軌道車(chē)輛焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)過(guò)程中的認(rèn)識(shí)誤區(qū)

兆文忠,李季濤,方吉

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

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軌道車(chē)輛焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)過(guò)程中的認(rèn)識(shí)誤區(qū)

兆文忠,李季濤,方吉

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

針對(duì)當(dāng)前軌道車(chē)輛制造行業(yè)內(nèi)在焊接結(jié)構(gòu)的疲勞失效治理上出現(xiàn)的認(rèn)識(shí)問(wèn)題，論文從理論與方法上將這些問(wèn)題歸納為五個(gè)認(rèn)識(shí)誤區(qū)：將用于金屬疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的理論用于焊接結(jié)構(gòu)；將用于母材的修正Goodman圖用于焊接結(jié)構(gòu)；認(rèn)為提高母材的屈服強(qiáng)度使焊接接頭的抗疲勞能力也提高；認(rèn)為焊接質(zhì)量問(wèn)題應(yīng)該為焊接結(jié)構(gòu)的疲勞失效負(fù)主要責(zé)任；認(rèn)為焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力也應(yīng)該為其負(fù)主要責(zé)任.針對(duì)這些理論與方法上的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，論文重點(diǎn)討論了一個(gè)有助于澄清這些認(rèn)識(shí)誤區(qū)的重要理論基礎(chǔ)——基于焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效機(jī)理的、已經(jīng)寫(xiě)進(jìn)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)測(cè)焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，其中包括有能力識(shí)別焊縫上應(yīng)力集中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的力學(xué)內(nèi)涵，以及基于裂紋兩階段擴(kuò)展模型的疲勞壽命積分.最后，論文用一個(gè)發(fā)生在某高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架上焊接吊架的疲勞隱患治理，證明了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)是澄清上述模糊認(rèn)識(shí)的一個(gè)必要條件.

軌道車(chē)輛；焊接結(jié)構(gòu)；疲勞壽命；認(rèn)識(shí)誤區(qū)；結(jié)構(gòu)應(yīng)力法；疲勞隱患治理

0　引言

焊接結(jié)構(gòu)在軌道車(chē)輛產(chǎn)品中扮演了一個(gè)極為重要的角色，主要是由于焊接結(jié)構(gòu)具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，然而焊接結(jié)構(gòu)也存在一些不足的地方，如焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力明顯低于母材，焊接接頭一直是軌道車(chē)輛結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性中的薄弱環(huán)節(jié)之一，發(fā)生在焊縫上的一系列疲勞失效案例已經(jīng)證明了這一特點(diǎn).

面對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效問(wèn)題，多少年來(lái)我國(guó)軌道車(chē)輛制造行業(yè)從上到下一直在努力治理，并且取得了一定進(jìn)展確保了軌道車(chē)輛的服役安全，但同時(shí)依然還存在一些認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)，假如我們能從這些認(rèn)識(shí)誤區(qū)中盡快地走出來(lái)，治理效果將可能會(huì)更好一些.

1　認(rèn)識(shí)誤區(qū)

1.1認(rèn)識(shí)誤區(qū)之一：將用于金屬疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的理論用于焊接結(jié)構(gòu)

以原鐵道部1996年頒布的標(biāo)準(zhǔn)《鐵道車(chē)輛強(qiáng)

度設(shè)計(jì)及試驗(yàn)鑒定規(guī)范》(TB/T1335- 1996)為例：在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的“車(chē)輛主要零部件疲勞強(qiáng)度評(píng)估方法”一節(jié)中，它首先指出：“本方法是鐵道車(chē)輛主要承載零部件或構(gòu)件的疲勞分析指南，適用于各型鐵道車(chē)輛的主要承載件的疲勞評(píng)估”[1]，可見(jiàn)該標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容并不區(qū)分被評(píng)估的對(duì)象是否是焊接結(jié)構(gòu).事實(shí)上，焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論與方法與金屬疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)的理論與方法不同，其理由是它們疲勞破壞的機(jī)理不同，二者不可互相替代.

