某高速動(dòng)車組吊裝支撐架焊縫疲勞壽命分析

王芃月，李曉峰

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

吊裝設(shè)備是鐵道車輛組成的關(guān)鍵部件之一，其設(shè)計(jì)合理與否直接影響著車輛運(yùn)行安全性、平穩(wěn)性和可靠性.所以吊裝設(shè)備的安全性研究刻不容緩.經(jīng)過(guò)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，高速動(dòng)車組的吊裝設(shè)備在設(shè)計(jì)過(guò)程中通常要考察吊掛結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度、安裝座強(qiáng)度、安裝座與基體的連接強(qiáng)度以及結(jié)構(gòu)減振等因素，為確保高速動(dòng)車組的運(yùn)行安全，在車體設(shè)計(jì)階段，需要對(duì)較大噸位設(shè)備的吊裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)慎之又慎.

針對(duì)吊裝的結(jié)構(gòu)和承載特點(diǎn)，本文分別對(duì)某動(dòng)車組TP02車車載電源和單相逆變器安裝支架有限元非線性分析，并對(duì)該動(dòng)車組車載電源和單相逆變器的安裝支架進(jìn)行了焊縫疲勞分析，本文闡述了一種新的疲勞壽命預(yù)測(cè)方法-美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)焊縫的疲勞壽命評(píng)估中的主S-N［1］曲線法.基于美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)焊接結(jié)構(gòu)焊縫疲勞壽命的原理，利用主S-N曲線法對(duì)車載電源和單相逆變器的安裝支架進(jìn)行疲勞評(píng)估.

1 主S-N曲線法

焊接過(guò)程中熱量產(chǎn)生復(fù)雜，因此，焊縫的疲勞強(qiáng)度比母材的疲勞強(qiáng)度底.由于焊縫處易出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，所以焊接結(jié)構(gòu)的疲勞破壞也是從焊縫處開(kāi)始的.在對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞壽命研究時(shí)，必須把重點(diǎn)放在焊縫上;但是，焊縫疲勞壽命的可靠預(yù)測(cè)，一直是一個(gè)世界范圍內(nèi)的難題.目前世界對(duì)于疲勞評(píng)估的標(biāo)準(zhǔn)主要有一下幾種，如:英國(guó)鋼結(jié)構(gòu)疲勞評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)(BS)［2］、歐洲標(biāo)準(zhǔn)(EN)［3］，或國(guó)際焊接學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)(IIW)［4］等，雖然這幾種標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)疲勞評(píng)估做了大量的工作，并廣泛應(yīng)用于各種工程計(jì)算中，但它們所評(píng)價(jià)的都是取靠近焊縫一定距離處的標(biāo)稱應(yīng)力(名義應(yīng)力)來(lái)計(jì)算其疲勞壽命.在實(shí)際應(yīng)用中，這些標(biāo)準(zhǔn)至少有兩個(gè)局限性:①若焊接接頭的幾何形狀較為復(fù)雜、承受的外載荷比較復(fù)雜的情況下，對(duì)合適焊接接頭類型數(shù)據(jù)在標(biāo)準(zhǔn)中的匹配也較為困難，如果勉強(qiáng)替代，必然產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的評(píng)估偏差;②在限元法計(jì)算廣義名義應(yīng)力的過(guò)程中，名義應(yīng)力結(jié)果受有限元網(wǎng)格劃分大小的影響，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不唯一，疲勞評(píng)估的置信度擾動(dòng)很大，因此，難于控制預(yù)測(cè)結(jié)果誤差［5］.針對(duì)名義應(yīng)力法遠(yuǎn)離應(yīng)力集中的局限性，IIW給出了幾條基于熱點(diǎn)應(yīng)力(或稱之為幾何應(yīng)力)的S-N曲線數(shù)據(jù)，為了獲得應(yīng)力集中，它要么通過(guò)兩個(gè)或兩個(gè)以上的名義應(yīng)力向焊趾處外推，要么通過(guò)焊趾處網(wǎng)格細(xì)化，例如在焊趾處利用子結(jié)構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格細(xì)化，但是其工程應(yīng)用的局限性同樣不可避免［6］.

