高速動(dòng)車組鋼制焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的研究方法對(duì)比分析

周 茜 但 龍

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

1 簡(jiǎn)介

國(guó)外在高速動(dòng)車組運(yùn)行的同時(shí)，對(duì)高速動(dòng)車組的各項(xiàng)關(guān)鍵零件部件的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了大量的研究。歐洲以及日本學(xué)者在進(jìn)行大量疲勞實(shí)驗(yàn)與線路動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，制定了機(jī)車車輛承載部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及強(qiáng)度考核的一系列標(biāo)準(zhǔn)。目前，國(guó)外對(duì)焊接結(jié)構(gòu)疲勞的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)包括JIS 4207、BS 7608、DVS 1612、IIW 1832、UIC 515 等。疲勞分析的方法也包括各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中所涉及的名義應(yīng)力法、熱點(diǎn)應(yīng)力法、主S-N 曲線法、斷裂力學(xué)法等。這些方法也有各自的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。

目前，常用的2 種焊縫強(qiáng)度評(píng)估方法是基于名義應(yīng)力與焊縫質(zhì)量等級(jí)的強(qiáng)度評(píng)估法和基于應(yīng)力極限圖的強(qiáng)度評(píng)估法。DVS 和IIW 等標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)文件包括了焊縫等級(jí)劃分的焊接接頭強(qiáng)度評(píng)估方法。這種方法需要將焊縫根據(jù)接頭形式劃分為不同的質(zhì)量等級(jí)，然后根據(jù)不同的質(zhì)量等級(jí)，選擇不同的S-N曲線或應(yīng)力極限圖進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)估或壽命計(jì)算。因此，需要通過大量的實(shí)驗(yàn)來確定不同質(zhì)量等級(jí)焊縫的S-N曲線和應(yīng)力極限線圖。

另一種焊縫強(qiáng)度評(píng)估方法不需要對(duì)焊縫進(jìn)行質(zhì)量等級(jí)劃分，直接在焊趾處（或焊趾附近）用應(yīng)變片采集應(yīng)力數(shù)據(jù)即可。該方法包括了應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力和焊縫結(jié)構(gòu)形式等影響因素，是國(guó)內(nèi)軌道車輛企業(yè)常用的一種強(qiáng)度評(píng)估方法。此前，我國(guó)機(jī)車車輛各關(guān)鍵承載部件的疲勞強(qiáng)度的評(píng)估主要是參照ERRI（European Rail Research Institute）B12/RPl7 報(bào)告給出的方法和Goodman 曲線進(jìn)行評(píng)定。另外，日本的JIS E 4207也采用了類似的應(yīng)力極限圖對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞強(qiáng)度評(píng)估[1]。

在高速動(dòng)車組鋼制焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評(píng)估中，被參考較多的是日本的JIS E 4207 標(biāo)準(zhǔn)，但是該標(biāo)準(zhǔn)中的疲勞容許應(yīng)力的測(cè)試條件不夠明確，其數(shù)值的適用性也有待檢驗(yàn)，導(dǎo)致工程技術(shù)人員在進(jìn)行鋼制焊接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評(píng)估時(shí)無法很好的把握。鑒于此，該文針對(duì)JIS E 4207 標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于高速動(dòng)車組鋼制焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度評(píng)估中的疲勞容許應(yīng)力展開實(shí)驗(yàn)研究與分析驗(yàn)證，以期為工程設(shè)計(jì)人員合理評(píng)估高速動(dòng)車組鋼制焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度提供依據(jù)。

同時(shí)，為了減少焊縫的打磨工作量，需要得到準(zhǔn)確的實(shí)際接頭的疲勞性能，對(duì)比打磨與非打磨焊縫的差異，為降本增效提供數(shù)據(jù)支撐。

2 焊接結(jié)構(gòu)常用疲勞分析方法

2.1 名義應(yīng)力法

名義應(yīng)力法是根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)，以結(jié)構(gòu)的名義應(yīng)力為實(shí)驗(yàn)和壽命估算的基礎(chǔ)，結(jié)合材料的S-N 曲線，按線性累積損傷理論估算結(jié)構(gòu)疲勞壽命[2]。