在定義疲勞壽命時(shí)，該標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為疲勞壽命是“構(gòu)件疲勞裂紋萌生壽命與裂紋擴(kuò)展壽命之和”，然而焊接結(jié)構(gòu)的疲勞開(kāi)裂過(guò)程中并沒(méi)有裂紋萌生階段.

比較而言，金屬疲勞研究要回答“裂紋從何處萌生？”，而對(duì)焊接接頭來(lái)說(shuō)，它不需要回答這個(gè)問(wèn)題，它沒(méi)有裂紋萌生過(guò)程，圖1是美國(guó)空軍對(duì)一個(gè)看似完美的焊縫的放大觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在原始焊態(tài)的焊縫上“大于零”的微裂紋是客觀存在，焊趾處是這樣，未焊透的焊根處也是這樣[2].簡(jiǎn)言之：

金屬疲勞三階段——裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展、開(kāi)裂；

焊接接頭兩階段——微裂紋被選擇以后的裂紋擴(kuò)展、開(kāi)裂.

圖1　不同放大倍數(shù)下觀察到的同一個(gè)焊縫中的細(xì)節(jié)

注意：微裂紋選擇階段(由應(yīng)力集中控制)壽命很短；裂紋擴(kuò)展階段(由應(yīng)力強(qiáng)度因子控制)壽命最長(zhǎng)；斷裂階段(由斷裂韌性控制)的壽命最短.

1.2認(rèn)識(shí)誤區(qū)之二：將用于母材的修正Goodman圖用于焊接結(jié)構(gòu)

在評(píng)估金屬材料(焊接接頭母材)的疲勞壽

命時(shí)，使用的是考慮應(yīng)力比R(一次循環(huán)中最小應(yīng)力與最大的應(yīng)力比)的“修正的Goodman圖”.即認(rèn)為疲勞極限隨不同的R值變化.后來(lái)原鐵道部又頒布了一個(gè)關(guān)于車(chē)輛強(qiáng)度設(shè)計(jì)的一個(gè)暫行規(guī)定，然而在這個(gè)暫行規(guī)定中它依然將用于金屬疲勞的理論與方法用于焊接結(jié)構(gòu).

事實(shí)上，英國(guó)焊接研究所的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)早已經(jīng)證明：修正Goodman圖用來(lái)處理焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度問(wèn)題是不恰當(dāng)?shù)?，至少一個(gè)理由是平均應(yīng)力對(duì)焊接接頭疲勞壽命的影響看不到；第二個(gè)理由是R的影響看不到；第三個(gè)理由是基于名義應(yīng)力的S-N曲線斜率相同，而金屬疲勞問(wèn)題不是這樣[3- 4].圖2是不同R值得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明雖然R值不同，但是均落在一個(gè)窄帶里了.圖3是5個(gè)不同平均應(yīng)力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表明雖然平均應(yīng)力水平不同，但是也落在同一個(gè)窄帶里了.圖4與圖5則表明焊接接頭疲勞等級(jí)不同但是它們的S-N曲線斜率相同.

圖2　R值不同的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3　不同平均應(yīng)力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖4　金屬材料S-N曲線斜率與焊接接頭S-N曲線斜率的對(duì)比

圖5　互相平行的焊接接頭的S-N曲線族

1.3認(rèn)識(shí)誤區(qū)之三：認(rèn)為提高母材的屈服強(qiáng)度使焊接接頭的抗疲勞能力也提高

這也是一個(gè)常見(jiàn)的誤區(qū).國(guó)內(nèi)軌道車(chē)輛制造工廠的有些設(shè)計(jì)人員或決策部門(mén)在力圖提高焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞能力時(shí)，常傾向于選用屈服強(qiáng)度高的母材，他們誤認(rèn)為高屈服強(qiáng)度母材的焊接接頭的抗疲勞能力也必然隨之提高.對(duì)于金屬疲勞問(wèn)題，這一點(diǎn)觀點(diǎn)是成立的，例如文獻(xiàn)《抗疲勞設(shè)計(jì)—方法與數(shù)據(jù)》[5]中曾用試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了“材料的疲勞極限與材料的抗拉強(qiáng)度之間有著較好的相關(guān)性”，甚至給出了一個(gè)近似估算公式：

結(jié)構(gòu)鋼：σ-1=38+0.43σb(MPa)

