動(dòng)車組鋁合金車體焊接接頭應(yīng)力集中區(qū)域識(shí)別

謝素明,韓冰,兆文忠

(大連交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0　引言

鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、擠壓性能好、焊接性優(yōu)良及加工性能好等特點(diǎn)，已經(jīng)成為高速列車動(dòng)車組車體生產(chǎn)的主導(dǎo)材料[1].由于焊接結(jié)構(gòu)的連接性能好、連接方式可行而大量應(yīng)用于動(dòng)車組車體的生產(chǎn)制造上.由于焊接工藝的特殊性，使得焊接接頭有較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象.例如：鋁合金車體常用到的對(duì)接接頭的焊縫高于母材的金屬表面，高出部分稱作余高，余高的存在使得母材與焊縫之間的過渡變得不平滑，在焊趾的過渡處引起較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象[2].目前，降低焊接接頭應(yīng)力集中的方式主要有合理的焊接接頭設(shè)計(jì)、焊縫噴丸碾壓及打磨等改善技術(shù).張毅研究焊縫幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)力集中的影響，發(fā)現(xiàn)減小焊趾傾角，增大過渡圓弧半徑，增加板厚，減緩焊趾處截面形狀的變化等方法都可以改善焊趾處的應(yīng)力集中[3].田新莉研究了焊前打磨對(duì)焊接接頭壽命的影響以及焊前打磨時(shí)的工藝標(biāo)準(zhǔn)[4].方喜風(fēng)對(duì)鋁合金焊縫的打磨方式做了詳細(xì)的分析，并詳細(xì)研究了打磨工具的種類[5].為了減少焊趾處應(yīng)力集中的嚴(yán)重程度，BS 7608指出對(duì)于在焊趾處存在潛在疲勞裂紋的焊接接頭，可以通過局部機(jī)械加工或打磨焊趾的措施提高疲勞強(qiáng)度，打磨后的疲勞強(qiáng)度提高了大約30%.

動(dòng)車組鋁合金車體主要由底架、車頂、側(cè)墻和端墻四大部件組焊而成，這些大部件的中空擠壓鋁合金型材之間的焊接接頭主要為對(duì)接、搭接以及角接型式，焊縫長(zhǎng)度達(dá)到20多米，共計(jì)300余條.如果這些焊縫都需要使用改善技術(shù)，毫無疑問將會(huì)耗費(fèi)大量的人力和物力.本文以某動(dòng)車組鋁合金車體為研究對(duì)象，在靜態(tài)載荷作用下，基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力[6]研究車體典型焊接接頭的應(yīng)力分布規(guī)律，識(shí)別焊縫應(yīng)力集中發(fā)生部位，確定需要改善技術(shù)的焊接接頭區(qū)域.

1　焊接接頭結(jié)構(gòu)應(yīng)力

由于焊縫及其附近存有達(dá)到或接近屈服點(diǎn)的殘余應(yīng)力，因此在常幅施加應(yīng)力循環(huán)作用的接頭中，焊縫附近所承受的實(shí)際循環(huán)應(yīng)力將是由材料的屈服應(yīng)力(或接近屈服應(yīng)力)向下擺動(dòng)，而不管其原始作用的循環(huán)特征如何.因此，裂紋擴(kuò)展過程中，外載荷控制的應(yīng)力對(duì)疲勞的影響顯著，殘余應(yīng)力對(duì)疲勞裂紋的影響則不顯著.也就是說，外載荷控制的應(yīng)力與殘余應(yīng)力對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響是不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上的，后者遠(yuǎn)小于前者.

結(jié)構(gòu)應(yīng)力是研究焊接結(jié)構(gòu)疲勞失效機(jī)理時(shí)的一個(gè)極為重要的力學(xué)量，是外載荷在焊趾或焊根處所引起的應(yīng)力集中的度量.在外載荷作用下焊縫上焊趾所在截面上高度非線性的應(yīng)力狀態(tài)不管多么復(fù)雜，總是可以分解為兩部分，如果一部分應(yīng)力能與外載荷平衡，那么其余部分應(yīng)力(即：殘余應(yīng)力)必然自平衡，這樣與外載荷平衡的那一部分應(yīng)力對(duì)焊縫疲勞開裂的驅(qū)動(dòng)就等價(jià)于外載荷的驅(qū)動(dòng)，而結(jié)構(gòu)應(yīng)力恰是這一部分[7].根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，焊縫截面的正應(yīng)力可分解為沿板厚t分布的膜應(yīng)力σm和彎曲應(yīng)力σb，結(jié)構(gòu)應(yīng)力σs即定義為焊縫截面膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力之和:

σs=σm+σb

(1)

以結(jié)構(gòu)應(yīng)力的膜和彎曲分量表示的法向應(yīng)力σx(y)和橫向剪切應(yīng)力τ(y)不僅要滿足垂直于假定裂紋面的平衡條件，還需在其臨近參考面處滿足.當(dāng)假定裂紋面和其臨近參考面的距離δ足夠小時(shí)，橫向剪切應(yīng)力分量τ(y)可以忽略不計(jì).

