焊接接頭質(zhì)量等級(jí)評(píng)定方法與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

周韶澤，王超遠(yuǎn)，李向偉，兆文忠

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002)

0 引 言

在軌道焊接產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，焊接接頭是焊接結(jié)構(gòu)的基本單元，焊接產(chǎn)品設(shè)計(jì)都是從焊接接頭設(shè)計(jì)開(kāi)始的[1]。BS EN15085-3標(biāo)準(zhǔn)給出了焊接接頭的設(shè)計(jì)流程，該標(biāo)準(zhǔn)是歐洲技術(shù)委員會(huì)于2007年制定的軌道交通裝備焊接質(zhì)量的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)[2]。標(biāo)準(zhǔn)中，焊接接頭質(zhì)量等級(jí)的評(píng)定決定了焊接產(chǎn)品的安全性能與使用壽命，為工程師進(jìn)行焊接產(chǎn)品設(shè)計(jì)和質(zhì)量檢查提供了數(shù)據(jù)支持。由此可見(jiàn)，焊接接頭質(zhì)量等級(jí)的確認(rèn)是焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中非常重要的環(huán)節(jié)，為焊接產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和服役檢測(cè)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

焊接接頭質(zhì)量等級(jí)評(píng)定過(guò)程中，BS EN15085-3標(biāo)準(zhǔn)[3]要求對(duì)接頭焊縫進(jìn)行靜強(qiáng)度校核與疲勞壽命校核，并要求通過(guò)疲勞壽命計(jì)算獲得接頭的應(yīng)力因數(shù)，從而確定應(yīng)力等級(jí)，然后再結(jié)合接頭的安全等級(jí)確定焊縫的質(zhì)量等級(jí)。然而，在實(shí)際焊接工程中，如果采用傳統(tǒng)的名義應(yīng)力法是難以獲取應(yīng)力因數(shù)的，因?yàn)樵趯?shí)際焊接結(jié)構(gòu)中，焊縫類型多、走向復(fù)雜，很多情況下在名義應(yīng)力接頭表中無(wú)法找到與之關(guān)聯(lián)的S-N曲線，因此難以進(jìn)一步獲得應(yīng)力因數(shù)。而結(jié)構(gòu)應(yīng)力法[4]可對(duì)任意走向的焊縫進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)，為應(yīng)力因數(shù)的獲取提供了一個(gè)有效方法。

在焊接接頭質(zhì)量等級(jí)評(píng)定方面，很多學(xué)者做出了突出貢獻(xiàn)。李向偉[5]基于主S-N曲線法開(kāi)發(fā)了焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命的預(yù)測(cè)系統(tǒng)，解決了疲勞壽命評(píng)估問(wèn)題，謝素明[6]等基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法對(duì)UIC疲勞試驗(yàn)載荷作用下的焊接構(gòu)架應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行研究，沒(méi)有涉及質(zhì)量等級(jí)設(shè)定。王劍[7]等基于ANSYS軟件研發(fā)了焊接接頭質(zhì)量等級(jí)評(píng)估系統(tǒng)，但只針對(duì)等幅疲勞載荷進(jìn)行了研究，而且系統(tǒng)也沒(méi)有可視化的三維云圖顯示，在實(shí)際工程運(yùn)用中較為復(fù)雜。

基于上述問(wèn)題，筆者以BS EN15085-3標(biāo)準(zhǔn)中質(zhì)量等級(jí)評(píng)定流程為框架，重點(diǎn)研究了如何通過(guò)結(jié)構(gòu)應(yīng)力法獲取應(yīng)力因數(shù)的方法，并在引入疲勞損傷等效原則基礎(chǔ)上，研究了等幅和隨機(jī)載荷作用下焊接接頭應(yīng)力等級(jí)的確認(rèn)和質(zhì)量等級(jí)的評(píng)定問(wèn)題，給出了質(zhì)量等級(jí)評(píng)估流程。并根據(jù)此方法開(kāi)發(fā)了一套可視化的焊接接頭質(zhì)量等級(jí)評(píng)定系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)焊接接頭高效、準(zhǔn)確的質(zhì)量等級(jí)評(píng)定提供了有效的工具。

1 系統(tǒng)理論

1.1 結(jié)構(gòu)應(yīng)力法

根據(jù)焊縫應(yīng)力與外力平衡原理，結(jié)合有限元理論求解出焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并結(jié)合斷裂力學(xué)理論，引入裂紋擴(kuò)展方程[8]，得出等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力方程式：

(1)

