周 茜 但 龍

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

1 簡介

國外在高速動車組運行的同時，對高速動車組的各項關鍵零件部件的疲勞強度進行了大量的研究。歐洲以及日本學者在進行大量疲勞實驗與線路動應力試驗的基礎上，制定了機車車輛承載部件結構設計以及強度考核的一系列標準。目前，國外對焊接結構疲勞的試驗標準包括JIS 4207、BS 7608、DVS 1612、IIW 1832、UIC 515 等。疲勞分析的方法也包括各個標準中所涉及的名義應力法、熱點應力法、主S-N 曲線法、斷裂力學法等。這些方法也有各自的優(yōu)點與缺點。

目前，常用的2 種焊縫強度評估方法是基于名義應力與焊縫質量等級的強度評估法和基于應力極限圖的強度評估法。DVS 和IIW 等標準以及相關文件包括了焊縫等級劃分的焊接接頭強度評估方法。這種方法需要將焊縫根據(jù)接頭形式劃分為不同的質量等級，然后根據(jù)不同的質量等級，選擇不同的S-N曲線或應力極限圖進行強度評估或壽命計算。因此，需要通過大量的實驗來確定不同質量等級焊縫的S-N曲線和應力極限線圖。

另一種焊縫強度評估方法不需要對焊縫進行質量等級劃分，直接在焊趾處（或焊趾附近）用應變片采集應力數(shù)據(jù)即可。該方法包括了應力集中、殘余應力和焊縫結構形式等影響因素，是國內軌道車輛企業(yè)常用的一種強度評估方法。此前，我國機車車輛各關鍵承載部件的疲勞強度的評估主要是參照ERRI（European Rail Research Institute）B12/RPl7 報告給出的方法和Goodman 曲線進行評定。另外，日本的JIS E 4207也采用了類似的應力極限圖對焊接結構進行疲勞強度評估[1]。

在高速動車組鋼制焊接結構的強度評估中，被參考較多的是日本的JIS E 4207 標準，但是該標準中的疲勞容許應力的測試條件不夠明確，其數(shù)值的適用性也有待檢驗，導致工程技術人員在進行鋼制焊接結構的強度評估時無法很好的把握。鑒于此，該文針對JIS E 4207 標準中關于高速動車組鋼制焊接結構疲勞強度評估中的疲勞容許應力展開實驗研究與分析驗證，以期為工程設計人員合理評估高速動車組鋼制焊接結構疲勞強度提供依據(jù)。

同時，為了減少焊縫的打磨工作量，需要得到準確的實際接頭的疲勞性能，對比打磨與非打磨焊縫的差異，為降本增效提供數(shù)據(jù)支撐。

2 焊接結構常用疲勞分析方法

2.1 名義應力法

名義應力法是根據(jù)應力和應力集中系數(shù)，以結構的名義應力為實驗和壽命估算的基礎，結合材料的S-N 曲線，按線性累積損傷理論估算結構疲勞壽命[2]。

名義應力是忽略焊接接頭的局部應力增長效應，而在所研究的截面中計算出來的應力由于復雜的幾何效應，焊接接頭無明確定義名義應力，且結構的不連續(xù)性與分類構件細節(jié)沒有可比性。這種計算方法適用于焊趾的評估。

名義應力的計算：材料力學的梁理論計算公式

2.2 熱點應力法

因為很多實際的焊接結構較為復雜，焊接接頭局部位置的名義應力不能夠被精準地計算，所以工程技術人員越來越重視焊接接頭局部細節(jié)的熱點應力法。熱點應力的計算方法是不考慮裂紋、缺口等因素，只考慮焊接接頭的載荷和宏觀的幾何尺寸[3]，采用線性外推法計算了連接構件表面某一區(qū)域的結構應力，并依據(jù)焊趾的走向和“熱點”在焊接結構中的位置，對“熱點”進行分類。一般情況下，熱點應力法只有在幾何應力集中程度高的時候才適合評估焊接結構的疲勞強度。因此，熱點應力法需要解決的問題是如何提取焊接接頭處的幾何應力，也就是如何提取接頭處的熱點應力以及該熱點處的S-N 曲線。如圖1 所示。

熱點一般分為“a”型熱點和“b”型熱點，如圖2 所示。

圖1 熱點應力的組成

它們主要針對的是平板和立板相連接的焊接結構。“a”型熱點：位于板的表面上的焊趾。“b”型熱點：位于板的端面上的焊趾。

圖2 熱點的類型

2.3 缺口應力法

缺口應力法對于焊跟和焊趾處的疲勞輕度都能夠進行評價。缺口應力是焊接接頭應力集中處的最大應力，包括膜應力、彎曲應力和非線性峰值應力（殘余應力）3 部分[4]，一般有限元計算如圖3～圖5 所示。

