蔡靜雯，陳秉智，張旭

基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法對含錯邊構(gòu)件的疲勞性能分析

蔡靜雯，陳秉智，張旭

（大連交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116028）

錯邊缺陷是焊接構(gòu)件中最常見的缺陷，不同的參數(shù)條件會對其產(chǎn)生不同的影響。本研究在焊接構(gòu)件焊根位置處進(jìn)行打磨和未打磨處理，對不同錯邊高度的焊接構(gòu)件施加不同大小的載荷，以此作為變量探究錯邊缺陷構(gòu)件的疲勞性能。基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，提取焊縫兩側(cè)關(guān)鍵節(jié)點的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，計算應(yīng)力集中系數(shù)和疲勞壽命。仿真結(jié)果表明：拉伸載荷相同時，焊縫錯邊量越大，應(yīng)力集中系數(shù)對構(gòu)件疲勞性能的影響越明顯；拉伸載荷不同時，焊縫錯邊量越大，疲勞壽命的變化趨勢越平緩。同時將不同錯邊高度的焊縫代入實際工程結(jié)構(gòu)中進(jìn)行驗證，其結(jié)果與仿真結(jié)果相似。綜合上述結(jié)論，在實際焊接過程中，需要控制焊接構(gòu)件的錯邊高度在合理范圍之內(nèi)，并減少焊根對構(gòu)件疲勞性能的影響。

錯邊缺陷；焊根；等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力；應(yīng)力集中系數(shù)；疲勞壽命

隨著現(xiàn)代科技不斷發(fā)展，焊接結(jié)構(gòu)因具有輕量化、低成本等優(yōu)點，被廣泛用于軌道交通、航空航天等領(lǐng)域，尤其在動車結(jié)構(gòu)中更是應(yīng)用普遍[1]。動車結(jié)構(gòu)的所有轉(zhuǎn)向架在制作與拼裝過程中，都采用了焊接工藝。焊接過程受場地條件和工藝要求影響，難免存在一定的工藝缺陷，導(dǎo)致對接焊縫容易出現(xiàn)錯邊。錯邊問題是焊接工藝中常見的工件現(xiàn)象，是兩個相互平行的工件表面在進(jìn)行對齊施工中不符合規(guī)范條件而導(dǎo)致的問題，如鋼材的錯邊以及線材的錯邊等。錯邊會造成焊縫周圍的應(yīng)力聚集現(xiàn)象，引起并促進(jìn)疲勞裂紋的形成與擴(kuò)展，進(jìn)而降低焊接件的疲勞強度和疲勞壽命[2]。

國內(nèi)外科研工作者已經(jīng)從各種焊縫錯邊的產(chǎn)生原因，以及其對動力學(xué)的影響等方面展開了深入研究。指出形成焊縫錯邊現(xiàn)象的原因較多且較復(fù)雜，受到焊接構(gòu)件裝配方式、焊接條件、工作人員素質(zhì)、裝配設(shè)備類型等多方面的影響。在焊接過程中，母材的組對和定位會不可避免地產(chǎn)生位置偏移，導(dǎo)致了錯邊的形成[3]。根據(jù)當(dāng)前的技術(shù)水平，如果在焊接過程中要求高標(biāo)準(zhǔn)的裝配連接質(zhì)量與精度，必將增加企業(yè)預(yù)算成本、產(chǎn)生不必要的浪費。綜合經(jīng)濟(jì)性與安全性因素考慮，在未來很長一段時間內(nèi)企業(yè)無法完全避免焊接錯邊問題，因此國內(nèi)外許多現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中，對焊縫的錯邊量給出了一定的允許誤差范圍，但在允許誤差范圍內(nèi)錯邊缺陷對構(gòu)件疲勞穩(wěn)定性的實際作用與影響，有待進(jìn)一步深入研究[4]。在部分構(gòu)件上，錯邊量已經(jīng)超過了極限，一旦采取返工修補或整體更換的方式，將面臨耗盡工程材料、工期不允許等風(fēng)險。因此，通過研究錯邊量對焊接件疲勞性能指標(biāo)的干擾效果，判斷焊縫加工后的疲勞表現(xiàn)并研究更完善有效的錯邊處理工藝，對實際工程具有關(guān)鍵性的指導(dǎo)意義。已有資料表明，研究錯邊對結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的危害程度，一般使用名義應(yīng)力法或熱點應(yīng)力法對結(jié)構(gòu)做出測算。名義應(yīng)力法的缺點是不能顯示出錯邊缺陷對構(gòu)件工作應(yīng)力和疲勞壽命的直接影響；熱點應(yīng)力法的缺點則是使用有限元分析工作應(yīng)力計算后對網(wǎng)格比較敏感，因此不能精確估計構(gòu)件的應(yīng)力集中范圍。結(jié)合以上考察，采用等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的疲勞評估法，不但具備了較好的網(wǎng)格不敏感性，且其主應(yīng)力幅－疲勞壽命（-）曲線也是在綜合考察了各種焊接接頭后給出，足夠?qū)嵱肹5]。

