謝素明，王家興，程亞軍，聶春戈

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028；2 中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研發(fā)中心，吉林 長春 130062 )

列車高速穿越隧道時，動車組車體承受的氣動壓力瞬間發(fā)生相當(dāng)大的變化，氣動壓力耦合到車體結(jié)構(gòu)上即為結(jié)構(gòu)承受的外部載荷.在已經(jīng)開通的高速列車線路中，大多數(shù)線路都有數(shù)量不等的隧道，即列車在隧道內(nèi)高速運(yùn)行已成為常態(tài).這種頻繁的、交變的氣動載荷為車體結(jié)構(gòu)帶來了不少問題.例如，動車組車體剛度不足導(dǎo)致的擠壓變形問題、動車組設(shè)備層艙裙板支架焊縫的開裂問題、裙板鎖的松動問題等，嚴(yán)重威脅著列車運(yùn)行的安全性.

目前，在高速列車車體結(jié)構(gòu)氣動疲勞問題研究方面已經(jīng)開展了不少工作，王前選等[1]利用車體交變氣動載荷試驗(yàn)裝置對新造車體進(jìn)行疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，測得的壓力波形與現(xiàn)場試驗(yàn)測得的車內(nèi)外壓力差曲線基本吻合；張德文[2]采用順序耦合的方法研究會車壓力波對車體疲勞強(qiáng)度的影響，總結(jié)出在短隧道入口效應(yīng)的影響下產(chǎn)生的氣動載荷對車體疲勞強(qiáng)度的影響相比于長隧道更為顯著；宋燁等[3]在氣動載荷工況與其他疲勞載荷作用下，利用Goodman疲勞極限圖來評定高速列車車體的疲勞強(qiáng)度，指出車體同時承受氣動載荷和縱向載荷時較為惡劣，容易在車體窗角的位置產(chǎn)生失效.

本文依據(jù)EN1999-1-3[4]、IIW-2008[5]及ASME-2007[6]標(biāo)準(zhǔn)中焊接接頭的疲勞評估方法，研究具有不同焊接工藝的鋁合金對接接頭的疲勞強(qiáng)度，總結(jié)這些方法的特點(diǎn)及分析步驟.在GB/T 32059-2015[7]標(biāo)準(zhǔn)中氣動疲勞載荷作用下，研究某高速動車組鋁合金車體焊接結(jié)構(gòu)的疲勞性能，識別出車體疲勞薄弱部位.

1 鋁合金焊接接頭的疲勞性能分析方法

高速動車組鋁合金車體、車頂、側(cè)墻、底架部件的型材連接主要為對接接頭，如圖1所示.當(dāng)前，動車組鋁合金車體疲勞設(shè)計時接頭疲勞評估方法不僅采用基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)和EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)中的名義應(yīng)力法，也開始采用基于斷裂力學(xué)理論的ASME-2007標(biāo)準(zhǔn)中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法.接下來通過對鋁合金對接接頭的疲勞評估，總結(jié)上述標(biāo)準(zhǔn)中分析方法的特點(diǎn)與流程.

圖1 車體部件的型材對接接頭示意圖

無墊板和帶墊板的鋁合金對接接頭焊縫形式參照EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)中的接頭類型7.3.1和7.4.1，分析接頭疲勞時，約束試樣的左端、右端承受拉力為0～6 kN.試樣及焊縫尺寸見圖2，圖中長度單位為mm.

(a) 基本尺寸

1.1 焊接接頭疲勞評估的名義應(yīng)力法

依據(jù)IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)和EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)中的名義應(yīng)力法對接頭進(jìn)行疲勞分析時，兩個關(guān)鍵步驟是：接頭名義應(yīng)力的計算和接頭S-N曲線的選取.

兩個標(biāo)準(zhǔn)中將名義應(yīng)力(或標(biāo)稱應(yīng)力)定義為忽略焊接接頭的局部應(yīng)力增長效應(yīng)，在所研究的截面中計算出來的應(yīng)力.利用有限元方法獲得的無墊板對接接頭區(qū)域的應(yīng)力分布曲面如圖3所示，圖中曲面上應(yīng)力梯度近似為零的“平坦區(qū)域”(距離焊縫1.0～1.5 mm板厚的位置)的應(yīng)力為“名義應(yīng)力”[8].

在EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)中無墊板和帶墊板的鋁合金對接接頭的主要壽命次數(shù)對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度值見表1，對應(yīng)的Δσ-N曲線如圖4所示.圖中兩接頭的Δσ-N曲線是平行的，其中：線段a的斜率m1=4.3，其方程為式(1)；線段b的斜率m2=6.3，其方程為式(2)；兩線段交點(diǎn)對應(yīng)的壽命次數(shù)為5×106；線段c為水平直線；線段b與線段c的交點(diǎn)對應(yīng)的壽命次數(shù)為108.

