基于FAD的铝合金车体焊接缺陷安全性评价方法研究
2019-01-04刘俊杰卢耀辉党林媛肖柯宇张德文朱生长
刘俊杰，卢耀辉，党林媛，肖柯宇，张德文，朱生长
（西南交通大学 机械工程学院，成都 610031）
高速铁路在我国获得了跨越式的发展，不仅成为当今便民出行的主要交通工具，同时带动着国家区域经济的发展。高速列车是高速铁路的主体，又是保障乘行人员安全的最直接载体。因此，在国家战略中有着重大影响力[1-2]。随着高速列车运行速度的提高，将导致其部件承受的载荷更加复杂和恶劣，对高速列车的运行安全可靠性提出了更大的挑战[3]。一方面，车体由铝合金型材焊接组装成一个整体，其焊接结构中的裂纹和缺陷经常在制造过程或检查过程中出现[4]。有些缺陷具有尖锐的缺口，极容易导致脆性断裂。因而具有缺陷的焊接结构实现断裂评定是可靠性检验的又一道防线。另一方面，目前在轨道交通设备的疲劳评估研究中广泛采用的方法，只能对裂纹萌生寿命进行分析，对于本身就含有缺陷的焊接结构来说，裂纹的产生则极为平常。假如评价标准是含有裂纹就要进行后一步检修处理，就会增加车体制造成本，进而降低高速列车整体的经济性[5]。为了保证带裂纹焊接结构的使用安全，减少工程事故，同时减少不必要的检修带来的经济损失。在评估高速列车车体时，对含裂纹工作状态下的焊接结构进行安全性评估是科学合理的，并且具有重要意义。过往评估的实现仅仅依靠传统的材料力学强度理论和焊接结构理论，已无法对含缺陷焊接结构的安全性作出可靠评估，基于断裂力学的失效评定图（Failure Assessment Diagram, FAD）方法为含裂纹缺陷结构的安全性评估提供了新的途径。王元清[6]基于 SINTAP-FAD方法对具有裂纹缺陷钢结构构件安全性进行了评价研究。Lie[7]等对含裂纹的压缩天然气瓶失效预测，采用试验和数值模拟相结合的方式对其进行了安全性评定研究。RA Ainsworth[8]考虑约束效应，对各种管径和不同裂纹尺寸的大型直管以及弯曲管道进行断裂失效评估。发现约束的影响不是引发裂缝评估的主要因素，但可能对延性裂缝扩展有一些影响。杨绍坤[9]选用BS 7910标准中的2A级评定来对具有裂纹的T型板进行了安全评估研究。罗友红[10]等基于失效评定图（FAD），通过Monte Carlo方法计算了箱形梁的失效概率，并对其裂纹缺陷进行了概率安全评估。Xudong Qian[11]对圆形空心截面X和K接头进行了安全断裂评估。然而现在此类评估方法还仅仅停留在对压力容器管道和单一承重接头结构的评价上，在轨道交通设备的使用研究还处于探索时期，还没有得到很好的成果，所以对车辆结构进行以断裂力学为基础的 FAD方法对含裂纹缺陷结构的安全性评定是有必要的。
1 FAD方法介绍
失效评估图（FAD）是对承载结构脆性断裂和塑性失效进行统一评估的方法。在以往对结构进行研究时，仅仅是针对单方面进行分析，没有考虑两个方面之间的相互关系。而该方法则将其体现出来，从而提高分析评估的准确性。两者之间的影响通过失效评估曲线（FAC）体现，纵坐标表现的是脆性断裂，横坐标表现的是塑性失效，该曲线代表着失效的临界值，如图1所示。评估点坐标则是由进行评估点处裂纹形状、应力状态、结构尺寸、材料参数所决定的。其中横坐标取决于裂纹形状和外载荷所产生的应力状态，而纵坐标则还需要考虑焊接残余应力的作用影响。当评估坐标位于临界线以内时， 该评估点所代表的裂纹尺寸则为安全，反之，则为不安全[12-14]。
标准BS7910广泛应用于安全性评估。它由三个评估等级组成，其中一级评定为简单评估方法；二级评定为常规评估方法，又分为2A和2B两种评估方法；三级评定适用于延性材料。2A级评估是常规的评估方法。对于含有裂纹的给定结构部件，FAD使用两个归一化参数载荷比Lr和应力强度因子比值 Kr同时评估断裂和塑性变形过程[15-16]，其表达式为：
式中：P为施加载荷；PL为极限载荷；KI为应力强度因子；Kmat是通过测量的材料断裂韧度。
Lr也可以用式（3）表示：
式中：σref为参考应力，以方程（2）乘以屈服应力得到；σY是材料屈服应力。
Lr反映结构的塑性失效情况，Kr反映组件抗断裂的情况，评估组件由(Lr, Kr)表示评估点坐标。
在任何情况下，FAL都遵循作为Lr函数的表达式：
创建 FAD的最后一步是在水平轴上引入一个截止值Lr,max，这代表了极限载荷标准。
2 铝合金焊接缺陷FAD评价曲线计算