(2)

(3)

利用基于位移的有限元方法獲得的節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)彎矩來表示結(jié)構(gòu)應(yīng)力的膜和彎曲分量，基于功等效原則完成從節(jié)點(diǎn)力/節(jié)點(diǎn)彎矩到線力/線彎矩的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)應(yīng)力對(duì)單元網(wǎng)格大小的不敏感.式(4)中fy和mx表示局部坐標(biāo)系下線力和線彎矩.

(4)

由上述分析及公式可見，結(jié)構(gòu)應(yīng)力具有：力學(xué)特征完全由外力模式與接頭本身的板厚控制；是基于力的平衡概念而提出來的，且可以直接用結(jié)構(gòu)力學(xué)公式計(jì)算；在焊趾處，它給出了外力在焊趾上產(chǎn)生的應(yīng)力集中；在截面內(nèi)，它給出了所在截面內(nèi)沿著板厚方向的應(yīng)力分布狀態(tài).

2　車體焊接接頭應(yīng)力分析

某動(dòng)車組中間車車體結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：底架、車頂、側(cè)墻和端墻.車體組成中側(cè)墻、車頂、底架形成的筒形結(jié)構(gòu)與端墻靠彎曲的連接板焊接組成，端墻與側(cè)墻、端墻與車頂?shù)倪B接由連接板分別與各大部件焊接完成.為了計(jì)算的準(zhǔn)確性，車體有限元模型以任意四節(jié)點(diǎn)薄殼單元為主，三節(jié)點(diǎn)薄殼單元為輔；單元總數(shù)2 255 842，結(jié)點(diǎn)總數(shù)2 000 567；模型中長(zhǎng)度單位mm、力的單位N、質(zhì)量單位t、應(yīng)力單位MPa.全車焊縫可分為對(duì)接焊縫、搭接焊縫以及角接焊縫，共計(jì)焊縫300余條.車頂、側(cè)墻、底架鋁合金擠壓型材之間多為對(duì)接焊縫，約25 m長(zhǎng)；底架或車頂鋁合金擠壓型材之間為搭接焊縫，約25 m長(zhǎng)；角接焊縫為鋁合金板材與擠壓型材之間或者鋁合金板材的連接方式，多分布在牽引梁、窗角與門角附近.圖1為車體有限元模型及鋁型材之間焊縫示意圖.

圖1　車體有限元模型及擠壓型材之間焊縫示意圖

動(dòng)車組車體設(shè)計(jì)載荷是為模擬所設(shè)計(jì)車輛在線路運(yùn)行時(shí)的受力狀態(tài)，各標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)計(jì)載荷數(shù)值往往是根據(jù)本國線路特點(diǎn)，由車體線路試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)確定.車體設(shè)計(jì)載荷的合理性關(guān)系到車輛運(yùn)行的安全性，設(shè)計(jì)載荷選取太大，無法保證車體的輕量化，設(shè)計(jì)載荷太小，車輛運(yùn)行可靠性就低.我國現(xiàn)有的高速動(dòng)車組車體設(shè)計(jì)載荷一般參考?xì)W洲EN 12663標(biāo)準(zhǔn).根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12663- 1：2010中的計(jì)算工況，車體主要承受垂向和縱向載荷，垂向載荷主要是由于車輛自身重量和乘客重量引起，考慮到軌道不平、鋼軌接縫等線路原因及車輛本身狀態(tài)不良，引起輪軌間沖擊和車輛簧上振動(dòng)而產(chǎn)生垂向動(dòng)載荷，由經(jīng)驗(yàn)及測(cè)試數(shù)據(jù)取垂向動(dòng)載荷系數(shù)0.3.縱向載荷主要來源于車體端部壓縮作用力和車鉤座區(qū)域的拉伸和壓縮作用力，考慮到列車低速緊急制動(dòng)或緩解時(shí)因相鄰車輛間發(fā)生速度差對(duì)車鉤區(qū)域造成壓縮或拉伸作用，由于動(dòng)車組編組輛數(shù)有限，對(duì)緩解波數(shù)要求不高，故拉伸載荷一般小于壓縮載荷.依據(jù)EN12663- 2010標(biāo)準(zhǔn)，該動(dòng)車組車體應(yīng)力集中分析的載荷工況有三種.第一種工況為垂向超員載荷工況，垂向載荷450 kN；第二種工況為整備狀態(tài)車鉤座拉伸工況，垂向載荷383 kN，縱向載荷1 000 kN；第三種工況為整備狀態(tài)車鉤座壓縮工況，垂向載荷383 kN，縱向載荷1 500 kN.質(zhì)量大于500 kg的車體懸掛設(shè)備有：牽引變壓器、輔助變流器、客室空調(diào)、車載電源與制動(dòng)模塊.車體有限元分析時(shí)，與轉(zhuǎn)向架連接部位約束垂向線位移，并在其一側(cè)再約束橫向線位移；車鉤位置約束縱向線位移.