(1)

(2)

式中：γFf為荷載譜和響應(yīng)分析中考慮到不確定性的分項(xiàng)系數(shù)(建議取值1.0)；γMf為材料和施工不確定性的分項(xiàng)系數(shù)(建議取值1.0)；ΔσC是2×106時的疲勞強(qiáng)度值，F(xiàn)AT=45時，ΔσC=45.0 MPa；FAT=40時，ΔσC=40.0MPa；Δσi為計算疲勞應(yīng)力范圍.

在IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)中無墊板和帶墊板的鋁合金對接接頭的主要壽命次數(shù)對應(yīng)的疲勞強(qiáng)度值見表2，對應(yīng)的Δσ-N曲線中兩線段的交點(diǎn)對應(yīng)的壽命次數(shù)為107，疲勞強(qiáng)度值為16.4 MPa；第一段直線的斜率m1=3，第二段直線的斜率m2=22，其曲線方程為

表2 IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)中對接接頭的疲勞參數(shù)

N=C/Δσm

(3)

式中，Δσ為計算應(yīng)力范圍，C為常系數(shù).當(dāng)FAT為28時，m1=3，C=4.390×1010；m2=22，C=5.328×1033.壽命次數(shù)大于109之后曲線為水平直線.

承受疲勞載荷垂直于焊縫方向的無墊板和帶墊板的鋁合金對接接頭的名義應(yīng)力分別為30.005 MPa和31.058 MPa，基于EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)和IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)的疲勞分析結(jié)果見表3.

表3 名義應(yīng)力法的對接接頭疲勞分析結(jié)果

由表3可以看出：無墊板的疲勞壽命高于帶墊板的疲勞壽命；基于EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)的無墊板的疲勞壽命約為帶墊板的疲勞壽命的1.68倍；基于IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)無墊板的疲勞壽命約為帶墊板的疲勞壽命的1.11倍.

1.2 焊接接頭疲勞評估的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法

在外力作用下，接頭焊趾假想裂紋截面上沿著厚度方向，與外力平衡的應(yīng)力(膜應(yīng)力σm和彎曲應(yīng)力σb之和)定義為結(jié)構(gòu)應(yīng)力，它滿足平衡條件并可用有限元方法獲得的單元節(jié)點(diǎn)力計算得到.

圖5給出了接頭平面有限元模型的焊趾假想裂紋截面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的數(shù)值計算過程[9]：①提取假想裂紋截面A-A外側(cè)單元的節(jié)點(diǎn)力，并計算截面上各節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)力；②同時變換A-A截面上各節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)力的坐標(biāo)系為局部坐標(biāo)系x′oy′；③基于平衡等效原理，利用節(jié)點(diǎn)力計算合力Fy′和相對于截面中點(diǎn)的彎矩Mz′，然后通過下式計算截面的膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力：

圖5 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布及數(shù)值計算過程示意圖

(4)

通過提取有限元分析結(jié)果的節(jié)點(diǎn)力并運(yùn)用解析法計算焊縫處有限元網(wǎng)格尺寸不敏感的結(jié)構(gòu)應(yīng)力Δσs之后，再借助大量的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)修正獲得由結(jié)構(gòu)應(yīng)力表述的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力[8]：

(5)

其中：裂紋擴(kuò)展指數(shù)m≈3.6；t為板厚；載荷彎曲比的無量綱函數(shù)I(r)采用解析法求解困難，一般通過數(shù)值擬合的方法求得.在載荷控制條件下它的擬合公式為

以等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力表述的鋁材的95%可靠度-2σ的S-N曲線方程

N=(ΔSS/Cd)-1/h

(6)

式中，Cd為2 316.48，h為0.277 12.

無墊板和帶墊板接頭的結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨焊縫長度的變化曲線如圖6所示.利用式(5)和式(6)計算的無墊板和帶墊板接頭的疲勞壽命次數(shù)分別為4 192 290次和 2 852 900次.

圖6 結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨焊縫長度的變化曲線

1.3 名義應(yīng)力法和結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的比較

上述分析的對接接頭型式與承載簡單、容易確定接頭的名義應(yīng)力，在標(biāo)準(zhǔn)中能夠找到完全匹配的焊接接頭，即接頭S-N曲線易于選取.然而，在工程焊接結(jié)構(gòu)中因接頭形式與承載復(fù)雜很難得到接頭區(qū)域的應(yīng)力曲面和接頭的S-N曲線.反觀通過有限元方法和力學(xué)分析方法得到的接頭焊趾假想裂紋截面上沿著厚度方向，與外力平衡的結(jié)構(gòu)應(yīng)力適用于復(fù)雜的焊接接頭形式.同時，由疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證的基于斷裂力學(xué)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的接頭S-N曲線唯一，可明確確定接頭的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和其S-N曲線.

