缺口應(yīng)力法在機(jī)車焊接構(gòu)架疲勞分析中的應(yīng)用實(shí)踐

崔傳學(xué) 呂光宙 孫正夏 沈春奕

摘 要：為研究焊接接頭局部力學(xué)特征引入彈性缺口應(yīng)力法，以此分析復(fù)雜焊接構(gòu)件疲勞強(qiáng)度。筆者以Neuber應(yīng)力平均概念進(jìn)行探討，在分析缺口應(yīng)力的有限元分析中局部模型的邊界條件控制采用節(jié)點(diǎn)力法，和位移法相比能夠更好避免應(yīng)力不集中分布不均的情況。運(yùn)用缺口應(yīng)力法對(duì)機(jī)車的焊接構(gòu)架進(jìn)行疲勞分析，可以建立起焊接部件新型疲勞評(píng)估法。

關(guān)鍵詞：缺口應(yīng)力法;機(jī)車焊接構(gòu)架;疲勞分析;運(yùn)用

對(duì)焊接部件產(chǎn)生裂紋之后壽命的評(píng)估方式從整體到局部有不同的評(píng)估方式，如應(yīng)力法和彈性缺口應(yīng)力法等，這些方式的基本原理都是確定焊接結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)位置上的應(yīng)力參數(shù)，再使用對(duì)應(yīng)的曲線計(jì)算出疲勞強(qiáng)度損傷理論和最終的疲勞損傷，存在的不同之處應(yīng)力集中因素的不同。但是機(jī)車焊接構(gòu)件屬于復(fù)雜焊接構(gòu)件，使用單一的評(píng)估方式很難完成評(píng)估，因此采用彈性缺口應(yīng)力法，建立起關(guān)鍵焊接部件缺口模型分析其疲勞強(qiáng)度。

1.缺口應(yīng)力

焊接接頭在一定的外力作用下，根據(jù)不同迎來集中因素影響分類能夠劃分，接頭表面的應(yīng)力可以劃分為多個(gè)區(qū)域，距離焊接趾較遠(yuǎn)的名義應(yīng)力區(qū)域內(nèi)應(yīng)力的大小和截面尺寸相關(guān)，因此這個(gè)位置的應(yīng)力相對(duì)穩(wěn)定;結(jié)構(gòu)應(yīng)力區(qū)域內(nèi)受到應(yīng)力集中的影響應(yīng)力會(huì)相對(duì)應(yīng)增加，熱點(diǎn)應(yīng)力就是對(duì)這個(gè)區(qū)域內(nèi)多個(gè)應(yīng)力值推算出來的[1]。如果接近焊接趾前端存在局部缺口，應(yīng)力會(huì)增加在趾端達(dá)到巔峰處，也就是缺口應(yīng)力。焊趾處的疲勞裂紋一般都是從缺口處產(chǎn)生，沿著板厚方向擴(kuò)展，所以在分析的時(shí)候準(zhǔn)確分析焊接接頭缺口應(yīng)力，對(duì)于分析焊接部件疲勞強(qiáng)度有很現(xiàn)實(shí)的意義。

2.缺口模型應(yīng)力分析

如果運(yùn)用有限元方式分析焊接接頭的缺口應(yīng)力，需要在焊趾和焊根處構(gòu)造虛擬缺口圓，以缺口內(nèi)圓的最大應(yīng)力作為缺口區(qū)域的真實(shí)應(yīng)力。缺口圓內(nèi)的最大應(yīng)力計(jì)算得出缺口區(qū)域內(nèi)真實(shí)的應(yīng)力。缺口區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格質(zhì)量將直接影響其結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)于復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)，要想直接建立起精細(xì)的缺口分析模型具有一定的難度，以此采取子模型、子結(jié)構(gòu)法實(shí)現(xiàn)對(duì)缺口應(yīng)力的準(zhǔn)確求解。子模型的方式是使用整體結(jié)構(gòu)模型分析荷載力的傳遞情況預(yù)防分配情況，經(jīng)過子模型精細(xì)獲得局部的應(yīng)力應(yīng)變特點(diǎn)。子模型的邊界條件能夠通過位移、節(jié)點(diǎn)力精細(xì)獲取。因此在建立模型的時(shí)候需要確保子模型、全局模型之間相關(guān)聯(lián)部分的剛度一致，否則難以滿足建立模型的準(zhǔn)確性。在現(xiàn)階段運(yùn)用的有限元分析軟件中一般使用位移法，確定子模型的邊界條件。這種方式對(duì)于邊界均勻范圍確定的網(wǎng)格模型有很大的效果。但是焊接缺口處網(wǎng)格十分密集，位移控制邊界常常會(huì)引起應(yīng)力集中、分布不均勻的情況，導(dǎo)致最終結(jié)果難以達(dá)到預(yù)期的效果。為解決這些問題，使用加載程序?qū)崿F(xiàn)模型之間的節(jié)點(diǎn)力傳遞，施加較弱的彈性約束來完成求解，能夠緩解這些問題。子結(jié)構(gòu)方式是將局部模型凝聚為超級(jí)單元鑲嵌在整體模型中，計(jì)算的時(shí)候設(shè)置耦合單元、接觸面超級(jí)單元等之間的連接。這種方式能夠很好的保證模型之間的剛度，但是精準(zhǔn)度很差。

