劉 飛，張永貴，曾祥浩

(1.中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111；2.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001)

隨著蘭新高鐵的開通以及中歐班列的常態(tài)化，越來越多的軌道車輛運用在我國西部高海拔地區(qū)，高海拔地區(qū)自然氣候條件比較惡劣，空氣壓力和空氣密度低、氣溫低、溫差大、濕度小、太陽輻射高、降水少等對軌道車輛的服役可靠性提出了更高的要求[1-3]。軌道車輛在運行過程中承受復(fù)雜多變的多軸載荷，在長期的交變載荷作用下，其關(guān)鍵承載部件的應(yīng)力范圍較大部位易形成疲勞損傷，并逐漸累積直至疲勞破壞而造成不可估量的損失[4]。焊接部位是車輛結(jié)構(gòu)中的薄弱點，車輛焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度將決定整個車輛結(jié)構(gòu)的可靠性[5]，而文獻[6-9]等現(xiàn)有國內(nèi)外對焊接結(jié)構(gòu)疲勞校核的標準和規(guī)范均沒有涉及高海拔地區(qū)氣候條件的工況。

高海拔地區(qū)氣候條件中，溫度、濕度及太陽輻射會對焊縫有一定的影響，由于焊縫表面都會有涂層保護，故濕度及太陽輻射對焊縫的影響可以忽略不計。鋁合金、不銹鋼等無低溫脆性的面心立方結(jié)構(gòu)材料在低溫環(huán)境下的焊縫疲勞性能與常溫基本相當[10-13]，故對于高海拔地區(qū)軌道車輛，選用面心立方結(jié)構(gòu)材料時只考慮高低溫環(huán)境對焊縫疲勞性能影響即可。本文以軌道車輛上常見的柜體結(jié)構(gòu)為研究對象，基于疲勞強度評價結(jié)果較保守的FKM標準，同時考慮高低溫對焊縫疲勞性能的影響，提出了一套適用于高海拔車輛零部件焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強度評價方法。

1 柜體結(jié)構(gòu)簡介

圖1為運用于高海拔地區(qū)的某動車組典型柜體結(jié)構(gòu)，其主要材質(zhì)為6005A-T6鋁合金，基本機械性能參數(shù)為：密度2.6×10-6kg/mm3、彈性模量70 GPa、泊松比0.33、屈服強度215 MPa、抗拉強度270 MPa。

圖1 動車組典型柜體結(jié)構(gòu)

6005A-T6鋁合金材料的名義S-N曲線取自FKM標準，如圖2所示。圖2中的曲線有2個拐點，拐點的坐標分別為(ND,σ，σAK)和(ND,σ，Ⅱ，σAK，Ⅱ)，且σAK，Ⅱ=0.74σAK。根據(jù)FKM標準，6005A-T6鋁合金母材對應(yīng)的106次循環(huán)下的疲勞極限σAK=80 MPa，108次循環(huán)下的疲勞極限σAK，Ⅱ=59.2 MPa。

Kσ、KD，σ.S-N曲線斜率。圖2 FKM標準中鋁合金疲勞曲線

2 有限元仿真及應(yīng)力計算

對上述柜體結(jié)構(gòu)進行模型簡化和網(wǎng)格劃分，并采用GB/T 21563—2008《軌道交通 機車車輛設(shè)備 沖擊和振動試驗》中規(guī)定的工況組合對其進行疲勞仿真分析。為了減少計算時間，將加速度的功率譜密度函數(shù)轉(zhuǎn)化為均方根值，并將對應(yīng)方向的均方根值作為靜力載荷進行分析，轉(zhuǎn)化后的載荷工況如表1所示。

表1 GB/T 21563—2008中規(guī)定的載荷工況組合 m/s2

3 焊縫疲勞校核的FKM標準高低溫修正

3.1 FKM標準的焊縫校核方法

FKM標準是目前國際上使用較多的一種焊接疲勞強度評估標準，該標準綜合考慮了構(gòu)件材料、焊接接頭細分類別、表面處理情況、殘余應(yīng)力、載荷等影響因素。FKM標準中，焊接接頭細分類別和板厚因子與國際焊接協(xié)會IIW標準的參數(shù)類似；焊接接頭疲勞等級由焊接接頭形式和焊縫疲勞裂紋出現(xiàn)的位置決定；板厚因子根據(jù)接頭類型和連接件厚度確定。FKM標準提供了常見的表面處理方法，并針對這些方法給出了表面處理因子的上下限，可以在給定的范圍內(nèi)選取合適的值。FKM標準中默認焊縫疲勞存活率為97.5%，通過焊縫的強度利用度來判定是否滿足要求，結(jié)構(gòu)最小循環(huán)次數(shù)為5×106，焊縫的強度利用度aBK,σ可定義為：

(1)

式中：σBK——焊縫處的疲勞許用應(yīng)力；

jerf——材料的總利用度系數(shù)；

σa,L——焊縫處實際承載的應(yīng)力幅(半幅)。

在FKM標準中，焊縫疲勞許用應(yīng)力σBK綜合考慮了焊縫材料類型、循環(huán)次數(shù)、厚度因子等因素，定義為：

σBK=FAT·fFAT,σ·ft·KAK·KE,σ·KBK·KV·KNL

(2)