對比以上計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：三種標(biāo)準(zhǔn)的無墊板接頭的疲勞壽命次數(shù)均高于帶墊板的；基于EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)的無墊板接頭疲勞壽命次數(shù)約為帶墊板的1.68倍；基于IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)的無墊板接頭疲勞壽命次數(shù)約為帶墊板的1.11倍；基于ASME-2007標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的無墊板接頭疲勞壽命次數(shù)約為帶墊板的1.47倍；EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)的接頭壽命次數(shù)最大，結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的次之，IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)的最小.

2 動車組車體焊接結(jié)構(gòu)氣動疲勞性能分析

參照GB/T 32059-2015標(biāo)準(zhǔn)確定高速動車組鋁合金車體作用于車頂和側(cè)墻外表面的兩個氣動疲勞載荷工況為：①±4 500 Pa，循環(huán)100萬次；②±6 000 Pa，循環(huán)20萬次.

2.1 名義應(yīng)力法的車體薄弱部位識別

在氣動疲勞載荷工況作用下，基于IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)與EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)中名義應(yīng)力法對車體焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析，接頭焊縫累積損傷較大的部位見圖7，相關(guān)計算結(jié)果見表4.

圖7 車體焊縫氣動疲勞薄弱位置示意圖

表4 車體氣動疲勞薄弱部位的識別結(jié)果

結(jié)合圖7及表4可以看出：焊縫Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ在兩標(biāo)準(zhǔn)中選取的接頭FAT等級是一樣的，但是焊縫Ⅰ、Ⅱ通過IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)計算得出的累計損傷值高于EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)，焊縫Ⅴ則相反.究其原因是由兩種標(biāo)準(zhǔn)的該接頭S-N曲線的差異造成的.兩標(biāo)準(zhǔn)中FAT28級接頭的S-N曲線如圖8所示，兩條S-N曲線相交于兩點(diǎn)，將曲線分成3個區(qū)間.焊縫Ⅰ和Ⅱ的接頭名義應(yīng)力值位于①區(qū)間時，基于IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)的疲勞壽命次數(shù)高于基于EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)的，故由前者計算的損傷低于后者的；焊縫Ⅴ的接頭名義應(yīng)力值位于②區(qū)間，所以基于EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)的疲勞壽命次數(shù)高于基于IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)的，故由EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)計算的損傷低于IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)計算的.

圖8 兩標(biāo)準(zhǔn)中FAT28級接頭的S-N曲線

2.2 關(guān)鍵焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析與疲勞評估

在氣動疲勞載荷工況作用下，對表4中累積損傷較大的焊縫Ⅰ和焊縫Ⅱ的接頭焊趾進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，這兩條焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨焊縫長度的變化曲線如圖9.由圖9(b)可以看出司機(jī)室側(cè)窗的立柱與地板角焊縫即焊縫Ⅱ的結(jié)構(gòu)應(yīng)力在立柱拐角處存在著一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象.

(a) 焊縫Ⅰ

選用結(jié)構(gòu)應(yīng)力法中的95%可靠度-2σ的S-N曲線對焊縫Ⅰ和焊縫Ⅱ進(jìn)行疲勞分析，其累積損傷分別為0.736和0.658.與表4中這兩條焊縫的名義應(yīng)力計算結(jié)果對比可知：由結(jié)構(gòu)應(yīng)力法得到的累積損傷低于由名義應(yīng)力法得到的；由EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)得到的累積損傷大于由IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)得到的.

3 結(jié)論

(1)承受拉伸載荷的對接接頭名義應(yīng)力選取位置為接頭應(yīng)力曲面上應(yīng)力梯度近似為零的“平坦區(qū)域”，約為距焊縫1倍板厚的距離；結(jié)構(gòu)應(yīng)力選取位置為接頭焊趾沿厚度方向的截面；

(2)無墊板的鋁合金對接接頭焊縫疲勞壽命次數(shù)高于帶墊板的疲勞壽命次數(shù).基于EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)的無墊板接頭疲勞壽命次數(shù)約為帶墊板的1.68倍；基于IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)的無墊板接頭疲勞壽命次數(shù)約為帶墊板的1.11倍；基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的無墊板接頭疲勞壽命次數(shù)約為帶墊板的1.47倍；

(3)在氣動疲勞載荷工況作用下，車體司機(jī)室側(cè)窗角焊縫、司機(jī)室與地板角焊縫等累積損傷較大；利用IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)和EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)的名義應(yīng)力法評估焊縫Ⅰ、Ⅱ和Ⅴ時，即使接頭的名義應(yīng)力和接頭FAT等級相同，他們的累積損傷值也不同，需要結(jié)合S-N曲線共同判斷.基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的焊縫Ⅰ和焊縫Ⅱ的累積損傷分別為0.736和0.658，低于由名義應(yīng)力法得到的；而由EN1999-1-3標(biāo)準(zhǔn)得到的累積損傷大于由IIW-2008標(biāo)準(zhǔn)得到的.建議高速動車組抗疲勞設(shè)計時重點(diǎn)關(guān)注司機(jī)室區(qū)域的焊縫.