1 錯邊處理及模型建立

1.1 錯邊處理方法

針對工程實際情況，對構(gòu)件在不同錯邊高度和不同載荷大小條件下進(jìn)行分析。根據(jù)BS 5817標(biāo)準(zhǔn)，對接焊縫模型的母材厚度與焊縫質(zhì)量等級的關(guān)系如表1、圖1所示。構(gòu)件采用單面焊模型，母材焊趾截面厚度＝5 mm，錯邊量分別為0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm，分別對模型焊跟進(jìn)行打磨和未打磨處理，分為無焊根和有焊根，并著重研究不同錯邊高度與構(gòu)件有無焊根對結(jié)構(gòu)疲勞性能的影響。為方便計算，忽略焊接過程中存在的線錯位和角錯位。

表1 母材厚度與焊縫質(zhì)量的關(guān)系

圖1 不同母材厚度示意圖

1.2 有限元模型

在有限元軟件HyperMesh中用實體單位Solid181進(jìn)行建模。母材、焊縫和熔合區(qū)的材料使用Q450的屬性，均設(shè)置為：泊松比0.257、彈性模量169 GPa、密度7.06e-9 t/mm3。將構(gòu)件左側(cè)設(shè)置為固定端，右側(cè)分別施加80 kN和50 kN的水平拉伸載荷，作用面積315 mm2，如圖2所示。對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，相鄰網(wǎng)格間距1 mm，有無焊根模型的細(xì)節(jié)對比如圖3所示。

圖2 含錯邊缺陷的有限元模型加載邊界示意圖

2 基于等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的有限元模型

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法是在結(jié)構(gòu)應(yīng)力的基礎(chǔ)上建立的，其以ASME為標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的網(wǎng)格不敏感性，克服了傳統(tǒng)評估方法對網(wǎng)格的依賴，可以更好地體現(xiàn)焊接接頭對結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響[8]。該方法中，結(jié)構(gòu)應(yīng)力是在靜力平衡的條件下計算危險截面上的薄膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的和，表達(dá)式為：

基于斷裂力學(xué)推導(dǎo)得到：

-曲線焊縫疲勞壽命公式為：

表2 主S-N曲線參數(shù)表（鋼材）

3 基于應(yīng)力集中系數(shù)的焊縫錯邊分析

大量的實驗以及對疲勞損傷事件的理論研究均證實，疲勞源總是出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中處。應(yīng)力集中會降低結(jié)構(gòu)的疲勞強度，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的使用壽命[11]。所以需提取出線力和線距由式（1）計算出關(guān)鍵區(qū)域結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力，然后再計算焊趾應(yīng)力的集中系數(shù)為：

應(yīng)力集中系數(shù)僅能說明結(jié)構(gòu)自身性質(zhì)，與其幾何形狀有關(guān)，不受材料和施加外部載荷的影響，因此在本節(jié)計算中僅對80 kN的水平拉伸載荷進(jìn)行具體分析計算。

80 kN拉伸載荷作用下，錯邊量0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm有無焊根模型von Mises應(yīng)力分布如圖4～6所示?？梢钥闯觯畲髴?yīng)力均集中在焊縫左側(cè)，通過提取焊根側(cè)關(guān)鍵部位的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力，計算模型的名義應(yīng)力，代入式（4）得到表3、圖7。

對80 kN和50 kN拉伸載荷作用下不同錯邊量應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行分析，得到圖6?？梢钥闯觯e邊量模型中有無焊根對應(yīng)力集中系數(shù)的影響不大，無焊根模型在相同錯邊量條件下，應(yīng)力集中系數(shù)略小于有焊根模型，且兩種模型應(yīng)力集中系數(shù)隨錯邊量的走向大致相同。不同錯邊量模型的應(yīng)力集中系數(shù)整體呈上升趨勢，且錯邊量為0.5～1.0 mm時的應(yīng)力集中系數(shù)變化幅度小于錯邊量為1.0～1.5 mm時的。由此可見，隨著錯邊量的增大，應(yīng)力集中系數(shù)的上升趨勢愈發(fā)明顯。因此在焊接過程中要盡量將錯邊量控制在合理范圍內(nèi)。

表3 三種錯邊量構(gòu)件的應(yīng)力集中系數(shù)

