基于DVS1612的鐵路貨車制動缸座焊縫疲勞強度分析

何文信，傅茂海，李亞威，李 杰

(西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

制動缸是列車制動過程中的關(guān)鍵部件，在制動動作實施過程中，制動缸座將承受較大的機械負荷，工作條件極為惡劣，因此制動缸座的強度和可靠性問題一直是制動計算設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。隨著高速重載列車的出現(xiàn)，對制動缸座的強化程度和性能要求不斷提高，制動缸在制動與緩解的交變載荷作用下承受復(fù)雜的變載荷作用，特別是在列車緊急制動時，制動缸座在較大的沖擊力作用下往往會在焊縫區(qū)形成疲勞裂紋，其強度計算和評估是制動缸座設(shè)計與計算中的難點。

在本世紀以前，我國對高速及重載列車可靠性的認識和研究水平與先進國家相比尚有一定差距,在投入實際運營的機車車輛中,時有影響列車安全運行的關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破壞,如準高速客車CW-2轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的箱形側(cè)梁、“藍箭”號高速動力車車體底架變壓器安裝橫梁和某出口大功率內(nèi)燃機車底架主梁魚腹圓弧過渡部位等]1]的疲勞破壞,給機車車輛制造行業(yè)帶來巨大經(jīng)濟損失,也嚴重危及到鐵路運輸?shù)陌踩?/p>

眾所周知，疲勞裂紋常起始于高應(yīng)力集中、強度薄弱區(qū)域，并最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。對于焊接結(jié)構(gòu)，由于焊接接頭部位存在較大的應(yīng)力集中，且常伴隨有各種焊接缺陷，顯然其是最容易發(fā)生疲勞破壞的區(qū)域]2-3]。因此，各種焊接接頭的疲勞強度分析是整個焊接結(jié)構(gòu)疲勞分析的重點。目前，對焊縫疲勞強度的分析多采用基于各個標準所規(guī)定的方法，主要有名義應(yīng)力法、結(jié)構(gòu)應(yīng)力法、缺口應(yīng)力—應(yīng)變法、斷裂力學(xué)法等。本文采用德國焊接協(xié)會標準DVS1612—2009《Design and fatigue testing of welded steel joints in the railway》所規(guī)定的名義應(yīng)力法，得出焊縫節(jié)點材料利用度最大的10個節(jié)點，以確定焊縫是否滿足標準規(guī)定的疲勞強度要求。

1 制動缸座的計算模型及載荷工況

1.1 制動缸座的計算模型

制動缸座是制動缸和車體底架之間的連接件，其三維模型如圖1所示。

將已有的制動缸座的三維模型導(dǎo)入到ANSYS中，制動缸座有限元分析模型采用空間笛卡爾坐標系，該坐標系中，Z軸指向車輛運行方向，Y軸與線路方向相垂直，X軸垂直于軌道平面，其正方向為豎直向上。制動缸座為鑄造件，采用Solid45單元對其進行實體網(wǎng)格劃分，整體單元尺寸設(shè)置為7 mm，共離散為28 259個節(jié)點、21 030個實體單元。制造材料Q235的屬性如表1所示，制動缸座的有限元模型如圖2所示。

表1 制造材料Q235的屬性

1.2 制動缸座的載荷工況

根據(jù)制動缸的設(shè)計技術(shù)條件，在對制動缸座的焊縫進行疲勞強度評定時，需對制動缸座進行臺架試驗，其基本要求是：在制動缸活塞行程為155 mm、制動缸壓力為380 kPa的條件下進行25萬次的耐久試驗，才能滿足制動缸座焊縫的疲勞性能試驗要求。

2 制動缸座焊縫的疲勞強度評定程序

本文根據(jù)德國焊接協(xié)會標準DVS1612—2009對制動缸座焊縫采用名義應(yīng)力進行評定，標準認為通過有限元仿真或應(yīng)變儀測量的焊縫應(yīng)力應(yīng)該取距離焊縫焊趾1個～1.5個板厚的點的應(yīng)力作為該點的名義應(yīng)力，而且沿焊縫方向的正應(yīng)力、垂直于焊縫方向的正應(yīng)力及沿焊縫方向的剪應(yīng)力對焊縫的疲勞破壞起決定性作用，因此須分別考察三向應(yīng)力及應(yīng)力的組合效應(yīng)。焊縫的疲勞強度評定程序如圖3所示。

圖2 制動缸座的有限元模型

圖3 焊縫的疲勞強度評定程序

2.1 焊縫疲勞分析的控制參數(shù)