文中利用焊接接头试样进行拉伸试验获得其屈服强度和抗拉强度。因为铝合金为无明显屈服平台的连续屈服材料，所以在文中选取的失效评定曲线为英国标准协会BS 7910评定标准中level 2A曲线。Lr,max为载荷比Lr的极限值，其值可表示为：
式中：σY为材料的屈服强度；σu为材料的抗拉强度。
铝合金焊接接头的弹性模量、屈服强度、抗拉强度分别为69 GPa、170 MPa、220 MPa，结合BS 7910评定标准中提供计算程序，可以得到铝合金焊接缺陷FAD图评价曲线。其标准等级为2A。如图2所示。
3 基于FAD的车体焊接缺陷安全性评价方法
此次研究将以高速列车铝合金焊接车体为研究对象，探讨其含缺陷车体焊接结构2A级别的断裂评定方法。并根据高速列车车体的有限元分析结果，通过焊接车体结构裂纹断裂评定计算和失效评定图绘制，最终评定得出该含缺陷高速列车是否仍可继续安全服役，从而探索出一套适用于高速列车铝合金焊接车体的断裂评定流程和方法。基于 FAD的焊接缺陷安全性评价方法流程如图3所示。
3.1 焊趾处表面缺陷表征当量裂纹
大型结构的轻量化设计导致铝合金焊接结构获得广泛的应用，但由于铝合金材料本身的物理特性以及焊接接头组织性能的不均匀性，导致了焊接结构无法避免缺陷的产生。
采用基于 FAD图的焊接缺陷安全性评价方法，需要将结构中的焊缝缺陷表征为裂纹。 由于焊接本身的性质致使所产生的缺陷类型以及尺寸各异，并且没有办法直接对其进行分析评价。因此，需要对这些已知的缺陷进行分类，以较为统一合理的方法进行规范化处理，以便于进一步的分析评估。为了使分析结果更具有参考价值，需要将存在于焊缝的缺陷以一定保守程度的数据尺寸来表征。
对缺陷进行表征当量裂纹，通常分为两个步骤。第一步，确定其规则化后的缺陷形状，对于表面缺陷来说，一般有半椭圆形和矩形。第二步，确定当量裂纹的尺寸，以规则化后的缺陷形状沿厚度方向的最大深度为当量裂纹的长度，其在表面的最大长度为当量裂纹的宽度。
若当量裂纹的宽度为l，长度为h，则当h≤0.7t（t为材料厚度）时，若h
3.2 应力的线性化处理
在进行 FAD图对焊接缺陷的安全评价过程中，外载荷对结构作用产生的应力和焊接时产生的自平衡残余应力都对结构有着重大影响。因为两者的类型不同，所以需要进行统一的处理，已达到充分考虑两者的目的。处理方式如图5所示。
式中：σm为一次应力的膜应力；σb为一次应力的弯曲应力；σ1为上表面应力；σ2为下表面应力。二次应力的膜应力和弯曲应力可由残余应力结果同理计算得到。
3.3 极限工况下有限元车体计算及焊接接头残余应力仿真
FAD图对焊接缺陷的安全评价过程中，所需要的一次应力、二次应力则是分别由外载荷作用产生的应力和焊接残余应力通过应力线性化处理得到。建立有限元车体，如图6所示，进行极限工况的加载计算，得到应力结果云图，如图7所示。从整车应力云图上可以准确地找到焊缝关注点，即应力较大的焊缝关注点，并获取其信息（材料参数、接头形式、板厚、焊接工艺等），便于下一步建模进行焊接仿真。
根据上述信息建立焊接接头有限元模型，通过热弹塑性法进行焊接仿真，可得出其残余应力的云图，从而获得其残余应力的分布及数值。图8为焊接接头有限元模型，图9为计算后的得到的残余应力分布。
3.4 焊缝缺陷评价结果
在进行了上述计算的基础上，选取两个应力大且较为危险的关注点，如图10所示。关注点1位置临近窗角，存在几何应力集中，外载荷作用下应力大，所在焊缝为对接焊缝，板厚4.5 mm。关注点2位于侧墙与车顶交接处，也存在应力集中，焊缝同为对接焊缝，板厚 3.5 mm。焊缝缺陷关注点评价结果如图11所示。
图11中初始裂纹长度为0.5 mm，每次裂纹长度增进0.1 mm，在不同的a/c下，接近临界线的趋势不同。a/c越大，趋势越容易接近临界线。在相同的a/c下，关注点2比关注点1要较为危险。由于两者的应力状态接近，导致趋势不同的主要原因在于板厚的不同。
4 结语
文中对高速列车焊接车体的断裂安全性评估先进方法进行了仔细的阐述，对其中涉及的关键方法进行了总结，对高速列车铝合金车体上焊缝薄弱点进行断裂可靠性评价。
1）在外载荷的作用下，车体的应力集中点多处于几何突变处，如窗角，门角等。因此，在此处的焊缝需要特别关注。
2）影响安全性评价的主要因素有裂纹长宽比a/c、应力状态和残余应力分布、板厚以及材料属性。因此在进行分析时，应该充分考虑到主要因素，以保证评估准确性。
3）该方法对车体这种大型复杂焊接结构的安全性进行评价是可行的。其评估结果可以对焊接缺陷是否合于使用提出质量控制上的建议。