引入主S-N曲線，得出焊縫壽命：

N=(ΔSs/Cd)-1/h

(2)

式中：ΔSs為等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍；t為板厚；m為裂紋擴(kuò)展參數(shù)；I(r)是彎曲載荷比r的無(wú)量綱函數(shù)；N為焊縫的疲勞壽命；Cd和h為試驗(yàn)常數(shù)；Cd和h由主S-N曲線參數(shù)表給出，如考慮97.5%的置信度時(shí)，Cd=13 875.7，h=0.319 5。

1.2 基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法應(yīng)力等級(jí)的確認(rèn)

焊接接頭應(yīng)力等級(jí)的確認(rèn)是質(zhì)量等級(jí)評(píng)定的前提和關(guān)鍵步驟。想要確定焊接接頭應(yīng)力等級(jí)，首先要計(jì)算接頭焊縫的應(yīng)力因數(shù)。BS EN15085-3標(biāo)準(zhǔn)給出應(yīng)力等級(jí)與應(yīng)力因數(shù)的關(guān)系：應(yīng)力因數(shù)大于0.9，應(yīng)力等級(jí)為高，應(yīng)力因數(shù)在0.75和0.9之間，應(yīng)力等級(jí)為中，應(yīng)力因數(shù)小于0.75，應(yīng)力等級(jí)為低。

實(shí)際上，應(yīng)力因數(shù)是焊接接頭在疲勞載荷作用下的等效計(jì)算疲勞應(yīng)力ΔSeq與許用疲勞應(yīng)力ΔSref之比。在實(shí)際工程中，等效計(jì)算疲勞應(yīng)力，即等效應(yīng)力ΔSeq是焊接接頭在等幅或隨機(jī)性疲勞載荷作用下，將累計(jì)總損傷通過(guò)疲勞損傷等效原則計(jì)算出的參量。而許用疲勞應(yīng)力ΔSref則是設(shè)計(jì)要求循環(huán)次數(shù)下的等效應(yīng)力變化范圍。

基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法的應(yīng)力因數(shù)計(jì)算步驟如下。

(1) 根據(jù)疲勞損傷等效原則和Miner線性累計(jì)損傷理論，結(jié)合主S-N曲線和疲勞壽命計(jì)算公式引出接頭焊縫在疲勞總損傷下的等效計(jì)算疲勞應(yīng)力，公式如下：

(3)

Neq=(ΔSeq/Cd)-1/h

(4)

式中：D為焊縫在各級(jí)疲勞載荷下的累計(jì)總損傷；ni為各級(jí)循環(huán)次數(shù)；Ni為各級(jí)疲勞載荷下接頭允許循環(huán)次數(shù)；Nref為設(shè)計(jì)要求循環(huán)次數(shù)；Neq為累計(jì)總損傷下的等效循環(huán)次數(shù)。

由式(3)、(4)得出等效計(jì)算疲勞應(yīng)力公式：

ΔSeq=(∑(ni·ΔSi1/h)/Nref)h

(5)

式中：ΔSi為各級(jí)疲勞載荷下焊接接頭等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化范圍。

(2) 根據(jù)主S-N曲線和疲勞壽命計(jì)算公式，計(jì)算許用疲勞應(yīng)力：

ΔSref=Cd×Nref-h

(6)

(3)將等效計(jì)算疲勞應(yīng)力與許用疲勞應(yīng)力求比值，得出應(yīng)力因數(shù)S：

(7)

最后根據(jù)應(yīng)力等級(jí)與應(yīng)力因數(shù)的關(guān)系，確認(rèn)焊接接頭的應(yīng)力等級(jí)：“高、中、低”。

1.3 質(zhì)量等級(jí)的確認(rèn)

完成焊接接頭應(yīng)力狀態(tài)的確認(rèn)后，結(jié)合接頭的安全等級(jí)(根據(jù)焊接接頭因疲勞失效對(duì)個(gè)人、設(shè)備和環(huán)境所造成的后果確定接頭的安全等級(jí))，參考表1所列焊接接頭質(zhì)量等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，最終確定焊接接頭的質(zhì)量等級(jí)和檢查等級(jí)。

表1 焊接接頭質(zhì)量等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

2 質(zhì)量等級(jí)評(píng)定流程

根據(jù)上節(jié)討論，基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力法，根據(jù)BS EN15085-3標(biāo)準(zhǔn)中焊接接頭設(shè)計(jì)流程和實(shí)際工程要求，將接頭質(zhì)量等級(jí)評(píng)定流程設(shè)為三大步驟，如圖1。