選取動(dòng)車組車體底架邊梁與底架地板之間搭接焊縫，底架地板之間對(duì)接焊縫以及底架邊梁與側(cè)墻之間對(duì)接焊縫等6條焊縫作為研究對(duì)象，參見圖1.圖1中，1為車頂型材之間搭接焊縫，2為車頂型材之間對(duì)接焊縫，3為底架邊梁與側(cè)墻型材之間對(duì)接焊縫，4為車頂型材與側(cè)墻型材之間對(duì)接焊縫，5為底架型材之間對(duì)接焊縫，6為底架邊梁與底架型材之間搭接焊縫.焊縫起點(diǎn)均為車體一位端型材端部，終點(diǎn)為車體二分之一處.這六條焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的技術(shù)路線為：①利用HyperMesh軟件定義焊縫處節(jié)點(diǎn)及單元集合，記下焊點(diǎn)的起始節(jié)點(diǎn)、起始單元編號(hào)，板厚；②基于ANSYS軟件，在靜態(tài)載荷作用下對(duì)車體焊接接頭進(jìn)行分析，提取計(jì)算結(jié)果RST文件中焊線的節(jié)點(diǎn)力，依據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算公式，計(jì)算沿焊線長(zhǎng)度分布的結(jié)構(gòu)應(yīng)力.上述六條焊縫在各工況下對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力曲線如圖2所示，圖中垂直超員工況的焊縫5，沿焊縫方向的距離的縮放比例為1∶0.54(即圖中1 mm相當(dāng)于0.54 mm).

圖2　不同工況下六條焊縫沿焊縫長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化曲線

圖2可以看出：在車鉤拉伸和壓縮工況作用下，焊縫6的結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生應(yīng)力集中的區(qū)域，參見圖3中的區(qū)域1，位于距離焊縫起點(diǎn)1 261 mm處的側(cè)門下門角部位；焊縫5的應(yīng)力集中發(fā)生在距離焊縫起點(diǎn)5 735 mm處，如圖3中區(qū)域3所示.在垂向超員載荷工況作用下，焊縫6的應(yīng)力集中區(qū)域?yàn)榫嚯x焊縫起點(diǎn)5 753 mm的設(shè)備艙擋板部位，如圖3中區(qū)域2；焊縫5在牽引梁下蓋板區(qū)域發(fā)生應(yīng)力集中，距離焊縫起點(diǎn)3 074 mm，參見圖3中區(qū)域3.其它焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力均沒有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象出現(xiàn).

圖3　焊縫發(fā)生結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中的區(qū)域示意圖

對(duì)于存在應(yīng)力集中現(xiàn)象的焊縫可以對(duì)其發(fā)生區(qū)域采取打磨措施，有效的提高疲勞壽命.例如：依據(jù)IIW- 1539- 07/XV- 1254r4-07標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于底架邊梁與底架型材之間的搭接焊縫，打磨前、后疲勞等級(jí)分別為28和36，若該位置的最大主應(yīng)力變化范圍為20 MPa，那么，由此計(jì)算的打磨前、后的焊接接頭壽命次數(shù)將分別為5.487 5E+06和3.247 3E+07.

3　結(jié)論

在垂向超員載荷、整備狀態(tài)車鉤座拉伸和壓縮工況作用下，動(dòng)車組鋁合金車體底架的中空擠壓型材之間聯(lián)接焊縫結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象的區(qū)域?yàn)椋旱准苓吜号c其搭接型材焊縫的、距離起點(diǎn)1 261 mm的門立柱下方地板上表面部位；距離焊縫起點(diǎn)5 753 mm的設(shè)備艙擋板對(duì)應(yīng)的地板下表面部位，以及底架型材之間對(duì)接焊縫的、距離焊縫起點(diǎn)3 074 mm的牽引梁蓋板末端地板下表面部位.這些出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象的焊縫區(qū)域，在對(duì)動(dòng)車組鋁合金車體底架焊縫進(jìn)行噴丸、碾壓及打磨時(shí)，要優(yōu)先考慮.

參考文獻(xiàn):

[1]王志海,陳亮,張立民,等. 車體結(jié)構(gòu)鋁合金焊接接頭疲勞性能研究[J]. 電焊機(jī)， 2013(8):82- 84.

[2]何如. 高速列車鋁合金焊接接頭疲勞性能研究[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2008.

[3]張毅,黃小平,崔維成,等. 對(duì)接接頭焊趾應(yīng)力集中有限元分析[J]. 船舶力學(xué)，2004(5):67- 69.

[4]田新莉,聶麗麗,張明偉,等. 高速動(dòng)車組車體焊縫打磨方法研究[J]. 金屬加工(熱加工)，2012(12):34- 36.

[5]方喜風(fēng),劉勝龍.鋁合金車體焊縫打磨的研究[J]. 機(jī)車車輛工藝，2008(4):62- 63.

[6]P DONG, J K HONG, D A OSAGE, et al. 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]. USA:WRC Bulletin 523,2010.

[7]謝素明,郝博,邵文東，等.多軸轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架焊縫應(yīng)力集中分析與壽命研究[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35(5)：20- 21.