DVS1612—2009對焊接接頭的疲勞評估需要對三向應(yīng)力分別進行評估，最后還要考察三向應(yīng)力的組合效應(yīng)。

各向應(yīng)力的材料利用度應(yīng)滿足式(1)的要求：

(1)

其中:σ∥為沿焊縫方向的正應(yīng)力；σ⊥為垂直焊縫方向的正應(yīng)力；τ為沿焊縫方向的剪應(yīng)力；σ∥.zul為沿焊縫方向的許用正應(yīng)力；σ⊥.zul為垂直焊縫方向的許用正應(yīng)力；τzul為沿焊縫方向的許用剪應(yīng)力；Uak.∥為沿焊縫方向正應(yīng)力的材料利用度；Uak.⊥為垂直于焊縫方向正應(yīng)力的材料利用度；Uak.τ為沿焊縫方向剪應(yīng)力的材料利用度。

處于多軸應(yīng)力狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，其組合應(yīng)力的材料利用度Uak還應(yīng)滿足式(2)的要求：

(2)

2.2 焊縫分級及許用應(yīng)力的確定

DVS1612—2009將焊縫正應(yīng)力的疲勞特性分為9個等級，從B到F2；母材正應(yīng)力的疲勞特性分為2個等級，從A到AB;焊縫剪應(yīng)力的疲勞特性分為5個等級，從G到H-;母材剪應(yīng)力的疲勞特性只有一個等級，即G+。標準同時給出了相應(yīng)許用應(yīng)力的計算公式及許用應(yīng)力與循環(huán)應(yīng)力比Rτ的Moore-Kommers-Japer圖。材料Q235的許用正應(yīng)力σzul與循環(huán)應(yīng)力比Rσ及剪應(yīng)力τzul與循環(huán)應(yīng)力比Rτ的MKJ圖分別如圖4、圖5所示。圖5中的S235和S355為德國鋼牌號，對應(yīng)我國的Q235和Q345。

3 制動缸座焊縫的疲勞強度計算結(jié)果

通過讀取ANSYS的計算結(jié)果，編寫后處理程序，對疲勞計算結(jié)果進行處理，制動缸座關(guān)于XOZ平面對稱，去除對稱節(jié)點可以得到制動缸座焊縫材料利用度最大的10個節(jié)點的節(jié)點號、材料利用度及坐標位置，如表2所示，疲勞強度最薄弱部位在圖6中的黑色圓圈。

圖4 DVS1612標準給出的正應(yīng)力的Moore-Kommers-Japer疲勞曲線

圖5 DVS1612標準給出的剪應(yīng)力的Moore-Kommers-Japer疲勞曲線

節(jié)點號材料利用度坐標位置(mm)Uak．∥Uak．⊥Uak．τUakXYZ2570960．04790．93050．16800．8518153．51102．34276．002214250．08640．93850．08400．8143133．7691．00-10．002486960．88510．20030．19080．6826169．00106．44255．702486970．77850．42310．32830．5635169．00106．44251．642510590．06290．71130．08020．5610151．6491．30276．002508070．35070．47530．03770．5170155．1792．20276．002214320．03530．71130．09370．4909131．0091．00-10．002486980．59310．59740．35320．4790169．00106．44247．582486950．78100．25310．00130．4763169．00106．44259．762336060．02780．68540．13120．4687137．8491．00-10．00

圖6 制動缸座焊縫疲勞強度最薄弱的部位

從表2的結(jié)果可以得出：制動缸座焊縫每一個節(jié)點的各個應(yīng)力分量的材料利用度均小于1，總的材料利用度也小于1.1。根據(jù)DVS1612—2009可知，貨車制動缸座焊縫的疲勞強度滿足標準要求。

4 結(jié)論

(1) 制動缸座承受著復(fù)雜的變載荷作用，在長期的服役過程中焊縫是其疲勞薄弱部位，因此必須通過仿真或者試驗進行焊縫疲勞強度校核和評估。

(2) 根據(jù)DVS1612—2009標準，使用名義應(yīng)力法對貨車制動缸座焊縫進行疲勞強度評估，評估結(jié)果表明制動缸座的焊縫疲勞強度滿足標準要求，其疲勞強度最薄弱的部位在前法蘭盤和座板連接處，在制造及使用過程中應(yīng)給予重視。

(3) 分析結(jié)果表明，制動缸座的焊縫在進行臺架試驗時可滿足25萬次的耐久試驗，但在實際使用過程中載荷工況更加復(fù)雜，因此仿真分析只可作為參考。

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