圖3 焊趾及焊根的虛擬缺口（rref 為虛擬缺口半徑）

2.4 等效結構應力法（主S-N 曲線法）

等效結構應力法是美國Battelle 實驗室的董平沙教授提出的，董平沙教授以名義應力法為基礎，考慮了接頭類型、載荷、板厚以及應力集中等影響因素，并且通過對大量的實驗數(shù)據(jù)進行對比分析，提出了這種對于網(wǎng)格不敏感的疲勞評價方法。

等效結構應力法是名義應力法與熱點應力法的結合與拓展。與名義應力法相比，前者是對整體進行分析，而等效結構應力法則更側重于局部分析，熱點應力法可以看做二者間的過渡。等效結構應力是結構中緊靠焊趾處的母材所受到的實際應力，一般可以被分解為以下3 個部分，由于拉伸而得到的膜應力為第一部分；由于彎曲作用而得到的彎曲應力為第二部分；為了使截面應力和與外載荷相平衡的自平衡應力為第三部分[5]：

結構應力是使焊接結構疲勞裂紋擴展的主要作用力。結構應力由膜應力和彎曲應力組成，反映了因外載荷導致的應力集中。所以，結構應力是計算焊接結構疲勞強度的必要條件，如圖6 所示。

圖4 角焊縫焊根缺口簡化模型

圖5 結構鋼對接接頭和角焊縫接頭缺口S-N 曲線

圖6 碳鋼的ΔS-N 曲線

3 不同方法的特點分析

3.1 名義應力法的優(yōu)點與缺點

名義應力法具有的優(yōu)點是計算簡單[6]。

名義應力法的缺點有3 個：1）忽略了局部應力與實際結構應力有誤差。2）為了獲得材料的S-N 曲線，由于環(huán)境因素的影響，可能會出現(xiàn)各種偏差，并且還需要花費大量的人力、物力和時間等資源。3）從理論上來說，名義應力法中存在多種焊接形式及焊接等級。在現(xiàn)實工程中，許多結構形式并不是簡單的試驗片的焊接所以選擇焊接強度時有所差異導致誤差。

3.2 熱點應力法的優(yōu)點與缺點

熱點應力法的優(yōu)點是理論上可以使用1 條通用的熱點應力S-N 曲線來代表各種不同接頭焊縫類別的疲勞強度。并且熱點應力也更適用于有限元仿真。

熱點應力法的缺點包括以下3 點：1）在實際和理論中熱點應力并不易求解。2）如果需要確定出線性分布就必須使用其他的推斷方法來確定。3）熱點應力法僅考慮了焊趾處的疲勞失效，并沒有考慮焊根焊縫處疲勞失效的可能性。

3.3 缺口應力法的優(yōu)點與缺點

缺口應力法的優(yōu)點是彌補了針對焊根疲勞評價的盲區(qū)[7]。

缺口應力法的缺點包括以下4 點：1）因為需要考慮焊根與焊趾處微觀特征的影響，所以在建模時有一定難度。此方法不適用于大型結構。2）該方法在應用于評價彈性缺口應力疲勞時，只在彈性階段時評價，并不能評價塑性變形階段。因此使用該方法評價彈性缺口應力疲勞并不可靠。3）該方法有局限性，并不能直接得出裂紋拓展期的疲勞壽命，只能得出萌生期的疲勞壽命，需要與斷裂力學法結合才能得出焊接結構總的疲勞壽命。4）該方法在確定缺口應力時需要復雜的計算或者測試，因此該方法在實際工程中還需要積累經(jīng)驗以及統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

3.4 主S-N 曲線法的優(yōu)點與缺點

主S-N 曲線法相對于名義應力法或熱點應力法來說，不需要比較待測焊接接頭與標準焊接接頭，而是只關注焊趾。因此，這種方法解決了實際工程中焊接結構與焊接接頭不匹配的問題。

主S-N 曲線法的優(yōu)點包括以下3 點：1）不用區(qū)分焊縫類型且只有一條統(tǒng)一的S-N 曲線，省時省力。2）進行有限元分析時與網(wǎng)格的尺寸無關，建模很方便。主S-N 曲線法的缺點是在計算時需要進行有限元精密的網(wǎng)格劃分，不適合對大型的復雜的結構進行分析。3）疲勞試驗只需要求解一條曲線，不需要對每種焊縫類型都進行試驗，節(jié)約了大量的人力物力。

4 結語

綜上所述，每種方法都有各自的特點，在不同標準下使用不同的疲勞分析方法。在工程中，需要找到對應標準下合適的試驗方法與分析方法，才能提高研究效率。