重载铁路货车车体焊缝有限元分析

孟 勐

(齐齐哈尔工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161005)

1 车体焊缝基本形式

1.1 搭接

搭接焊缝接头在铁路货车中应用较为广泛，在焊接结构中一般采取角焊缝施焊，通常以端面焊缝、侧面焊缝或联合焊缝等形式呈现。

1.2 对接

对接焊缝接头连接的板材通常有一个微小交角，或者板材处于同一平面内，焊缝形式一般有工形、V形、U形、双X形、双U形等。

1.3 角接

角接焊缝接头在铁路货车车体的焊接中应用广泛，夹角的接头称为角接接头，通常是指两件端部构成大于或等于30、小于或等于135。根据焊件的厚度不同，其坡口可分为I形、带钝边J形、带钝边双单边V形和K形等形式。

1.4 T形连接

T形焊缝接头连接的板材，其节点板材开V形坡口，并焊接到主板材上，节点板材与主板材之间应预留出一定间隙，在焊根处可加封底焊道。

重载铁路货车在运行过程中，由于车体焊缝的自身特点，决定其十分容易产生疲劳破坏，在车体焊接结构易产生焊缝表面存在气孔、焊缝表面夹渣、焊缝成型差、焊缝咬边现象等系列问题。同时，在车体的焊缝处容易发生焊接区域变形和应力集中等现象。

2 车体承受的载荷

2.1 纵向载荷

纵向载荷施加在从板座上，模拟车体运行时车钩对其产生的牵引力。

2.2 垂向载荷

垂向载荷对车体的侧墙、端墙和地板施加静水压力载荷，模拟车体装满货物时的实际发生情况。该C80型不锈钢敞车车体采用全钢板材焊接而成，只有当车体在承受交变载荷作用时，疲劳破坏才可能发生。而载荷的变化可以呈现出有规律的状态，也可呈现出无规律的状态，甚至是随机的状态。例如，铁路货车车体在运行时，车钩所承受的载荷就是随机的。实际上，很多因素都可以导致铁路货车车体产生纵向力。例如重载铁路货车启动时产生的牵引力、车辆的速度和重量、机务人员的经验水平等都可使车体产生纵向力。当重载铁路货车发生纵向冲击时，车辆所处位置不同，所受力的大小也是不等的、不均匀的。

3 车体焊缝的有限元模型分析

3.1 Brick单元

在ANSYS软件中，用弹性实体单元模拟C80型不锈钢敞车车体的焊缝，根据焊缝的几何形状确定出模型中焊缝的直径，为了确保车体的实际质量和模型的质量相同，先对模型进行实体网格划分，其网格疏密程度，直接决定了模型的刚度。网格划分越密集，模型的刚度就越小，就越接近车体焊缝的真实情况。当网格密集到一定程度时，模型的刚度就会停止不再继续减小。但是这种模型的建模复杂、且时间长，对车体的网格划分有明显约束作用。Brick单元对车体焊缝模拟的精度非常高，因为Brick单元对车体焊缝的模拟用接近真实车体的网格模型，它的剪切刚度和轴向刚度与实际真实车体的焊缝十分接近。其频率的误差范围在±3%，与实际情况吻合较好，频率越高说明相对误差越小。

3.2 Beam单元

选取具备轴向弯曲效应或者拉伸效应的2节点梁单元模拟C80型不锈钢敞车车体结构的焊缝，Beam188单元截面的尺寸和形状决定了模型的刚度。

Beam单元的优势在于建模时间非常短、模型简单，对车体网格划分的约束根据实际情况有大、有小。采用Beam 单元模拟车体的焊缝时，建议选用单个梁单元进行模拟车体的焊缝。其频率的误差范围在±3%，与试验的结果基本一致，试验测试的伞状梁单元和9个梁单元的模型误差范围大约在6%，这个数值的误差有些偏大，主要原因在于第3阶模态的频率取决于车体焊缝模型的刚度。试验数据表明，这2种单元模拟车体焊缝的剪切刚度偏大，同试验结果对照，其相对误差较大，模拟的精度偏低。