焊接結(jié)構(gòu)的疲勞裂紋是客觀存在的，從力學(xué)機(jī)理上看，它的裂紋擴(kuò)展過(guò)程僅是與材料性能無(wú)關(guān)的一個(gè)純力學(xué)行為，因此，其疲勞壽命就可以應(yīng)用斷裂力學(xué)的理論求解.該方法將焊縫焊趾上的應(yīng)力分解成兩部分:①焊接工藝過(guò)程導(dǎo)致的非線性自平衡應(yīng)力，②與外力平衡的結(jié)構(gòu)應(yīng)力.基于有限元法，利用焊縫上的節(jié)點(diǎn)力一定與外力平衡的條件求得結(jié)構(gòu)應(yīng)力.基于兩階段裂紋擴(kuò)展模式及斷裂力學(xué)表達(dá)式，獲得了一個(gè)新的定義:“等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力”［7］.在這個(gè)基于斷裂力學(xué)表達(dá)式的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算公式(2)中，不僅考慮了焊接接頭板的厚度影響、載荷模式影響，也考慮了應(yīng)力集中的影響.以等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍ΔSs為參數(shù)的主S-N曲線的焊縫疲勞壽命計(jì)算公式如下:

其中，等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算公式為:

式(1)和式(2)中，Δσs為結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍，t為實(shí)際板厚與單位板厚之比，I(r)為描述載荷模式效應(yīng)的函數(shù)，其中r為彎曲比，m=3.6，C及h為主S-N曲線試驗(yàn)常數(shù)［6］，N為循環(huán)次數(shù).不難看出，新定義的主S-N曲線方程與BS等標(biāo)準(zhǔn)中基于名義應(yīng)力的S-N曲線方程形式上是相同的，但是，主S-N曲線方程中用變化范圍度量的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力并不是針對(duì)某一個(gè)具體的焊接接頭而提出的，它綜合反映了應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、焊接接頭的板厚度、外載荷引起的膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的比例，所以對(duì)任何走向的焊縫都有效.

2 支撐架疲勞評(píng)估

疲勞載荷為有規(guī)律的等幅循環(huán)載荷，通過(guò)有限元模型，計(jì)算出該載荷作用下的應(yīng)力變化范圍Δσ，然后根據(jù)主S-N曲線法來(lái)計(jì)算疲勞壽命.這種載荷方式可以看作是疲勞載荷中的一種特殊情況.具體計(jì)算流程見(jiàn)圖1.

圖1 計(jì)算流程圖

2.1 支撐架焊縫評(píng)估部位有限元模型

該支撐架為焊接構(gòu)架，主要由橫梁、縱向梁、測(cè)梁、車載電源安裝座、單項(xiàng)逆變器安裝座等部分組成.模型中以質(zhì)量單元模擬車載電源(260 kg)和單項(xiàng)逆變器(150 kg)重量.構(gòu)架結(jié)構(gòu)既承受拉壓變形，又承受彎曲扭轉(zhuǎn)變形，為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，模型主要由四節(jié)點(diǎn)四邊形殼單元和八節(jié)點(diǎn)六面體單元組成，如圖2、3所示，其中焊縫全部離散為四節(jié)點(diǎn)四邊形殼單元.該車車載電源和單相逆變器安裝支架及地板有限元模型的單元總數(shù)為286728，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為319022，圖中X軸為縱向，Y軸為垂向，Z軸為橫向.

圖2 車載電源、單向逆變器支架及地板整體有限元模型

圖3 車載電源、單向逆變器支架有限元模型

2.2 支撐架評(píng)估關(guān)鍵部位

根據(jù)支撐架的靜強(qiáng)度分析結(jié)果，綜合考慮支撐架在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的一些問(wèn)題，對(duì)該支撐架取10個(gè)關(guān)鍵部位進(jìn)行疲勞損傷評(píng)估，關(guān)鍵部位如圖4所示:1、3為車載電源安裝座補(bǔ)強(qiáng)板與縱向梁焊縫連接處;2、4為車載電源安裝座補(bǔ)強(qiáng)板與橫向梁焊縫連接處;5、8、9為斜拉梁與小縱梁焊縫連接處;6、7為斜拉梁與縱向梁焊縫連接處;10為吊裝安裝座連接板與橫向梁焊縫連接處.

圖4 疲勞試驗(yàn)載荷作用下車載電源和逆變器支承架評(píng)估10個(gè)關(guān)鍵部位示意圖

2.3 FE－WELD軟件平臺(tái)

FE-WELD軟件是在有限元分析基礎(chǔ)上，基于最新的網(wǎng)格不敏感結(jié)構(gòu)應(yīng)力法原理，進(jìn)行焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命仿真分析的專用軟件.該軟件可以克服網(wǎng)格尺寸對(duì)應(yīng)力大小的影響，而且該方法適合多種焊接接頭S-N曲線預(yù)測(cè)焊接疲勞強(qiáng)度，該軟件可以避免一些影響焊接接頭疲勞壽命的因素，如應(yīng)力集中、接頭類型、載荷模式以及其他一些因素.

該軟件支持板殼單元、實(shí)體單元、平面應(yīng)力單元、平面應(yīng)變單元等多種單元類型的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算，并且可實(shí)現(xiàn)Ansys及Abaqus軟件有限元結(jié)果數(shù)據(jù)的提取，支持Hypermesh及Abaqus軟件的接口數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了焊縫定義到焊接結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算的一體化分析流程.