然而對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，這一觀點(diǎn)是不成立的.假如持有這一觀點(diǎn)的人能有機(jī)會(huì)閱讀一下英國(guó)1993年頒布的標(biāo)準(zhǔn)：BS7608《Code of practice for fatigue design and assessment of steel structures》(鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)與評(píng)估實(shí)用標(biāo)準(zhǔn))[3]，他們就有可能不被誤導(dǎo)，因?yàn)锽S7608標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)用數(shù)據(jù)明確證明：它所提供的焊接接頭的S-N曲線數(shù)據(jù)對(duì)屈服強(qiáng)度低于700 MPa以下的結(jié)構(gòu)鋼都適用，這就意味著：同一個(gè)焊接接頭，只要使用的母材的屈服強(qiáng)度低于700 MPa以下，例如屈服強(qiáng)度為345 MPa的Q345與屈服強(qiáng)度為435 MPa的Q435，它們的S-N曲線數(shù)據(jù)是沒(méi)有區(qū)別的.關(guān)于這一點(diǎn)，國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW) 在2003年甚至將這個(gè)屈服強(qiáng)度范圍提高到了960 MPa[4].

可以簡(jiǎn)單地用圖6所示的那樣給出一個(gè)解釋?zhuān)浩谳d荷相同、幾何形狀也相同的焊接接頭的抗疲勞能力僅由它產(chǎn)生的應(yīng)力集中控制，而應(yīng)力集中的或高或低則不由母材的屈服強(qiáng)度控制[2]，而圖7則是用4組數(shù)據(jù)證明了這一點(diǎn).

圖6　疲勞應(yīng)力工作區(qū)間與母材屈服強(qiáng)度無(wú)關(guān)

圖7　母材屈服強(qiáng)度對(duì)S-N曲線數(shù)據(jù)影響的試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.4認(rèn)識(shí)誤區(qū)之四：認(rèn)為焊接質(zhì)量問(wèn)題應(yīng)該為焊接結(jié)構(gòu)的疲勞失效負(fù)主要責(zé)任

的確，在過(guò)去很長(zhǎng)的一段時(shí)間里有過(guò)這樣的教訓(xùn)，焊接質(zhì)量很差，焊接缺陷嚴(yán)重而導(dǎo)致一些焊縫短時(shí)間內(nèi)疲勞失效.在吸取質(zhì)量上的教訓(xùn)之后，現(xiàn)階段焊接質(zhì)量已經(jīng)有了明顯的改善，出廠質(zhì)量嚴(yán)格把關(guān)，但是疲勞失效問(wèn)題還繼續(xù)發(fā)生，例如圖8所示的某動(dòng)車(chē)組設(shè)備艙裙板焊接支架上焊縫的疲勞開(kāi)裂就是其中的一個(gè)典型案例.非常嚴(yán)格的檢查表明該處焊接質(zhì)量沒(méi)有任何問(wèn)題，然而服役不久還是出現(xiàn)了疲勞失效問(wèn)題.這個(gè)案例表明：將應(yīng)力集中產(chǎn)生的原因簡(jiǎn)單地歸結(jié)為焊接質(zhì)量是不完整的.應(yīng)力集中可以產(chǎn)生于制造階段，但是也可以產(chǎn)生于設(shè)計(jì)階段，不同的階段應(yīng)該有不同的責(zé)任，雖然邏輯上責(zé)任問(wèn)題不是一個(gè)科學(xué)問(wèn)題，但是責(zé)任不清導(dǎo)致治理上的錯(cuò)位也不可掉以輕心.

圖8　裙板支架焊縫疲勞開(kāi)裂

1.5認(rèn)識(shí)誤區(qū)之五：認(rèn)為焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力也應(yīng)該為其負(fù)主要責(zé)任

關(guān)于焊接結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力本身，國(guó)內(nèi)許多焊接專(zhuān)家的著作中對(duì)殘余應(yīng)力產(chǎn)生的機(jī)制都有過(guò)詳細(xì)的闡述，一致認(rèn)為焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在著相當(dāng)復(fù)雜的殘余應(yīng)力.簡(jiǎn)言之，是焊接變形的互相妥協(xié)而導(dǎo)致的應(yīng)力牽制.