3.3 Shell单元

为了将Brick单元和Beam单元进行比对，对具有薄膜效应和弯曲效应的弹性壳单元模拟的车体焊点进行分析。这种模型简单、建模时间短、网格的规整性较好、应用广泛对车体网格划分的约束不明显。缺点是不能很较好的模拟车体实际的焊缝质量和刚度特性。

采用Shell单元模拟C80型不锈钢敞车车体的焊缝时，第1阶模态的频率处的误差大约为1%；第2阶模态的频率处的误差大约为20%；第3阶模态的频率处的误差大约为10%。试验数据对比表明，在第1阶模态的频率下的误差最小。

3.4 综合评价

通过上述试验对比，Brick单元模拟C80型不锈钢敞车车体的焊缝精度最高，但建模时间较长，在对车体的单个焊缝进行研究时建议使用。但是对于重载铁路货车车体焊缝数量较多的情况，使用Brick单元模拟车体的焊缝显然不太实用；相对Shell单元模拟车体的焊缝，虽然其建模方便且模型的整体性较好，但其模拟的情况和车体的实际情况对比相差较大，导致计算精度偏低；Beam单元模拟车体的焊缝时，选用单个梁单元进行建模时间最短，且精度最高，非常适合数量较多的焊缝模型。因此，在大量使用焊缝结构的重载铁路货车车体焊缝强度分析时推荐采用单个梁单元模拟车体的焊缝。

4 疲劳载荷谱和车体焊缝的选取

4.1 纵向载荷谱

纵向载荷谱由某公司直接提供。本项目研发的C80型不锈钢敞车车体设计的最低运营寿命≥30 年，运行里程年均25万km，空车和重车里程比取值为 1∶1。

4.2 心盘载荷谱

心盘载荷谱参照M-1001-97《货车设计制造规范》第七章货车的疲劳设计中，通过将空车和重车心盘载荷线路环境事件的百分率谱换算，设轴重和垂向载荷成比例，计算出空车的垂向载荷换算系数取值0.7，重车的垂向载荷换算系数取值1.54。

根据车体的真实焊趾尺寸，创建涵盖车体焊缝细节的有限元模型，这样能准确模拟车体实际焊接接缝处的刚度，可以提高对车体焊缝寿命评估的准确性。采用主S-N曲线法可以实时评估车体有限元模型中的任意一条焊缝的寿命。在焊缝的选取时，没有必要对车体有限元模型中所有构件的焊缝都开展疲劳寿命评估。因此，车体焊缝疲劳评估时，对焊缝的选取原则是根据车体焊接形式和车体静强度分析结果一起来确定车体的焊缝疲劳寿命评估的部位。车体在纵向载荷、垂向载荷共同作用下，车体的最大主应力和最小主应力云图基于有限元模型的计算结果，确定了39条疲劳评估的车体焊缝。

5 车体的焊缝强度分析

本项目研发的C80型不锈钢敞车车体的计算工况共39个，各个计算工况的载荷和约束条件均不相同。根据对重载铁路货车车体焊缝的刚度和静强度的计算结果，在工况8满足最大载荷+30%条件下，车体边梁的垂向位移最大值为14.125mm，小于19mm。此计算数值满足TB 10625-2017《重载铁路设计规范》标准中对车辆设备的要求。

对重载铁路货车这种大范围使用点焊的车体结构，采用梁单元对重载铁路货车的车体焊缝进行有限元的模拟仿真是非常合理的；应用TB 10625-2017《重载铁路设计规范》标准中规定，许用应力的安全系数是1.15，对车体焊缝进行静强度的分析；应用主S-N曲线法对重载铁路货车车体的焊缝进行疲劳寿命预测，主S-N曲线法不仅考虑了车体的焊缝位置对应力的影响，还考虑了车体焊缝位置的2个板件厚度对疲劳寿命预测的影响，实现了采用一条主S-N曲线对重载铁路货车车体的焊缝进行疲劳寿命评预测的方法。

应用上述方法，通过分析计算车体在39个工况下的焊缝刚度和静强度，通过不断对车体的不合格位置进行优化，最终使车体在39个工况下的Von.Mises应力全部满足静强度要求。其中工况1的Von.Mises应力值最大，为 473MPa，安全系数1.16。车体的其他位置安全系数全部小于1.15 的要求，达到了应用上述方法来评价重载铁路货车车体的焊缝强度的目的。