浅谈高速动车组焊接构架多轴疲劳强度评估

赵秉宇

摘要：高速动车组在长期运营中处于牵引启动、制动、过曲线等多种复杂工况，在轨道不平顺、车轮不圆、踏面磨耗等激扰作用下致使焊接构架受到与之连接部件传递的多个交变载荷。为更好的反映焊接构架在实际运营过程中所受的多轴应力状态，提高焊缝区的有限元分析结果精度，本文对高速动车组焊接构架多轴疲劳强度评估进行分析。

关键词：高速动车组;焊接构架;疲劳强度

一、焊接构架强度分析

高速动车组转向架焊接构架主要有由管状横梁、板状纵梁和侧梁焊接为H型，由于其结构复杂，为了提高计算效率，根据焊接构架结构特点及受载情况，对不影响求解结果的一些孔以及圆角结构进行了简化。为了较准确的模拟构架在运营过程中的受载情况和结构特性，在一系弹簧安装座和转臂定位座处选用Springl4单元模拟弹簧约束，采用Bearn188单元模拟车轴，采用Mass21单元模拟牵引电机。为了更加全面的模拟车辆运行中可能出现的工况，将UIC615-4和EN13749标准进行组合，考虑了焊接吊座载荷，组合共得到直线驱动、直线制动、曲线驱动、曲线制动运营条件下的49种载荷工况，确定了正常运营载荷工况下更加全面的工况类型。

二、焊接构架的多轴疲劳强度评估

（一）疲劳薄弱区多抽应力状态判定

对于一个受力体某一点的3个主应力中，若仅有一个不为零，即为单轴应力状态;若有两个不为零，则为双轴应力状态，若3个主应力均不为零，则为三轴应力状态，确定受载结构的应力是否处于多轴应力状态，相关学者引进新的参量评定受力体的应力状态，主要有：

Davis和Connolly定义参数T判别多轴应力状态，该参数为：

I为第1应力不变量

由Manson和Halfford定义了参数MF1来判别多轴应力状态，参数表示为：

由Manjoine定义了参数M三来判别多轴应力状态，参数表示为：

结合式（1）～式（4），当M=1或T=1时，受力体处于单轴应力状态，否则受力体处于多轴应力状态。其中表1为焊接构架在第一种载荷工况下各个评估点的主应力以及等效应力进行多轴应力状态评定结果，从中可以得知，所有的疲劳评估点的T、M、M3个参数均不等于1，得出对于焊接构架焊缝在受载荷条件下呈现多轴应力状态。

（二）焊接构架的多轴疲劳强度评定

根据表I分析，转臂定位座焊缝疲劳应力幅最大，为焊接构架的最薄弱位置，因此，需要多轴疲劳评定准则进一步进行该处的疲劳强度评定。非比例加载下的多轴疲劳准则主要有等效应力准则、应力不变量准则、临界面应力准则等3类。采取Crossland和Papadopoulos两种等效应力准则进行危险区域疲劳强度判定，Crossland对Sines疲劳准则进行了修正，考虑了静水应力的影响，提出应力张量不变量可以反映物体变形状态的實质;Papadopoulos提出的细观积分法综合考虑了弯曲、扭转应力幅对疲劳破坏的影响，认为虽然疲劳裂纹的萌生是由材料内部临界体积内微观剪应力在特征滑移带上晶粒产生的塑性变形累积引起，但是在高周循环加载下材料一般宏观上表现为弹性形变。

（三）转臂定位座焊缝区域安全裕度计算

引用安全裕量参数状分别采用上述两种准则对转臂定位座焊缝进行多轴疲劳评定，Crossland和Papadopoulos准则的安全系数分别为：

得出转臂定位座焊缝区域所有节点的安全裕量值，结果如表2所示。由表2可得，两种准则下的疲劳强度计算安全系数均在1之上，满足疲劳强度要求，但是Pepadopoulos准则较Crossland准则而言，计算结果比较集中，都分布在1附近，结果较保守。

三、结论

对应力幅值较大的转臂定位座焊缝区域节点分别采用Crossland、Papadopouios多轴判定准则进行疲劳强度判定，并引入安全裕量参数，评定结果均大于1，疲劳强度满足设计要求，且Papadopoulos准则较Crossland准则，结果较保守。

参考文献：

[1]冯志琦.铁路行业焊接接头多轴疲劳强度评估方法[J].内燃机与配件，2018（02）.

[2]刘宁.新型悬挂式单轨车辆转向架构架结构优化设计与强度分析[D].成都：西南交通大学，2017.