關(guān)于殘余應(yīng)力的存在對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的影響究竟有多大，這的確讓我國(guó)甚至國(guó)外的許多研究者困惑很久.圍繞這一問(wèn)題的研究文獻(xiàn)很多，但是它們的看法并不一致.為此，日本的增淵博一在他1985年出版專(zhuān)著《焊接結(jié)構(gòu)分析：Analysis of Welded Structures》中就曾這樣評(píng)論過(guò)：“殘余應(yīng)力如何影響疲勞強(qiáng)度仍然是科學(xué)家爭(zhēng)論的問(wèn)題”[6].

為什么科學(xué)家會(huì)對(duì)這個(gè)問(wèn)題有如此的爭(zhēng)論呢？一個(gè)合乎邏輯的感性推理是：在很高的焊接殘余拉應(yīng)力客觀存在時(shí)，人們會(huì)很容易地產(chǎn)生這樣的一種感覺(jué)：當(dāng)它在焊趾上與外加的拉伸應(yīng)力疊加以后，一定會(huì)加速疲勞失效的進(jìn)程，這自然不利于疲勞強(qiáng)度.例如，有的文獻(xiàn)就曾經(jīng)這樣認(rèn)為：“應(yīng)力集中和焊接殘余應(yīng)力是影響焊接接頭疲勞強(qiáng)度的兩個(gè)最主要的因素，焊接過(guò)程常常產(chǎn)生拉伸殘余應(yīng)力，拉伸殘余應(yīng)力相當(dāng)于增加了拉伸平均應(yīng)力，一般會(huì)使疲勞強(qiáng)度降低.因此，采用熱處理方法消除或減少殘余應(yīng)力，可以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度”.關(guān)于用熱處理的方法消除或減少殘余應(yīng)力以提高焊接接頭的疲勞強(qiáng)度的討論，這也是一個(gè)有爭(zhēng)論的話題，不過(guò)本文暫且將這個(gè)話題擱置，留待以后交流.

不用瀏覽太多的文獻(xiàn)，類(lèi)似的看法就可以看到很多.然而，在談到殘余應(yīng)力對(duì)疲勞壽命或疲勞失效到底有什么樣影響時(shí)，英國(guó)焊接研究所的T.R.格尼博士在他的專(zhuān)著《Fatigue of Welded Structures》[7]中曾有過(guò)這樣一段精彩的描述：“把焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生的破壞，歸咎于殘余應(yīng)力的影響，這種看法并沒(méi)有幾年，但是最近的研究已經(jīng)趨向于要證明這種觀點(diǎn)是一個(gè)誤解，即使在某些情況下殘余應(yīng)力無(wú)疑會(huì)有危害，但它們并不總是要負(fù)主要責(zé)任.

那么，殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度的影響到底是很大還是很?。靠磥?lái)要想給出一個(gè)讓人信服的答案，第一，需要用足夠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)話，在這一點(diǎn)上，董平沙教授擁有當(dāng)今世界上規(guī)模最完備的焊接接頭疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù).根據(jù)這些數(shù)據(jù)，他給出了一個(gè)理性的答案：“過(guò)去數(shù)量較少的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足以給出規(guī)律性結(jié)論，通過(guò)大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，與應(yīng)力集中相比較，殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的影響并不顯著，而且殘余應(yīng)力的影響表現(xiàn)在試驗(yàn)數(shù)據(jù)里而不需要另外考慮；第二，作為平均應(yīng)力的殘余應(yīng)力不是影響疲勞結(jié)果的主要參量，也需要理論上的證明，在這一點(diǎn)上，美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)(2007)中給出的疲勞壽命估算公式，殘余應(yīng)力的貢獻(xiàn)是看不到的.關(guān)于這一點(diǎn)，法國(guó)2012年給出的標(biāo)準(zhǔn)也給出了明確的結(jié)論：“一般條件下, 對(duì)于焊接引起的殘余應(yīng)力效應(yīng)是不需要考慮的，通過(guò)對(duì)數(shù)千個(gè)小試樣和實(shí)物試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析, 只有極少數(shù)數(shù)據(jù)表明高平均載荷效應(yīng)的影響，如近期的FPSO小尺寸試驗(yàn), 試驗(yàn)中分別使用了50%和85%名義屈服強(qiáng)度作為平均應(yīng)力”[8].