名義應(yīng)力是忽略焊接接頭的局部應(yīng)力增長(zhǎng)效應(yīng)，而在所研究的截面中計(jì)算出來的應(yīng)力由于復(fù)雜的幾何效應(yīng)，焊接接頭無明確定義名義應(yīng)力，且結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性與分類構(gòu)件細(xì)節(jié)沒有可比性。這種計(jì)算方法適用于焊趾的評(píng)估。

名義應(yīng)力的計(jì)算：材料力學(xué)的梁理論計(jì)算公式

2.2 熱點(diǎn)應(yīng)力法

因?yàn)楹芏鄬?shí)際的焊接結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，焊接接頭局部位置的名義應(yīng)力不能夠被精準(zhǔn)地計(jì)算，所以工程技術(shù)人員越來越重視焊接接頭局部細(xì)節(jié)的熱點(diǎn)應(yīng)力法。熱點(diǎn)應(yīng)力的計(jì)算方法是不考慮裂紋、缺口等因素，只考慮焊接接頭的載荷和宏觀的幾何尺寸[3]，采用線性外推法計(jì)算了連接構(gòu)件表面某一區(qū)域的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，并依據(jù)焊趾的走向和“熱點(diǎn)”在焊接結(jié)構(gòu)中的位置，對(duì)“熱點(diǎn)”進(jìn)行分類。一般情況下，熱點(diǎn)應(yīng)力法只有在幾何應(yīng)力集中程度高的時(shí)候才適合評(píng)估焊接結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。因此，熱點(diǎn)應(yīng)力法需要解決的問題是如何提取焊接接頭處的幾何應(yīng)力，也就是如何提取接頭處的熱點(diǎn)應(yīng)力以及該熱點(diǎn)處的S-N 曲線。如圖1 所示。

熱點(diǎn)一般分為“a”型熱點(diǎn)和“b”型熱點(diǎn)，如圖2 所示。

圖1 熱點(diǎn)應(yīng)力的組成

它們主要針對(duì)的是平板和立板相連接的焊接結(jié)構(gòu)。“a”型熱點(diǎn)：位于板的表面上的焊趾。“b”型熱點(diǎn)：位于板的端面上的焊趾。

圖2 熱點(diǎn)的類型

2.3 缺口應(yīng)力法

缺口應(yīng)力法對(duì)于焊跟和焊趾處的疲勞輕度都能夠進(jìn)行評(píng)價(jià)。缺口應(yīng)力是焊接接頭應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力，包括膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和非線性峰值應(yīng)力（殘余應(yīng)力）3 部分[4]，一般有限元計(jì)算如圖3～圖5 所示。

圖3 焊趾及焊根的虛擬缺口（rref 為虛擬缺口半徑）

2.4 等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法（主S-N 曲線法）

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法是美國(guó)Battelle 實(shí)驗(yàn)室的董平沙教授提出的，董平沙教授以名義應(yīng)力法為基礎(chǔ)，考慮了接頭類型、載荷、板厚以及應(yīng)力集中等影響因素，并且通過對(duì)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，提出了這種對(duì)于網(wǎng)格不敏感的疲勞評(píng)價(jià)方法。

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法是名義應(yīng)力法與熱點(diǎn)應(yīng)力法的結(jié)合與拓展。與名義應(yīng)力法相比，前者是對(duì)整體進(jìn)行分析，而等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法則更側(cè)重于局部分析，熱點(diǎn)應(yīng)力法可以看做二者間的過渡。等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力是結(jié)構(gòu)中緊靠焊趾處的母材所受到的實(shí)際應(yīng)力，一般可以被分解為以下3 個(gè)部分，由于拉伸而得到的膜應(yīng)力為第一部分；由于彎曲作用而得到的彎曲應(yīng)力為第二部分；為了使截面應(yīng)力和與外載荷相平衡的自平衡應(yīng)力為第三部分[5]：

結(jié)構(gòu)應(yīng)力是使焊接結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展的主要作用力。結(jié)構(gòu)應(yīng)力由膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力組成，反映了因外載荷導(dǎo)致的應(yīng)力集中。所以，結(jié)構(gòu)應(yīng)力是計(jì)算焊接結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的必要條件，如圖6 所示。