(1) 焊接接頭靜強(qiáng)度校核：通過(guò)CAD軟件對(duì)產(chǎn)品的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并建立模型，再通過(guò)CAE軟件對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行有限元離散求解，計(jì)算模型靜強(qiáng)度。若產(chǎn)品模型不滿足靜強(qiáng)度要求，則修改產(chǎn)品的原結(jié)構(gòu)方案。如果滿足要求，則進(jìn)行下一步疲勞壽命校核。

(2) 焊接接頭疲勞強(qiáng)度校核：運(yùn)用結(jié)構(gòu)應(yīng)力法對(duì)接頭焊縫進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算和校核。疲勞壽命不滿足設(shè)計(jì)要求，則修改產(chǎn)品原結(jié)構(gòu)方案。如果滿足要求，則進(jìn)行下一步應(yīng)力因數(shù)計(jì)算和質(zhì)量等級(jí)確定。

(3) 焊接接頭質(zhì)量等級(jí)的評(píng)定：通過(guò)第1小節(jié)討論的方法獲得等效計(jì)算疲勞應(yīng)力，計(jì)算應(yīng)力因數(shù)，確定應(yīng)力等級(jí)。最后，結(jié)合安全需求等級(jí)，參考質(zhì)量等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，確定焊接接頭的質(zhì)量等級(jí)與檢查等級(jí)。

圖1 焊接接頭質(zhì)量等級(jí)評(píng)定流程圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 開(kāi)發(fā)工具

軟件系統(tǒng)選用C++語(yǔ)言和OSG圖形庫(kù)為開(kāi)發(fā)工具。使用C++語(yǔ)言將不同計(jì)算步驟的應(yīng)用程序通過(guò)自定義操作界面展示出來(lái)，并通過(guò)OSG圖形庫(kù)高效、便捷地創(chuàng)建高性能、跨平臺(tái)的交互式圖形程序[9]。

3.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)上節(jié)討論的方法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)如下系統(tǒng)模塊：

(1) 文件讀取模塊：系統(tǒng)與Hypermesh、ANSYS等仿真軟件建立了良好的數(shù)據(jù)接口，可以識(shí)別焊縫信息inp文件和rst結(jié)果文件，能夠讀取文件中的單元、節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)力、節(jié)點(diǎn)力矩等信息。

(2) 疲勞壽命計(jì)算模塊：系統(tǒng)將結(jié)構(gòu)應(yīng)力法計(jì)算疲勞壽命步驟程序化，并通過(guò)自定義操作界面展示出來(lái)。界面包括完整疲勞壽命計(jì)算流程的各個(gè)窗口：計(jì)算工況設(shè)置窗口、焊縫選取窗口、主S-N曲線選取窗口、載荷譜加載窗口和計(jì)算結(jié)果顯示窗口。該模塊集成了疲勞壽命計(jì)算的所有步驟，用戶可以通過(guò)操作界面完成焊縫的疲勞壽命的評(píng)估。

(3) 質(zhì)量等級(jí)評(píng)估模塊：模塊將疲勞載荷作用下的應(yīng)力因數(shù)計(jì)算過(guò)程、接頭質(zhì)量等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)定流程程序化。用戶運(yùn)用該模塊可以更高效的計(jì)算出焊縫的應(yīng)力因數(shù)，設(shè)置焊縫的安全等級(jí)，并結(jié)合質(zhì)量等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)高效、準(zhǔn)確的評(píng)估出焊接接頭的質(zhì)量等級(jí)與檢查等級(jí)。

(4) 可視化顯示模塊：模塊根據(jù)產(chǎn)品模型焊縫的信息，有效的組織了單元與節(jié)點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系和節(jié)點(diǎn)力、節(jié)點(diǎn)力矩的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，重構(gòu)焊接結(jié)構(gòu)可視化模型，并通過(guò)交互式界面顯示該模型。模塊根據(jù)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)的數(shù)值標(biāo)量范圍，建立與RGBA顏色線性映射表的索引關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了結(jié)果的云圖化顯示，并且能夠?qū)?shí)際工程中大型模型進(jìn)行了優(yōu)化顯示。

(5) 結(jié)果表格生成模塊：系統(tǒng)可根據(jù)(2)、(3)模塊的計(jì)算結(jié)果，把結(jié)構(gòu)應(yīng)力、疲勞壽命、應(yīng)力因數(shù)和質(zhì)量等級(jí)等計(jì)算結(jié)果以表格和文檔的形式輸出，為用戶生成質(zhì)量等級(jí)表格和計(jì)算報(bào)告提供方便。