3.? 缺口應(yīng)力法的運(yùn)用

3.1建立起有限元模型

焊接構(gòu)件屬于機(jī)車轉(zhuǎn)向架中重要的構(gòu)件，對(duì)于現(xiàn)階段的機(jī)車而言目前的試驗(yàn)方法很難合理運(yùn)用，運(yùn)用有限元方式評(píng)估構(gòu)架的疲勞強(qiáng)度，具有很強(qiáng)的可行性。以處于某設(shè)計(jì)階段的四軸機(jī)車焊接構(gòu)件為例，利用ANSYS 有限元分析軟件建立起局部有限元模型。建立模型的時(shí)候不考慮焊接縫頭的細(xì)節(jié)，截取側(cè)梁中部位置的焊接接頭建立起模型。

3.2疲勞荷載

焊接構(gòu)架的疲勞荷載主要包括車輛重量引起的靜態(tài)荷載、通過曲線的生活側(cè)面滾動(dòng)引起的準(zhǔn)靜態(tài)荷載、模擬車體振動(dòng)的動(dòng)態(tài)荷載[2]。在討論的過程只能怪以垂向力引起的結(jié)構(gòu)疲勞損傷為主要的方向。在加載的時(shí)候分為三個(gè)階段進(jìn)行，第一個(gè)階段加載所有荷載，二三階段保持靜態(tài)不變。

3.3局部焊接接頭應(yīng)力

在上圖中側(cè)梁局部焊接接頭位置出選擇五個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，通過對(duì)缺口模型的有限元分析能夠獲得這幾個(gè)位置的應(yīng)力狀態(tài)。整個(gè)過程處于線性分析，保持應(yīng)力方向不變與載荷之間是正比關(guān)系，因此只需要計(jì)算靜態(tài)荷載下的受力情況就能夠推導(dǎo)出其他的情況。

3.4焊接接頭疲勞評(píng)估

根據(jù)構(gòu)架局部應(yīng)力狀態(tài)和循環(huán)狀態(tài)計(jì)算出構(gòu)架局部的主應(yīng)力幅度、疲勞損傷度，最后計(jì)算出最終的結(jié)果超過了臨界值。角焊縫在沒有焊透的情況下焊根處發(fā)生疲勞破壞的可能性很大，因此在工程運(yùn)用的過程中往往采用多道焊接工藝，確保構(gòu)架主焊縫都能夠焊接透徹，避免從根部產(chǎn)生疲勞裂紋。

結(jié)語：

由于彈性缺口應(yīng)力法在國(guó)內(nèi)焊接構(gòu)件疲勞分析中的運(yùn)用并不頻繁，因此在國(guó)內(nèi)的運(yùn)用還需要不斷挖掘和深入。使用有限元方式建立焊接構(gòu)件的整體、局部模型，通過對(duì)節(jié)點(diǎn)力控制實(shí)現(xiàn)求解，可以解決位移傳遞邊界引起的應(yīng)力集中情況。

參考文獻(xiàn)：

[1] 胡鑫， 嚴(yán)仁軍， 諶偉， et al. 基于缺口應(yīng)力法的IIW多軸疲勞準(zhǔn)則分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)， 2019（7）：77-81.

[2] 王藝陶， 馮國(guó)慶， 任慧龍. 考慮殘余應(yīng)力的加筋板結(jié)構(gòu)疲勞裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算方法研究[J]. 船舶力學(xué)， 2019（7）.