie frame on railway vehicle

LUYaohuia,XIANGPenglina，ZENGJingb,CHENTianlib

(a.School of Mechanical Engineering; b. Traction Power State Key Laboratory, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031,China)

Since bogie frame is a typical welding structure, and weld line is the weakest part of fatigue failure, it is extremely important to evaluate its fatigue strength on welding position correctly. First, a simple welding structure in three different modeling methods was established and the comparison analysis based on the results was presented.Second, two bogie frames with different details on welding position were modeled, and the results of two finite element models on simulative working conditions were carried out with reference to UIC 515—4 standard. Then, the fatigue strength evaluation and comparison of two bogie frames were carried out by using the modified Goodman curve. The result shows that the modeling method of weld joints has a significantly influence on stress results. Using bogie frame model without welding line to assess fatigue strength inclines to safe side, which is feasible in engineering field. This paper can provide references for design and fatigue assessment of bogie frame.

vehicle engineering; bogie frame; welding structure; fatigue strength analysis; Goodman curve

1673-0291(2016)06-0083-06

10.11860/j.issn.1673-0291.2016.06.014

2015-12-27

國家自然科學(xué)基金資助項目(51275428)；西南交大研究生創(chuàng)新實驗實踐項目資助(YC201502108)

盧耀輝(1973—)，男，甘肅武威人，副教授，博士.研究方向為車輛及發(fā)動機結(jié)構(gòu)疲勞強度可靠性及動力學(xué). email: yhlu2000@swjtu.edu.cn.

U270.12

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