上述五個(gè)模塊滿足了焊接接頭質(zhì)量等級(jí)評(píng)定的需求。其中：(1)、(2)模塊實(shí)現(xiàn)第2小節(jié)中疲勞強(qiáng)度校核步驟，(3)模塊實(shí)現(xiàn)質(zhì)量等級(jí)評(píng)定步驟，(4)、(5)模塊為用戶提供了交互的云圖顯示功能和計(jì)算結(jié)果輸出功能。靜強(qiáng)度校核步驟在傳統(tǒng)CAD、CAE環(huán)節(jié)完成，不需要建立。

4 應(yīng)用實(shí)例

為驗(yàn)證所討論方法和開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)在工程問(wèn)題中的有效性和實(shí)用性，以某鐵路貨車車體為例，對(duì)車體關(guān)鍵焊縫進(jìn)行質(zhì)量等級(jí)評(píng)定。軟件系統(tǒng)計(jì)算操作界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)操作界面

4.1 靜強(qiáng)度校核

根據(jù)車體CAD模型對(duì)車體進(jìn)行有限元建模，用shell181殼單元對(duì)車體模型進(jìn)行離散。車體共有226條焊縫、129607個(gè)節(jié)點(diǎn)和142392個(gè)單元。對(duì)車體施加垂向載荷、縱向載荷及扭轉(zhuǎn)載荷等載荷工況，用ANSYS軟件計(jì)算出各工況下車體的靜強(qiáng)度，其中最大VonMises應(yīng)力值為183MPa，小于車體材料的屈服極限355MPa，所以車體滿足靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

4.2 疲勞強(qiáng)度校核

利用軟件系統(tǒng)對(duì)車體進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算，參照AAR標(biāo)準(zhǔn)的90.7t漏斗車載荷譜，并選用98%可靠度-2σ的主S-N曲線，計(jì)算車體焊縫疲勞壽命。

由226條焊縫疲勞壽命結(jié)果可知，疲勞總損傷最大為0.478，發(fā)生在一位端橫梁腹板與底板之間，疲勞壽命為2.09E+07次，設(shè)計(jì)要求循環(huán)次數(shù)107次，所以車體設(shè)計(jì)滿足壽命要求。因篇幅所限，以車體中關(guān)鍵焊縫中的6條為例，系統(tǒng)獲取這些焊縫的評(píng)估薄弱點(diǎn)節(jié)點(diǎn)號(hào)、疲勞損傷與疲勞壽命，結(jié)果如表2所列。其中2條疲勞壽命損傷比結(jié)果云圖如圖3所示。

表2 疲勞壽命結(jié)果

圖3 疲勞壽命結(jié)果云圖

4.3 焊接接頭質(zhì)量等級(jí)評(píng)定

在焊接接頭質(zhì)量等級(jí)評(píng)定操作界面，首先將設(shè)計(jì)要求循環(huán)次數(shù)107次輸入系統(tǒng)求出許用疲勞應(yīng)力幅值，根據(jù)1.2小節(jié)方法獲取接頭的等效應(yīng)力，計(jì)算應(yīng)力因數(shù)，進(jìn)而確認(rèn)接頭的應(yīng)力等級(jí)。然后根據(jù)1.3小節(jié)中質(zhì)量等級(jí)評(píng)定方法，結(jié)合應(yīng)力等級(jí)、安全等級(jí)與質(zhì)量等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如表1所列，最終得到6條接頭焊縫的質(zhì)量等級(jí)評(píng)定結(jié)果，如表3所列。

表3 質(zhì)量的等級(jí)評(píng)定結(jié)果

5 結(jié) 論

(1) 研究討論了基于BS EN15085標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合結(jié)構(gòu)應(yīng)力法和疲勞損傷等效原則確定質(zhì)量等級(jí)評(píng)定的方法，給出了滿足等幅和隨機(jī)載荷作用下焊接接頭質(zhì)量等級(jí)評(píng)定方法。

(2) 為了在實(shí)際工程中運(yùn)用該方法，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)可視化的焊接接頭質(zhì)量等級(jí)評(píng)定系統(tǒng)，并且以某鐵路貨車車體為評(píng)定對(duì)象，以AAR標(biāo)準(zhǔn)隨機(jī)疲勞載荷作為加載載荷進(jìn)行驗(yàn)證，證明了系統(tǒng)的高效性與實(shí)用性。