式中：FAT——焊縫疲勞等級；

fFAT,σ——疲勞等級轉(zhuǎn)換系數(shù)，對于常幅疲勞，取值為0.37；

ft——厚度因子，焊接金屬厚度t<25 mm時，取值為1；

KAK——平均應(yīng)力因子；

KE,σ——殘余應(yīng)力因子；

2.畜禽產(chǎn)品流通不暢。一是養(yǎng)殖戶沒有進入流通領(lǐng)域參與流通，在一定程度上存在著畜禽產(chǎn)品“買難”、“賣難”問題；二是畜牧業(yè)生產(chǎn)尚未完全納入商品經(jīng)濟軌道，分散經(jīng)營、粗放管理，批量小、質(zhì)量低的產(chǎn)品經(jīng)濟弊端仍未完全克服；三是畜禽產(chǎn)品加工業(yè)發(fā)展慢，仍停留在低層次上，龍頭企業(yè)活力不足；四是市場建設(shè)仍不完善，資金、物資、信息、技術(shù)等生產(chǎn)要素市場還未形成，一定程度上制約著畜牧業(yè)市場機制的發(fā)展進程。

KBK——變幅疲勞強度因子；

KV——表面處理因子，通常取值為1.0～2.0，保守校核一般取值為1.0；

KNL——材料常數(shù)，通常取值為1.0。

式(2)中的平均應(yīng)力因子KAK的計算公式為：

(3)

其中：

σm/σa=(1+Rσ)/(1-Rσ)

(4)

式中：Mσ——中等殘余應(yīng)力因子，Mσ=0.3；

Rσ——應(yīng)力比，一般取值為-1。

(5)

k——斜率。

3.2 高低溫環(huán)境對焊縫疲勞強度的影響

為了探究高低溫環(huán)境對焊縫疲勞強度的影響，對6005A-T6鋁合金的焊接試樣按GB/T 3075—2008《金屬材料 疲勞試驗 軸向力控制方法》規(guī)定分別在室溫及高低溫環(huán)境下進行對接焊縫疲勞試驗。加載應(yīng)力比為0.1，高低溫環(huán)境條件為-50～50 ℃，溫度循環(huán)周期為6 h，實測S-N曲線結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，當以107周次為疲勞極限時室溫下的焊縫疲勞強度為105 MPa，而高低溫條件下的焊縫疲勞強度為95 MPa，比室溫略低。

圖3 不同環(huán)境6005A-T6焊縫的實測S-N曲線

實測的疲勞極限值一般都比校核標準中的規(guī)定值高，這是由于為了確保安全，標準對名義值都規(guī)定得比較低，同時由于冶煉加工技術(shù)的發(fā)展，材料的性能也越來越來高了。故在室溫條件下焊縫實測的107周次時的疲勞極限值(105 MPa)高于FKM中規(guī)定的106周次的疲勞極限值(40 MPa)。為了保證標準使用的一致性，在后續(xù)焊縫強度校核中還是使用FKM中規(guī)定的40 MPa。

3.3 焊縫疲勞校核的FKM標準高低溫修正

為了使FKM標準能夠適用高海拔地區(qū)服役的軌道車輛的焊縫疲勞校核，需考慮高低溫環(huán)境影響對其焊縫疲勞許用應(yīng)力進行修正，即：

σBK，N=σBK·KT

(6)

式中：σBK，N——修正的焊縫疲勞許用應(yīng)力；

KT——高低溫修正系數(shù)，6005A-T6鋁合金取值為0.9。

4 焊縫疲勞校核結(jié)果

焊縫校核主要有2個步驟：

(1) 根據(jù)GB/T 21563—2008確定疲勞工況，通過疲勞分析得到應(yīng)力；

(2) 基于修正后的FKM標準規(guī)定的應(yīng)力轉(zhuǎn)換公式和S-N曲線進行疲勞校核。

柜體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所涉及的焊縫形式主要有對焊、L型焊、T型焊和搭接焊，根據(jù)FKM標準中規(guī)定的許用應(yīng)力計算方法以及高低溫修正系數(shù)，在高海拔環(huán)境下，6005A-T6鋁合金上述4種焊接形式對應(yīng)的修正后的疲勞許用應(yīng)力分別為21 MPa、21 MPa、21 MPa、18.9 MPa。

結(jié)合仿真所得的主應(yīng)力結(jié)果與各焊縫修正后的疲勞許用應(yīng)力，對焊縫的疲勞強度進行校核，并將結(jié)果進行可視化顯示，如圖4～圖6所示。從圖4～圖6可知，柜體結(jié)構(gòu)在縱向、垂向及橫向疲勞工況下的焊縫利用度最大值分別為0.063、0.189和0.110，且未出現(xiàn)在同一位置。整個柜體的焊縫疲勞利用度為0.362，安全系數(shù)為2.76，表明柜體結(jié)構(gòu)強度滿足高海拔地區(qū)的使用要求。

圖4 縱向疲勞工況下柜體焊縫的疲勞利用度

圖5 垂向疲勞工況下柜體焊縫的疲勞利用度

圖6 橫向疲勞工況下柜體焊縫的疲勞利用度

5 結(jié)論

(1) 6005A-T6鋁合金的焊縫在室溫及高低溫環(huán)境下的疲勞強度分別為105 MPa和95 MPa。

(2) 通過高低溫修正系數(shù)修正FKM標準中的焊縫疲勞許用應(yīng)力，使得修正后的FKM標準能夠適用于高海拔地區(qū)軌道車輛焊接結(jié)構(gòu)的強度校核。

(3) 通過焊縫疲勞校核，現(xiàn)有高海拔地區(qū)軌道車輛的柜體結(jié)構(gòu)滿足標準要求，并且安全系數(shù)較大，存在一定的優(yōu)化減重空間。