許慶霞

（青島四方龐巴迪鐵路運(yùn)輸設(shè)備有限公司，山東 青島266111）

1 概述

隨著軌道車輛研發(fā)水平的提高，車輛輕量化的需求，鋁合“金材料以質(zhì)量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，在軌道車輛得到廣泛的應(yīng)用。德國鐵路鋁合金焊接接頭設(shè)計(jì)及疲勞強(qiáng)度評估標(biāo)準(zhǔn)DVS1608，2010 版”中疲勞強(qiáng)度評估方法，可以極便利的在設(shè)計(jì)中運(yùn)用，使焊縫設(shè)計(jì)與生產(chǎn)及質(zhì)檢統(tǒng)一起來。本文使用有限元軟件建立砂箱有限元模型,用DVS1608 評估方法來評估焊縫疲勞。

2 DVS1608 疲勞強(qiáng)度評估方法

鋁合金構(gòu)件對應(yīng)的疲勞壽命為1×107次，存活率為97.5%。

DVS1608-2010 采用距離焊縫5mm 處應(yīng)變片應(yīng)力進(jìn)行評估。評估應(yīng)力包括平行及垂直于焊縫的正應(yīng)力，及相應(yīng)剪應(yīng)力。定義所有疲勞工況下平行及垂直于焊縫的正應(yīng)力應(yīng)力幅，及相應(yīng)剪應(yīng)力應(yīng)力幅分別為σa∥，σa⊥及τa，對應(yīng)的許用值為σap∥，σap⊥及τap。定義應(yīng)力幅與許用應(yīng)力幅的比值為利用系數(shù)，分別為Uf⊥，Uf∥，Ufτ，并設(shè)焊縫應(yīng)力由相鄰單元的應(yīng)力計(jì)算得到。

對于鋁合金構(gòu)件根椐DVS 1608，焊縫疲勞強(qiáng)度利用系數(shù)由下式進(jìn)行評估：

垂直于焊縫強(qiáng)度利用系數(shù)：

平行于焊縫強(qiáng)度利用系數(shù)：

焊縫剪切強(qiáng)度利用系數(shù)：

焊縫合成疲勞強(qiáng)度利用系數(shù)UFe根據(jù)以下公式計(jì)算：

焊縫的最大利用系數(shù)可表示為：

根據(jù)DVS 1608，焊縫疲勞強(qiáng)度利用系數(shù)應(yīng)該滿足：UFmax燮1.0。

σa⊥zul、σa||zul和τzul由DVS 1608 獲得。該值與焊縫類型、焊接等級、受力方向、應(yīng)力比、屈服強(qiáng)度、板厚等眾多因素相關(guān)。許用正應(yīng)力幅和許用剪應(yīng)力幅分別見公式（6）和（7）：

公式（6）和（7）中x 取值值考慮了焊縫類型，焊接等級等。Mσ為平均正應(yīng)力影響系數(shù)，Mτ為平均剪應(yīng)力影響系數(shù)。Mσ=0.15，Mτ=0.09。

厚度對焊縫許用疲勞強(qiáng)度的影響如下：

3 砂箱焊縫疲勞強(qiáng)度計(jì)算

圖1 是某高速動車組砂箱，材料為EN-AW-5083。

圖1 砂箱幾何模型

3.1 砂箱有限元模型

砂箱有限元模型在Hypermesh 中建立，砂箱用殼單元模擬，梁單元用來模擬螺栓，砂子用質(zhì)點(diǎn)來模擬。有限元模型見圖2。

圖2 砂箱有限元模型

3.2 疲勞工況

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EN12663：2010《鐵路應(yīng)用- 鐵路車輛結(jié)構(gòu)要求》規(guī)定的P-Ⅱ類疲勞強(qiáng)度載荷進(jìn)行計(jì)算。

3.3 砂箱焊接

因DVS1608 評估焊縫疲勞強(qiáng)度時，已經(jīng)考慮焊縫類型，焊接等級等影響，所以不需要建焊縫有限元模型，而取焊縫位置的單元應(yīng)力進(jìn)行評估。砂箱的焊接信息見圖3。

圖3 砂箱焊接類型

根據(jù)相應(yīng)焊縫類型、所評估應(yīng)力方向（垂直或平行于焊縫）、焊縫安全等級等從DVS1608 表C-1.1-3.2 確定曲線，并確定x值，求得相應(yīng)許用應(yīng)力幅，并進(jìn)行疲勞評估。

3.4計(jì)算結(jié)果及結(jié)論

圖4 焊接疲勞強(qiáng)度利用系數(shù)

砂箱焊縫最大利用系數(shù)為0.05<1，滿足DVS1608 要求。

4 結(jié)論

本文用DVS1608 標(biāo)準(zhǔn)評估了高速動車組砂箱焊縫的疲勞強(qiáng)度，驗(yàn)證了砂箱設(shè)計(jì)的合理性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師提供了依據(jù)。