代魯平， 白從凱， 楊蕭

（中車山東機車車輛有限公司，濟南250022）

0 引 言

軌道車輛在運行過程中承受復雜多變的多軸載荷，在長期的交變載荷作用下，其關鍵承載部件在應力范圍較大的部位易形成疲勞損傷并逐漸累積，直至疲勞破壞并造成不可估量的損失。故在設計階段需要不斷進行結構優(yōu)化和強度評估；在生產階段需要嚴格把控制造質量，尤其是應力較高的部位；在運營階段需要一直監(jiān)測車輛的性能，對疲勞薄弱點進行后評估。

目前國內對焊接結構的疲勞仿真評估和試驗研究主要借鑒國外研究的標準和規(guī)范，如B12/PR17報告、FKM、IIW、BS7608、Eurocode3和DVS1612等。德國焊接學會根據(jù)軌道車輛焊接結構的特點編寫了DVS1612《軌道車輛結構焊接接頭設計和疲勞強度評估》，標準中規(guī)定的數(shù)據(jù)和評估方法代表了本行業(yè)最新研究成果，有必要對標準中的內容進行研究，并轉化應用到我國軌道車輛焊接結構的疲勞強度評估中。

1 DVS1612疲勞評估流程

DVS1612標準考慮了EN12663和EN13749規(guī)范規(guī)定的設計載荷，并結合焊縫處理和質量保證的EN15085-3規(guī)范，對車輛用焊接結構疲勞強度評定提供參考[1]。采用DVS1612進行焊縫疲勞仿真評估的流程如表1所示。

2 EN15085的焊接質量要求

DVS1612焊縫疲勞評估結合EN15085-3規(guī)范[2]的焊縫處理和質量保證，用以確定焊接接頭的缺口殼線。涉及的內容包括焊接接頭的應力等級、安全等級、性能等級和檢查等級的確定。

表1 焊縫疲勞仿真評估流程

焊接接頭的應力等級、安全等級、性能等級、檢查等級，以及由此確定的接頭檢驗方式之間的關系如表2所示。如果某些部位的檢測方式不能達到更高的要求，可以在設計時通過結構優(yōu)化降低此部位的應力等級來實現(xiàn)。

3 DVS1612疲勞評估的相關理論

3.1 疲勞強度評估的MKJ圖

DVS1612標準中規(guī)定了軌道車輛兩種常用材料S355和S235鋼材的MKJ圖。對于屈服強度介于S355和S235的鋼材可通過線性插值來修正對應材料的缺口曲線A至D的疲勞強度值；對于屈服強度高于S355的材料，母材缺口曲線A可通過線性插值來提高，其他缺口曲線（曲線AB至F2）可參照S355的值。

表2 接頭應力等級、安全等級、性能等級、檢查等級和檢測方式關系表

DVS1612標準中規(guī)定的母材疲勞特性為正應力A和AB 兩個等級，剪應力G+等級，焊縫的疲勞特性為正應力從B到F3十個等級，剪應力從G到H-五個等級。

DVS1612標準適用于板材厚度≥2 mm和部分≥1.5 mm的鋼焊接接頭類型的耐久強度設計和評估。標準中的材料數(shù)據(jù)生存概率不小于95%，最小循環(huán)次數(shù)為2×106次。MKJ圖中的許用疲勞強度值包括安全因數(shù)1.5（表示平均值），因此大約對應于存活概率Pü=99.5%。

3.2 許用疲勞應力及修正

式中：σzul,Rσ為許用疲勞拉應力；σzul,κ為許用疲勞壓應力；τzul,Rτ為許用疲勞剪應力；Rσ為正應力比，Rσ=σmin/σmax；σmax為拉應力范圍內出現(xiàn)的最大正向應力；σmin為拉應力范圍內出現(xiàn)的最小正向應力；κ為壓應力范圍內的應力比，κ=σu/σ0=1/Rσ；σ0為峰值應力出現(xiàn)在壓應力范圍內，絕對項中的較高應力；σu為低應力出現(xiàn)在壓應力范圍內，絕對項中的較低應力；Rτ為剪切應力比，Rτ=τmin/τmax；τmax為平行于焊縫的最大剪切應力；τmin為平行于焊縫的最小剪切應力；x為缺口殼線指數(shù)，取值見DVS1612標準中的表4.1和表4.2；τmax,R=-1為應力比為-1的許用剪應力，取值見DVS1612標準中的表4.3。