2　基于焊接結(jié)構(gòu)疲勞破壞機(jī)理的理論與方法

為了澄清上述認(rèn)識(shí)誤區(qū)，認(rèn)真消化與吸收董平沙教授的研究成果極為必要，因?yàn)槎缴辰淌谝呀?jīng)明確指出[9- 16]：

(1)與金屬疲勞現(xiàn)象不同，焊接接頭的疲勞失效模式是確定的，即它可能從何處開(kāi)始出現(xiàn)裂紋是可以事先預(yù)判的；一旦出現(xiàn)裂紋，裂紋的擴(kuò)展方向也存在一定的規(guī)律，即存在以下兩種失效模式：一種是板破壞，稱為模式A，起始點(diǎn)可能在焊趾或焊根處，依賴于焊接接頭的具體形狀；另一種是焊縫破壞，稱為模式B，它穿透焊縫而破壞;

(2)只要有放大倍數(shù)足夠強(qiáng)大的觀察手段，一定能觀察到焊趾、焊根處在外載荷施加之前已經(jīng)有微小裂紋存在，因此斷裂力學(xué)的理論可以直接用來(lái)計(jì)算焊接接頭裂紋的擴(kuò)展壽命.

考慮到焊接接頭上應(yīng)力分布的高度非線特征，董平沙教授將這個(gè)非線性應(yīng)力分解為兩部分，如圖9所示：一是與外載荷平衡的結(jié)構(gòu)應(yīng)力；二是自平衡的缺口應(yīng)力.結(jié)構(gòu)應(yīng)力是一個(gè)非常重要的力學(xué)概念，它不僅可以用來(lái)描寫(xiě)焊縫上的應(yīng)力集中，同時(shí)也為斷裂力學(xué)理論的度量裂紋擴(kuò)展的Paris公式的執(zhí)行提供了入口.

圖9　截面內(nèi)的應(yīng)力分解示意

由于Paris公式已經(jīng)指出給定材料常數(shù)以后裂紋擴(kuò)展速率僅與應(yīng)力強(qiáng)度因子△K值有關(guān)，因此與結(jié)構(gòu)應(yīng)力、缺口應(yīng)力的定義對(duì)應(yīng)，K值的估計(jì)也對(duì)應(yīng)處理為：無(wú)缺口應(yīng)力影響的K解以及有缺口效應(yīng)的K解.

(1)無(wú)缺口應(yīng)力影響的K解

對(duì)于一個(gè)具有板邊裂紋的二維斷裂力學(xué)試樣，不考慮缺口效應(yīng)的I模式(張開(kāi)型)的應(yīng)力強(qiáng)度因子Kn可以使用疊加原理求得：

(1)

式(1)中的參數(shù)是眾所周知的關(guān)于a/t的無(wú)量綱函數(shù)，適用于膜和彎曲分量，在許多斷裂力學(xué)手冊(cè)里都可查到.

(2)有缺口效應(yīng)的K解

自平衡應(yīng)力反映了缺口效應(yīng)的影響，且不影響牽拉伸狀態(tài)下假定裂紋平面的整體平衡.但是，當(dāng)裂紋無(wú)限小時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)下的自平衡的應(yīng)力分布將擴(kuò)大，從而使局部應(yīng)力強(qiáng)度控制裂紋的擴(kuò)展.為了使應(yīng)力狀態(tài)下的自平衡與應(yīng)力強(qiáng)度因子求解相關(guān)聯(lián)，從疊加原理的角度，在假定的裂紋面上(實(shí)際上并不存在)需要定義一個(gè)等效的裂紋面上的壓力.為了實(shí)現(xiàn)這一目的，假定由缺口引起的自平衡分應(yīng)力可以通過(guò)任意深度條件下的等效平衡牽拉力求得.歷經(jīng)一個(gè)較為復(fù)雜的推導(dǎo)過(guò)程，包括缺口效應(yīng)的I模式的應(yīng)力強(qiáng)度因子在任意給定的裂紋大小a以后的表達(dá)式為：

(2)

(3)關(guān)于特征深度與裂紋擴(kuò)展的兩階段模型

董平沙教授的研究認(rèn)為：如圖10所示，局部缺口應(yīng)力效應(yīng)只在a/t≤0.1時(shí)表現(xiàn)得才比較明顯，即應(yīng)力強(qiáng)度因子求解只在a/t≤0.1時(shí)受缺口效應(yīng)影響，在此特征深度以后，平衡遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力的應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化比較顯著.