圖4 角焊縫焊根缺口簡(jiǎn)化模型

圖5 結(jié)構(gòu)鋼對(duì)接接頭和角焊縫接頭缺口S-N 曲線

圖6 碳鋼的ΔS-N 曲線

3 不同方法的特點(diǎn)分析

3.1 名義應(yīng)力法的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

名義應(yīng)力法具有的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單[6]。

名義應(yīng)力法的缺點(diǎn)有3 個(gè)：1）忽略了局部應(yīng)力與實(shí)際結(jié)構(gòu)應(yīng)力有誤差。2）為了獲得材料的S-N 曲線，由于環(huán)境因素的影響，可能會(huì)出現(xiàn)各種偏差，并且還需要花費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間等資源。3）從理論上來說，名義應(yīng)力法中存在多種焊接形式及焊接等級(jí)。在現(xiàn)實(shí)工程中，許多結(jié)構(gòu)形式并不是簡(jiǎn)單的試驗(yàn)片的焊接所以選擇焊接強(qiáng)度時(shí)有所差異導(dǎo)致誤差。

3.2 熱點(diǎn)應(yīng)力法的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

熱點(diǎn)應(yīng)力法的優(yōu)點(diǎn)是理論上可以使用1 條通用的熱點(diǎn)應(yīng)力S-N 曲線來代表各種不同接頭焊縫類別的疲勞強(qiáng)度。并且熱點(diǎn)應(yīng)力也更適用于有限元仿真。

熱點(diǎn)應(yīng)力法的缺點(diǎn)包括以下3 點(diǎn)：1）在實(shí)際和理論中熱點(diǎn)應(yīng)力并不易求解。2）如果需要確定出線性分布就必須使用其他的推斷方法來確定。3）熱點(diǎn)應(yīng)力法僅考慮了焊趾處的疲勞失效，并沒有考慮焊根焊縫處疲勞失效的可能性。

3.3 缺口應(yīng)力法的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

缺口應(yīng)力法的優(yōu)點(diǎn)是彌補(bǔ)了針對(duì)焊根疲勞評(píng)價(jià)的盲區(qū)[7]。

缺口應(yīng)力法的缺點(diǎn)包括以下4 點(diǎn)：1）因?yàn)樾枰紤]焊根與焊趾處微觀特征的影響，所以在建模時(shí)有一定難度。此方法不適用于大型結(jié)構(gòu)。2）該方法在應(yīng)用于評(píng)價(jià)彈性缺口應(yīng)力疲勞時(shí)，只在彈性階段時(shí)評(píng)價(jià)，并不能評(píng)價(jià)塑性變形階段。因此使用該方法評(píng)價(jià)彈性缺口應(yīng)力疲勞并不可靠。3）該方法有局限性，并不能直接得出裂紋拓展期的疲勞壽命，只能得出萌生期的疲勞壽命，需要與斷裂力學(xué)法結(jié)合才能得出焊接結(jié)構(gòu)總的疲勞壽命。4）該方法在確定缺口應(yīng)力時(shí)需要復(fù)雜的計(jì)算或者測(cè)試，因此該方法在實(shí)際工程中還需要積累經(jīng)驗(yàn)以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

3.4 主S-N 曲線法的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)

主S-N 曲線法相對(duì)于名義應(yīng)力法或熱點(diǎn)應(yīng)力法來說，不需要比較待測(cè)焊接接頭與標(biāo)準(zhǔn)焊接接頭，而是只關(guān)注焊趾。因此，這種方法解決了實(shí)際工程中焊接結(jié)構(gòu)與焊接接頭不匹配的問題。

主S-N 曲線法的優(yōu)點(diǎn)包括以下3 點(diǎn)：1）不用區(qū)分焊縫類型且只有一條統(tǒng)一的S-N 曲線，省時(shí)省力。2）進(jìn)行有限元分析時(shí)與網(wǎng)格的尺寸無關(guān)，建模很方便。主S-N 曲線法的缺點(diǎn)是在計(jì)算時(shí)需要進(jìn)行有限元精密的網(wǎng)格劃分，不適合對(duì)大型的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。3）疲勞試驗(yàn)只需要求解一條曲線，不需要對(duì)每種焊縫類型都進(jìn)行試驗(yàn)，節(jié)約了大量的人力物力。

4 結(jié)語

綜上所述，每種方法都有各自的特點(diǎn)，在不同標(biāo)準(zhǔn)下使用不同的疲勞分析方法。在工程中，需要找到對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)下合適的試驗(yàn)方法與分析方法，才能提高研究效率。