軟件系統(tǒng)由4個(gè)核心模塊組成，各模塊對(duì)應(yīng)不同的功能操作，具體如下所示:

(1)有限元模型及載荷工況定義模塊:對(duì)有限元文件進(jìn)行實(shí)時(shí)修改，選擇對(duì)應(yīng)工況和載荷譜數(shù)據(jù);

(2)焊縫定義及結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算模塊:將待評(píng)估焊縫導(dǎo)入軟件中，輸入相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)號(hào)，完成對(duì)焊縫的定義，根據(jù)具體工況選擇計(jì)算參數(shù)，完成數(shù)據(jù)的設(shè)置，最后對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力的計(jì)算，并快速查看焊縫所受結(jié)構(gòu)應(yīng)力大小;

(3)S-N數(shù)據(jù)管理及疲勞計(jì)算模塊:設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，根據(jù)上一步所得結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)果對(duì)焊縫進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，得出壽命預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的累計(jì)損傷比;

(4)數(shù)據(jù)文件管理模塊:實(shí)時(shí)將所算得數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)應(yīng)力曲線圖導(dǎo)入EXCEL，便于儲(chǔ)存盒查看.

2.4 疲勞載荷工況及焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

依據(jù)《EN12663:鐵路應(yīng)用——鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)要求》，本次計(jì)算載荷工況為:

工況1:縱向(沿X方向)0.4 g的加速度;

工況2:橫向(沿Z方向)0.3 g的加速度;

工況3:垂向(沿Y方向)0.3 g的加速度;

依據(jù)支承架在橫向、縱向和垂向疲勞載荷工況作用下的有限元分析結(jié)果，提取各載荷工況節(jié)點(diǎn)力，之后計(jì)算各焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力.以第7條焊縫為例進(jìn)行說(shuō) 明，其結(jié)構(gòu)應(yīng)力沿著定義好的焊縫走向，分布曲線見(jiàn)圖5.在圖6中，給出了3種疲勞工況下該條焊縫的應(yīng)力集中情況，圖上的橫坐標(biāo)表示從評(píng)估焊縫的焊線起點(diǎn)到焊線終點(diǎn)，其值與焊縫上節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)應(yīng)，單位為mm，縱坐標(biāo)為應(yīng)力分布情況，單位為MPa.根據(jù)疲勞工況有限元分析結(jié)果，提取節(jié)點(diǎn)力，然后計(jì)算各焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力.

圖5 第六條焊縫位置示意圖

3 壽命計(jì)算結(jié)果分析

依據(jù)各加載階段縱向、垂向和橫向工況的各焊縫等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，分別求出焊縫在各個(gè)工況下的損傷比最大值及總損傷比的最大值，結(jié)果見(jiàn)表1和表2.

表1 支承架在各工況下焊縫的損傷比最大值

表2 支承各條焊縫的總損傷比的最大值

4 結(jié)論

首先，建立高速動(dòng)車組支架焊縫評(píng)估部位有限元模型，基于主S-N曲線法，對(duì)焊縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了疲勞評(píng)估，最后計(jì)算得出有效疲勞損傷比遠(yuǎn)小于1，以致于在車輛輕量化設(shè)計(jì)時(shí)可以考慮使用更輕便的材料來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì).雖然，文中給出的構(gòu)架壽命期望估計(jì)值是合格的，但是這里給出的僅僅是設(shè)計(jì)壽命的估計(jì)值，仍需按照要求嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，否則壽命將會(huì)大打折扣.

［1］DONG PINGSHA.The master S-N curve method，An implementation for fatigue evaluation of welded components in the ASME B＆PV CODE，Section VIII，Division 2 and API579-1/ASME FFS-1［M］.Welding Research Council Inc.，USA，2011.

［2］British Standard Institute.BS7608-1993 Fatigue design and assessment of steel structures［S］.British:BSI，1993.

［3］AAR Manual of Standards.M1001-2007 Design Fabrication and Construction of Freight Cars Section C Part II［S］.America:AAR，2007.

［4］IIW Joint Working Group.XIII-1965-03/XV-1127-03 IIW document Recommendations for fatigue design of welded joints and components［S］.England:IIW/IIS，2003.

［5］李曉峰.基于虛擬疲勞試驗(yàn)的鐵路車輛焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)［D］大連:大連交通大學(xué)，2008.

［6］DONG PINGSHA.Fatigue of Welded Structures:Finite Element Based Design and Analysis Methods［R］.Lecture Report，Dalian Jiaotong University，2009.

［7］梁樹林，聶春戈，王悅東，等.焊縫疲勞壽命預(yù)測(cè)新方法及其在焊接構(gòu)架上的應(yīng)用［J］.大連交通大學(xué)學(xué) 報(bào)，2010，31(6):29-34.