式（1）～式（3）中的許用疲勞應力值適用于2≤t≤10 mm的板材厚度范圍，對于10

式中：t為板材厚度；σ∥,zul為平行于焊縫的許用正應力；σ⊥,zul為垂直于焊縫的許用正應力；τzul為許用剪應力；σ∥,zul,t為修正后的平行于焊縫的許用正應力；σ⊥,zul,t為修正后的垂直于焊縫的許用正應力；τzul,t為修正后的許用剪應力。

4 案例解析

某國外地鐵工程車轉向架構架為鋼焊接結構，鋼板材質為S355。構架橫梁與側梁腹板插接的焊縫受力狀況比較復雜，為構架的關鍵焊縫。選擇此焊縫作為仿真對象具有代表性，如圖1所示。

圖1 構架整體結構圖

4.1 構架應力計算

對上述構架結構進行模型簡化、網(wǎng)格劃分，并采用EN13749[3]的工況組合對其進行疲勞仿真分析。疲勞載荷工況組合共16個，包含垂向載荷、橫向載荷、縱向載荷、扭轉載荷、菱形載荷、慣性載荷、制動載荷和阻尼載荷等工況及組合。完成求解后提取評估焊縫的最大和最小應力，并依據(jù)最大應力和最小應力計算應力比。

在進行焊縫疲勞強度評估時，采用仿真模型中距焊縫1.0～1.5個板厚位置的名義應力，即沿焊縫和垂直于焊縫方向的正應力及沿焊縫方向的剪應力。此關鍵焊縫的應力如表3所示。

4.2 確定缺口殼線

該關鍵焊縫為單面坡口的T形接頭，部分焊透，焊縫進行10%的磁粉探傷。根據(jù)DVS1612標準中T形接頭的缺口殼線參數(shù)，可查得沿焊縫方向的正應力為D+，垂直于焊縫方向的正應力為F3；剪切應力的缺口曲線采用H-。

表3 關鍵焊縫的最大、最小應力及應力比

4.3 確定許用疲勞應力

根據(jù)最大最小應力確定此處關鍵焊縫所處的應力區(qū)為拉應力區(qū)或是壓應力區(qū)，由此選擇許用疲勞應力公式并根據(jù)應力比和缺口殼線的參數(shù)計算此關鍵焊縫的許用疲勞應力。此處關鍵焊縫的名義應力為構架腹板上的應力，腹板的板厚為14 mm，還需要按照公式（4）對許用疲勞應力進行折減。計算所用公式、參數(shù)及計算結果如表4所示。

表4 許用疲勞應力相關參數(shù)及結果

4.4 確定利用度和結果評估

DVS1612中規(guī)定，接頭的利用度由疲勞應力計算值比疲勞許用值得到。每個應力分量應分別滿足公式（5），且組合應力應滿足公式（6）：

取表3中最大應力和最小應力中的絕對值大值作為疲勞應力的計算值，并與表4中得到的許用疲勞應力做比較，按照式（5）和式（6）得到的利用率和評估結果如表5所示。

5 結 語

本文介紹了DVS1612的疲勞評估流程和相關理論，并以某國外地鐵轉向架構架為例，采用DVS1612 標準進行了關鍵焊縫的疲勞強度評估，結果表明該焊縫的疲勞利用率小于1，滿足標準要求，可進行下一步的輕量化設計。

表5 焊縫疲勞利用率計算結果

通過對標準研究發(fā)現(xiàn)，提高焊接結構疲勞強度可通過以下方式進行：1）對結構進行優(yōu)化，降低焊接接頭的應力范圍。2）提高焊接接頭的缺口殼線的等級，提高疲勞許用應力。a.更改焊接類型，提高缺口殼線等級，如搭接改為對接；部分焊透改為全焊透；單面焊改為雙面焊等。b.進行焊縫工藝處理，提高缺口殼線等級，如焊縫打磨等。c.調整焊縫性能等級、檢查等級和探測方式。

DVS1612標準中規(guī)定的數(shù)據(jù)和評估方法代表了本行業(yè)最新研究成果，有必要轉化應用到我國軌道車輛焊接結構的疲勞強度評估中，為我國軌道車輛焊接結構的疲勞評估提供一定的指導和理論依據(jù)。