圖4 錯邊量0.5 mm構(gòu)件的von Mises應(yīng)力分布

圖5 錯邊量1.0 mm構(gòu)件的von Mises應(yīng)力分布

圖6 錯邊量1.5 mm構(gòu)件的von Mises應(yīng)力分布

圖7 不同拉伸載荷作用下不同錯邊量模型的應(yīng)力集中系數(shù)

4 基于疲勞壽命的焊縫錯邊分析

為進(jìn)一步探究焊縫錯邊及焊根處理方法對焊縫錯邊疲勞性能的具體影響[12]，采用式（3）對模型受拉伸載荷時的疲勞壽命進(jìn)行計算。根據(jù)表2，選取C＝13 875、＝0.319進(jìn)行計算，得到表4。

表4 兩種拉伸載荷下無焊縫錯邊模型疲勞壽命

80 kN和50 kN拉伸載荷作用下，不同錯邊量的有無焊根模型的疲勞壽命如圖8所示。可以看出，兩種拉伸載荷作用下，有無焊根模型的焊縫疲勞壽命均隨錯邊量的增大而減小，變化趨勢基本相同，錯邊量在0.5～1.0 mm的疲勞壽命變化幅度均小于錯邊量在1.0～1.5 mm的。與無焊縫模型的疲勞壽命相比，有無焊根模型的疲勞壽命減小幅度如表5所示。

圖8 不同拉伸載荷作用下有無焊根模型的疲勞壽命

表5 有無焊根模型疲勞壽命減小幅度

綜上所述，在不同拉伸載荷作用下，有無焊根模型的疲勞壽命趨勢大致相同，隨著錯邊量的增加變化幅度逐漸增大。有無焊根模型的疲勞壽命差別較為明顯，且構(gòu)件存在焊根對疲勞壽命的影響較為顯著。

5 含焊縫細(xì)節(jié)的計算模型

以某高速列車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架作為研究對象，選取構(gòu)架處一條存在錯邊缺陷的焊縫運用等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測。該焊縫在結(jié)構(gòu)中的受力情況復(fù)雜，因此該缺陷會進(jìn)一步加劇應(yīng)力集中對結(jié)構(gòu)的影響。采取原結(jié)構(gòu)的1/4進(jìn)行有限元建模，利用實體單元（Solid181）進(jìn)行結(jié)構(gòu)的離散，如圖9所示。

模型的載荷及約束條件均按規(guī)定進(jìn)行施加，疲勞載荷包括垂向力和橫向力，并分別定義對應(yīng)的垂向和橫向工況進(jìn)行計算，如表6所示。按照表1不同質(zhì)量等級對焊縫的錯邊高度進(jìn)行劃分，分別選取各等級允許的最大高度，即3 mm、4 mm、5 mm。

表6 疲勞工況

當(dāng)錯邊量為3 mm、4 mm、5 mm時，該焊縫四種工況下的壽命對比如圖10～12所示，其中Weld_L表示焊縫左側(cè)單元節(jié)點?？梢钥闯?，不同工況下該焊縫上疲勞壽命的變化趨勢基本保持一致。各工況下最大等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力和轉(zhuǎn)向架疲勞壽命如表7所示。

綜上所述，當(dāng)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)錯邊缺陷時，隨著錯邊量的增加，結(jié)構(gòu)中的最大等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，構(gòu)件疲勞壽命也因此先減小后增大。在相同錯邊量的情況下，最大等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力均出現(xiàn)在第二工況，可見第二工況對等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力和疲勞壽命影響較大。由圖10～12可知，焊縫的兩端疲勞壽命較小，等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力較大，容易出現(xiàn)疲勞開裂現(xiàn)象，與上述構(gòu)件仿真結(jié)果一致。

表7 不同錯邊量下的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力與疲勞壽命

圖10 錯邊量3 mm四種工況下疲勞壽命對比圖

圖11 錯邊量4 mm四種工況下疲勞壽命對比圖

圖12 錯邊量5 mm四種工況下疲勞壽命對比圖

6 結(jié)論

（1）針對不同錯邊量的構(gòu)件，隨著錯邊量的增加，應(yīng)力集中系數(shù)對構(gòu)件性能的影響愈發(fā)明顯，但是有無焊根對應(yīng)力集中系數(shù)的影響不大。在仿真模擬中，有焊根模型的應(yīng)力集中系數(shù)最大，其數(shù)值為2.22。因此在實際焊接過程中，要控制錯邊量。

（2）拉伸載荷對焊縫疲勞壽命的影響變化基本一致，隨著錯邊量的增加，疲勞壽命的變化趨勢逐漸增大，且模型存在焊根會大幅降低構(gòu)件的疲勞壽命，最大降幅為95.7%。因此在實際工程中，要盡量減少焊根的存在。

