淺談高速動車組焊接構架多軸疲勞強度評估

趙秉宇

摘要：高速動車組在長期運營中處于牽引啟動、制動、過曲線等多種復雜工況，在軌道不平順、車輪不圓、踏面磨耗等激擾作用下致使焊接構架受到與之連接部件傳遞的多個交變載荷。為更好的反映焊接構架在實際運營過程中所受的多軸應力狀態(tài)，提高焊縫區(qū)的有限元分析結果精度，本文對高速動車組焊接構架多軸疲勞強度評估進行分析。

關鍵詞：高速動車組;焊接構架;疲勞強度

一、焊接構架強度分析

高速動車組轉向架焊接構架主要有由管狀橫梁、板狀縱梁和側梁焊接為H型，由于其結構復雜，為了提高計算效率，根據(jù)焊接構架結構特點及受載情況，對不影響求解結果的一些孔以及圓角結構進行了簡化。為了較準確的模擬構架在運營過程中的受載情況和結構特性，在一系彈簧安裝座和轉臂定位座處選用Springl4單元模擬彈簧約束，采用Bearn188單元模擬車軸，采用Mass21單元模擬牽引電機。為了更加全面的模擬車輛運行中可能出現(xiàn)的工況，將UIC615-4和EN13749標準進行組合，考慮了焊接吊座載荷，組合共得到直線驅(qū)動、直線制動、曲線驅(qū)動、曲線制動運營條件下的49種載荷工況，確定了正常運營載荷工況下更加全面的工況類型。

二、焊接構架的多軸疲勞強度評估

（一）疲勞薄弱區(qū)多抽應力狀態(tài)判定

對于一個受力體某一點的3個主應力中，若僅有一個不為零，即為單軸應力狀態(tài);若有兩個不為零，則為雙軸應力狀態(tài)，若3個主應力均不為零，則為三軸應力狀態(tài)，確定受載結構的應力是否處于多軸應力狀態(tài)，相關學者引進新的參量評定受力體的應力狀態(tài)，主要有：

Davis和Connolly定義參數(shù)T判別多軸應力狀態(tài)，該參數(shù)為：

I為第1應力不變量

由Manson和Halfford定義了參數(shù)MF1來判別多軸應力狀態(tài)，參數(shù)表示為：

由Manjoine定義了參數(shù)M三來判別多軸應力狀態(tài)，參數(shù)表示為：

結合式（1）～式（4），當M=1或T=1時，受力體處于單軸應力狀態(tài)，否則受力體處于多軸應力狀態(tài)。其中表1為焊接構架在第一種載荷工況下各個評估點的主應力以及等效應力進行多軸應力狀態(tài)評定結果，從中可以得知，所有的疲勞評估點的T、M、M3個參數(shù)均不等于1，得出對于焊接構架焊縫在受載荷條件下呈現(xiàn)多軸應力狀態(tài)。

（二）焊接構架的多軸疲勞強度評定

根據(jù)表I分析，轉臂定位座焊縫疲勞應力幅最大，為焊接構架的最薄弱位置，因此，需要多軸疲勞評定準則進一步進行該處的疲勞強度評定。非比例加載下的多軸疲勞準則主要有等效應力準則、應力不變量準則、臨界面應力準則等3類。采取Crossland和Papadopoulos兩種等效應力準則進行危險區(qū)域疲勞強度判定，Crossland對Sines疲勞準則進行了修正，考慮了靜水應力的影響，提出應力張量不變量可以反映物體變形狀態(tài)的實質(zhì);Papadopoulos提出的細觀積分法綜合考慮了彎曲、扭轉應力幅對疲勞破壞的影響，認為雖然疲勞裂紋的萌生是由材料內(nèi)部臨界體積內(nèi)微觀剪應力在特征滑移帶上晶粒產(chǎn)生的塑性變形累積引起，但是在高周循環(huán)加載下材料一般宏觀上表現(xiàn)為彈性形變。

（三）轉臂定位座焊縫區(qū)域安全裕度計算

引用安全裕量參數(shù)狀分別采用上述兩種準則對轉臂定位座焊縫進行多軸疲勞評定，Crossland和Papadopoulos準則的安全系數(shù)分別為：

得出轉臂定位座焊縫區(qū)域所有節(jié)點的安全裕量值，結果如表2所示。由表2可得，兩種準則下的疲勞強度計算安全系數(shù)均在1之上，滿足疲勞強度要求，但是Pepadopoulos準則較Crossland準則而言，計算結果比較集中，都分布在1附近，結果較保守。

三、結論

對應力幅值較大的轉臂定位座焊縫區(qū)域節(jié)點分別采用Crossland、Papadopouios多軸判定準則進行疲勞強度判定，并引入安全裕量參數(shù)，評定結果均大于1，疲勞強度滿足設計要求，且Papadopoulos準則較Crossland準則，結果較保守。

參考文獻：

[1]馮志琦.鐵路行業(yè)焊接接頭多軸疲勞強度評估方法[J].內(nèi)燃機與配件，2018（02）.

[2]劉寧.新型懸掛式單軌車輛轉向架構架結構優(yōu)化設計與強度分析[D].成都：西南交通大學，2017.