按照這一觀點(diǎn)，在缺口應(yīng)力中的應(yīng)力強(qiáng)度因子K解可以通過(guò)從0

(3)

圖10　缺口效應(yīng)與特征深度a/t≤0.1的關(guān)系

考慮到以無(wú)量綱形式表達(dá)的應(yīng)力強(qiáng)度放大因子Mkn定義的優(yōu)點(diǎn)，并假定f1(ΔK)a/t≤0.1和f2(ΔK)a/t>0.1都采用能量定律，董平沙教授又將方程(3)重新寫(xiě)為：

(4)

Mkn和Kn已經(jīng)在文獻(xiàn)[10]有所討論.而指數(shù)n和m將要根據(jù)典型的“短”裂紋和“長(zhǎng)”裂紋的邊緣增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)來(lái)確定.

董平沙教授將裂紋擴(kuò)展過(guò)程劃分為短裂紋和長(zhǎng)裂紋兩個(gè)階段以后，再采用統(tǒng)一的Paris公式將短裂紋增長(zhǎng)與長(zhǎng)裂紋的增長(zhǎng)統(tǒng)一起來(lái)對(duì)式(4)進(jìn)行積分，最后得到了從小裂紋到穿透厚度t的疲勞壽命預(yù)測(cè)表達(dá)式：

(5)

式中:I(r)為載荷彎曲比r的無(wú)量綱函數(shù)：

(6)

(7)

令

(8)

則有

(9)

式(9)中，N為疲勞壽命值；Δσm和Δσb分別是膜應(yīng)力范圍分量和彎曲應(yīng)力范圍分量，ΔSs是等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍的數(shù)學(xué)表達(dá)式，從該式可以看出，等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍受結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍Δσs、板厚t、膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力狀態(tài)I(r)三個(gè)參數(shù)的綜合影響.

公式(9)即為根據(jù)等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力求解疲勞壽命次數(shù)的計(jì)算方程，并命名為主S-N曲線方程，式中Cd及h為試驗(yàn)常數(shù)，且已經(jīng)在ASME(2007)標(biāo)準(zhǔn)中給定[10- 16].

回顧上述推導(dǎo)過(guò)程，影響焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的參數(shù)只有三個(gè)：結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍、板厚、膜應(yīng)力與彎曲應(yīng)力的綜合影響.

基于疲勞失效機(jī)理的結(jié)構(gòu)應(yīng)力法為處理復(fù)雜的工程問(wèn)題提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，正是因?yàn)樵摲椒ㄓ袌?jiān)實(shí)的理論支持，看似復(fù)雜的疲勞隱患治理將變得相對(duì)容易.

案例：在某高速動(dòng)車(chē)組轉(zhuǎn)向架某設(shè)備的焊接吊架上的一條承載焊縫被證實(shí)其疲勞壽命達(dá)不到1 200萬(wàn)公里的設(shè)計(jì)要求.基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，首先確認(rèn)了該焊縫上確存在較高的應(yīng)力集中，考慮到應(yīng)力集中的局部特征，在不與其它結(jié)構(gòu)干涉的約束下，在垂直于原焊縫的方向上補(bǔ)焊了一個(gè)尺寸很小的筋板.新方案極為簡(jiǎn)單，既不影響該轉(zhuǎn)向架動(dòng)力學(xué)性能，也不需要復(fù)雜的拆卸，但是，基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的計(jì)算結(jié)果卻表明：原焊縫的應(yīng)力集中峰值被明顯緩解，包括新添焊縫在內(nèi)，所有焊縫的疲勞壽命均在1 200萬(wàn)公里以上.

