吳磊,趙文平,侯亞輝,董長祿,李志申,果立奎

(中車唐山機車車輛有限公司 產品技術研發(fā)中心，河北 唐山 063000)*

目前動車組已經陸續(xù)進入五級修階段.檢修初期的制度問題逐漸凸顯，車體的疲勞壽命則是車體壽命的重要指標，指標的高低對動車組經濟性和列車人員安全性密切相關.研究高速動車組剩余疲勞壽命構建完善的評價體系，具有國家戰(zhàn)略意義[1].

英國的BS7608標準基于名義應力法的焊接結構疲勞分析，工程應用性不強，用有限元法計算應力又難保證焊縫上應力集中位置應力值的準確性，而焊縫上的應力集中對疲勞壽命的預測極其重要.

2007年頒布的美國ASME標準中提出焊接結構焊縫的疲勞壽命評估中的結構應力法，是一種可以相對準確計算焊縫疲勞壽命的最新方法.采用網格不敏感結構應力MSS計算方法及一條主S-N曲線預測焊接結構焊縫上的疲勞壽命[2].并指出結構應力是由外力引起的，反映了與應力集中相關的焊縫上應力，而等效結構應力則是運用斷裂力學原理推導出來的，對影響疲勞評估因素的綜合考慮，其值與疲勞壽命相關聯(lián).

本文利用主S-N曲線法疲勞壽命評估平臺結合邁納爾損傷累計法則對車體殘余壽命和服役性能進行了評估，同時驗證主S-N曲線進行動車組車體焊接接頭疲勞壽命評估方法的可靠性和準確性.

1 車體設計疲勞壽命評估

利用HyperMesh17建立車體有限元模型，網格采用四節(jié)點薄殼單元為主，三角形單元為輔，采用柔性單元模擬車輛吊掛設備.根據EN12663標準對車體模型進行疲勞工況加載，即分別在橫向、縱向、垂向加載±0.15 g加速度載荷.

按照上述加載方式，在車體上選擇第一主應力大的焊接接頭作為可能的危險焊縫(42條)進行疲勞壽命計算.另外由于車體還有點頭、搖頭、側滾的運動形式，所以除了通過EN12663標準選擇的焊縫外，還分別通過三個轉動工況(施加單位角加速度)按上述原則選擇可能的危險焊接接頭進行補充(3條).

在門角附近的3號焊縫和車體底架上共選擇了45條焊縫進行疲勞壽命的計算. 表1僅顯示具有危險性相對較大的3類焊縫信息.

表1 車體焊接接頭加載的第一主應力 MPa

按照EN12663標準，結合鋁合金主S-N曲線進行車體危險焊縫設計壽命的評估.通過Ansys計算得出車體焊縫各個節(jié)點的節(jié)點力，通過疲勞壽命計算軟件Fe-Weld，按照EN12663標準中疲勞工況進行加載，得到車體各個焊縫循環(huán)一千萬次的損傷.根據動車組運行30年的損傷等效于車體焊縫在EN12663標準中疲勞工況下循環(huán)一千萬次的損傷換算得出車體焊縫的設計壽命，其中壽命最小的焊縫在EN12663標準中疲勞工況加載下的設計壽命如表2所示，疲勞壽命較短的焊縫為weld3，設計壽命為48.24年，符合設計標準要求，有較好的抗疲勞強度.按照運行了十年計算，剩余壽命為38.24年[3].

表2 應力較大的焊縫的損傷及設計壽命

2 實測低頻載荷譜

線載荷譜提供了車輛運行時啟動，勻速運行，制動和出入庫四個工況的加速度載荷譜，列車1天的運行工況載荷譜見圖1所示.按照通常情況規(guī)定樣本每天停靠33個車站.下面做簡要說明.載荷譜包含四種工況如表3所示.

表3 載荷譜的四種工況

動車組車體的剛體模態(tài)頻率均低于2 Hz，因此對測試進行3Hz的低通濾波，考慮低頻載荷對車體疲勞損傷的影響.各個工況給出的載荷譜分為六個分量，沉浮、點頭、側滾、橫擺、搖頭、伸縮加速度.因為車體做剛體運動的模態(tài)小于3 Hz，獲取在線載荷譜時將車體看作剛體，所以將在線載荷譜數據進行3Hz低通濾波[4].