（3）根據(jù)仿真結(jié)果可知，構(gòu)件的錯邊量最大不超過1 mm。當(dāng)錯邊量超過1 mm時，應(yīng)力集中系數(shù)會大幅增加而疲勞壽命則會大幅減少，說明此時錯邊缺陷對構(gòu)件的影響會尤為明顯。結(jié)合工程實際與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，構(gòu)件的錯邊量要盡可能控制在1.5倍母材厚度之內(nèi)，最大不超過4 mm，以減少焊接缺陷對構(gòu)件疲勞壽命的影響。

[1]趙偉，鄭劍涵. 錯邊缺陷對鋼橋焊接接頭應(yīng)力集中和疲勞性能影響的研究[J]. 鋼結(jié)構(gòu)，2015，30（2）：57-60.

[2]趙秋，黃冠銘，王蘋，等. 基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的焊縫錯邊疲勞性能分析[J]. 鐵道建筑，2021，61（5）：22-27.

[3]熊宴斌，吳云峰，唐文，等. 焊接錯邊對管路疲勞壽命影響分析[J]. 導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，2018（6）：100-104.

[4]郭志成，刁旺戰(zhàn)，徐祥久. Q345R中厚板對接焊縫缺陷分析[J]. 機(jī)械制造文摘（焊接分冊），2020（4）：16-20.

[5]營良. 鋼結(jié)構(gòu)焊接工程技術(shù)要點及質(zhì)量控制技術(shù)分析[J]. 科技風(fēng)，2022（2）：63-65.

[6]兆文忠，李向偉，董平沙. 焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計理論與方法[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[7]DONG P S. A Structural Stress Definition and Numerical Implementation for Fatigue Analysis of Welded Joints[J]. International Journal of Fatigue，2000，23（3）：865-876.

[8]DONG P S. A Robust Structural Stress Method for Fatigue Evaluation of Ship Structures[J]. ASME Transaction: Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering，2005，127（3）： 68-74.

[9]DONGPS，HONGJK. Analysis of Recent Fatigue Data Using the Structural Stress Procedure in ASME Div 2 Re-write[J]. Journal of Pressure Vessel Technology，2007，129（6）：355-362.

[10]DONGPS. Themaster S-N curvemethod[C]. Animplementation for Fatigue Evaluation of welded components in the ASMEB & PVCODE, Section Ⅷ, Division 2 and API 579-1 / ASMEFFS1. Welding Research Council，Inc. USA，2011.

[11]周韶澤，宗振龍，聶春戈，等. 基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的焊縫疲勞評估及可視化研究[J]. 大連交通大學(xué)學(xué)報，2018，39（6）：35-39.

[12]薛俊謙，李向偉. 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法原理及其在轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架疲勞壽命分析中的應(yīng)用[J]. 鐵道車輛，2019，57（1）：8-11，5.

Fatigue Performance Analysis of Components with Misalignments Based on Equivalent Structural Stress Method

CAI Jingwen，CHEN Bingzhi，ZHANG Xu

(School of Civil Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Components with misalignments s are the most common defects in the welding process, and different parameter conditions can have different effects on them. In this study, the welded components are polished and unpolished at the welding root, and different sizes of loads are applied to the welded components with different misalignment heights. These are taken as variables to explore the fatigue performance of the misaligned defective components. Based on the equivalent structural stress method, the equivalent structural stresses at the key nodes on both sides of the weld are extracted and the stress concentration factor and fatigue life are calculated. The simulation results show that the larger the weld misalignment is when the tensile load is the same, the more obvious the effect of the stress concentration factor on the fatigue performance of the member. When the tensile load is different, the larger the weld misalignment, the flatter the trend of the fatigue life. At the same time, different misalignment heights of the weld are brought into the actual engineering structure to verify the results, which are similar to the simulation results. In summary, it is necessary to control the misalignment height of the welded components within a reasonable range in the actual welding process, and the impact of the welding root on the fatigue performance of the components should be reduced.

misalignment；welding root；equivalent structural stress；stress concentration factor；fatigue life

TG405

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2023.10.002

1006-0316 (2023) 10-0007-07

2023-02-10

國家自然科學(xué)基金面上項目（52271023）；遼寧省教育廳科學(xué)研究項目（LJKZ0493）；大連市科技創(chuàng)新基金應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目（2022JJ12GX029）

蔡靜雯（1997－），女，遼寧大連人，碩士研究生，主要研究方向為車輛結(jié)構(gòu)分析與現(xiàn)代設(shè)計方法，E-mail：1054404374@qq.com。