考慮到這一疲勞隱患治理的重要性，在疲勞試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行了將動(dòng)態(tài)載荷放大1.5倍以后的疲勞試驗(yàn)(見(jiàn)圖11)，疲勞試驗(yàn)結(jié)果再次證明修補(bǔ)方案是成功的.

圖11　牽引電機(jī)焊接吊架疲勞試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)與數(shù)據(jù)

3　結(jié)論與展望

經(jīng)濟(jì)學(xué)家說(shuō)：產(chǎn)品的附加值的提升過(guò)程，是一個(gè)不斷地向原材料追加知識(shí)與信息的過(guò)程.但是，追加錯(cuò)誤的信息必將適得其反.

基于對(duì)許多文獻(xiàn)與數(shù)據(jù)的歸納，本文給出了焊接結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題特殊性的主要特征：焊接結(jié)構(gòu)焊趾處的微裂紋的客觀存在是焊接行為的固有特征，因此它沒(méi)有裂紋萌生過(guò)程，而金屬疲勞不是這樣；焊接結(jié)構(gòu)母材的屈服強(qiáng)度對(duì)于焊接接頭疲勞特性的影響不明顯；疲勞試驗(yàn)獲得的焊接接頭的對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下的S-N曲線數(shù)據(jù)中，至少在壽命區(qū)間內(nèi)，有趨于一致的特有斜率，而金屬疲勞不是這樣；焊接接頭的S-N數(shù)據(jù)中，平均應(yīng)力沒(méi)有顯著的影響，而金屬疲勞也不是這樣等等.

為了理論上驗(yàn)證這些特征，本文概要地介紹了已經(jīng)在2007年寫(xiě)進(jìn)到美國(guó)ASME(2007)標(biāo)準(zhǔn)的基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的主S-N曲線壽命計(jì)算公式的推導(dǎo)過(guò)程，其中包括結(jié)構(gòu)應(yīng)力的定義，以及裂紋的兩階段擴(kuò)展模式.

這個(gè)推導(dǎo)過(guò)程再次證明了研究焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效的理論與方法，與研究金屬疲勞的理論與方法有著本質(zhì)上區(qū)別，認(rèn)識(shí)到這一區(qū)別對(duì)澄清本文提及的認(rèn)識(shí)誤區(qū)是有益的.

最后，用一個(gè)典型的疲勞隱患的成功治理證明了結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的工程價(jià)值，同時(shí)也證明了基礎(chǔ)研究搞的越好，理論基礎(chǔ)就越扎實(shí)；理論基礎(chǔ)越扎實(shí)，復(fù)雜問(wèn)題的誘因就越能看得透，而這恰恰是技術(shù)創(chuàng)新所最需要的內(nèi)涵之一.

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Misunderstanding in Anti-Fatigue Design Process of Railway Vehicles Welded Structure

ZHAO Wenzhong,LI Jitao,FANG Ji

(School of Traffic and Transportation Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Focused on the cognitive problem in fatigue failure control of railway vehicle welded structure in manufacturing industry, five misunderstandings were concluded from the theory and method.The theory of metal fatigue strength was applied to welded structure; the Goodman diagram which amended base metal was applied to welded structure; believing that the higher yield strength of base metal will improve the capability of anti-fatigue of welded joint; helding that the level of weld quality was most responsible for the fatigue failure of welded structure; thinking that welding residual stresses were also primary cause to the fatigue failure. In order to clarify these misunderstandings, a theoretical basis, structural stress method resulted from the welded structure fatigue failure mechanism, was discussed emphatically. This method which published by the ASME (2007) standard can effectively identify stress concentrations at weld and the integration of fatigue life based on the two-stage crack growth model is validated. Finally, based on the fatigue risk management practice of High-speed EMU welded hanger, it is proved that the solid theoretical foundation is a requirement to clarify the obscure cognition mentioned above.

rail vehicle; welded structure; fatigue life; misunderstanding; structural stress method; fatigue risk management

1673- 9590(2016)05- 0001- 07

*本刊特約*

2016- 03- 01

牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目(TPL1605)

兆文忠(1944-)，男，教授，碩士，主要從事機(jī)械CAE科研和教學(xué)工作

E-mail:wzzhao@djtu.edu.cn.

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