車體剛體模態(tài)試驗結果見表4.

表4 車體剛體模態(tài)試驗結果 Hz

圖1 列車一天運行工況

因為車體做剛體運動的模態(tài)小于3 Hz，獲取在線載荷譜時將車體看作剛體，所以將在線載荷譜數據進行3 Hz低通濾波.各個工況中典型的載荷譜如圖2～圖5所示.

圖2 啟動工況典型加速度載荷譜

圖3 勻速運行工況典型加速度載荷譜

圖4 制動工況典型加速度載荷譜

圖5 出入庫工況典型加速度載荷譜

3 在線載荷譜下車體剩余壽命計算

工況約束條件及焊縫位置同第1節(jié).在車體上選取的45條危險焊縫中，給出位于門角的典型焊縫(3號)焊縫在橫移運動，伸縮運動，沉浮運動，點頭運動，搖頭運動，側滾運動時的結構應力及等效結構應力.

選取ASME標準中經過驗證的鋁合金的主S-N曲線，并結合在線載荷譜，在疲勞壽命評估平臺Fe-Weld中對車體危險焊縫剩余壽命進行評估[5].結果顯示，3號焊縫剩余壽命最短，剩余壽命為39.97年.其余焊縫壽命較長，有較好的抗疲勞性能.車體危險焊縫中最危險的兩條焊縫在啟動、勻速運行、制動以及出入庫階段的損傷和剩余壽命如表5所示.

表5 車體危險焊縫剩余壽命 年

4 車體關鍵典型部件無損探傷

依據前述的思路，先對車體關鍵典型部件進行無損探傷檢測，獲得初始缺陷形狀與尺寸，再將其等效并仿真模擬成結構中等長的初始裂紋，就可以進行剩余壽命的評估.考慮到探傷取材的工藝性和可行性，將研究對象選定為車體系統(tǒng)關鍵部件-車下框架.

焊縫位置如圖6所示.檢測結果見表6.

圖6 測點位置及編號

表6 無損探傷檢測數據 mm

5 線載荷譜下車體框架剩余壽命計算

利用HyperMesh17建立車體有限元模型，網格采用四節(jié)點薄殼單元為主，少量三角形單元為輔的整體有限元視圖.依據有限元仿真結果在車體框架上選取危險焊縫，選取的焊縫在各工況下的第一主應力如表7所示.在車體框架上選取的5條危險焊縫中，48號焊縫板厚5 cm，存在沿板厚方向1 mm深的初始裂紋(a/t=0.2).以48號焊縫的結構應力及等效結構應力為例.對比48號焊縫無初始裂紋和有初始裂紋的結構應力及等效結構應力圖可知，初始裂紋的存在會導致等效結構應力的增大，剩余疲勞壽命減小的試驗結果.

表7 車體框架焊縫按照EN12663標準加載的第一主應力

取鋁合金主S-N曲線方法進行車體框架危險焊縫剩余壽命的評估[6].

各條焊縫無損傷時在啟動、勻速運行、制動以及出入庫階段的損傷和運行30年的總損傷如表8所示.

含初始裂紋的車體框架在實測載荷譜下運行30年損傷最大值出現在48號焊縫處，損傷為1.24E-05，損傷值較小，有較好的抗疲勞性能.

表8 含損傷車體框架危險焊縫剩余壽命

6 結論

(1)ASME標準中鋁合金的主S-N曲線是準確的，用來進行焊接接頭疲勞壽命評估可靠性較高;

(2)根據EN12663標準中疲勞工況評估車體焊接接頭設計疲勞強度，剩余壽命38.24年，滿足動車組使用壽命30年的標準要求;

(3)在實測載荷譜下評估車體焊接接頭設計疲勞強度，剩余壽命39.97年，滿足動車組使用壽命30年的標準要求;

(4)在實測載荷譜下評估車體框架焊接接頭設計疲勞強度，疲勞損傷值為1.24E-05，損傷較小.