基于结构应力法的焊接构架疲劳累积损伤研究*

2021-07-30孟子超王伯铭

机械工程与自动化 2021年2期

孟子超，王伯铭

(西南交通大学机械工程学院，四川成都 610031)

0 引言

传统的轨道交通结构设计大多采用静态设计的方式，是以安全系数作为指标保证强度裕量的定值方法，但常常忽略由于速度提升或者线路运行条件恶劣导致的结构动载荷及动态响应的增加，进而造成承载结构的疲劳破坏。转向架构架作为承载结构，在复杂的交变载荷作用下，构架焊缝处极易形成疲劳裂纹，影响车辆运行的安全可靠性，因此提高构架的抗疲劳强度已成为日益紧迫的问题[1]。

长期以来，焊接结构的疲劳强度评估主要采用名义应力法。但是在工程运用中，受困于焊接接头的几何形状与受力状态的复杂性，很难找到与焊接标准中相对应的S-N曲线[2]。为解决名义应力法在焊接结构疲劳强度评定中应用的局限性，基于表面外推的热点应力法首先被应用于海上结构的管接头中，国内外学者也相继对热点应力法展开深入的研究[3，4]。但该方法也存在一定的局限性：对处于双向应力状态的焊接板结构使用热点应力法进行评估时，仅适用于应力主要垂直于焊缝的情况。

针对传统焊接结构疲劳评估方法展现出的局限性，2007美国机械工程师协会ASME以标准的形式推出了基于力学基本原理及大量焊接试验发明的结构应力法，2015年新增了基于结构应力法预测焊接结构疲劳寿命的概述和步骤[5]。本文以某悬挂式单轨车辆转向架焊接构架为研究对象，根据EN13749制定构架的疲劳载荷谱，结合ASME标准中给定的结构应力法对焊接构架进行虚拟疲劳试验。

1 构架有限元模型及疲劳载荷谱

1.1 有限元模型

悬挂式单轨车辆转向架构架整体结构采用高强度钢板拼焊的箱型结构组焊而成，在导向轮、齿轮箱定位销轴、电机悬挂、悬吊销轴处设置有安装座。在三维建模软件CATIA中建立焊接构架几何模型(见图1)，将几何模型导入有限元前处理软件Hypermesh。

构架离散为八节点的六面体Solid185单元；建立梁单元Beam188模拟齿轮箱及走行轮，且在构架各弹性关节处建立弹簧单元Combin14模拟真实的边界条件；电机以质量单元Mass21的形式施加在其重心处且通过Rbe3柔性连接于构架电机安装孔处。

1-稳定轮安装座；2-齿轮箱定位销轴安装座；3-电机安装法兰盘；4-悬吊销轴；5-斜止挡；6-导向轮安装座

1.2 疲劳载荷谱

EN13749标准规定转向架焊接构架疲劳试验载荷的循环加载次数为107次，分三个阶段加载：6×106次、2×106次、2×106次。因直轨或者大曲线半径引起的载荷一般只包括极低的准静态和动态分量，故疲劳工况通常只模拟通过曲线或道岔时遇到的载荷。EN13749标准根据列车的运行情况及转向架的结构形式将转向架分为7类，且提供部分类别转向架疲劳试验方案。对于B-IV类轻轨车辆和有轨电车转向架，标准建议该类转向架进行疲劳试验时选取适当数量的设计所使用的疲劳载荷工况。

根据EN13749标准提供的B-IV类转向架在曲线、道岔下的加速度参考值及风载荷的大小确定悬挂式单轨车辆转向架构架的疲劳载荷工况。将疲劳载荷工况进行组合转化成等效的12级载荷谱，每一阶段的疲劳试验载荷等效转化为4级载荷谱。如果第一阶段疲劳试验没有出现任何问题，随后第二阶段疲劳试验载荷需要放大1.2倍；如果第二阶段疲劳试验没有出现任何问题，随后第三阶段疲劳试验载荷需要放大1.4倍。该焊接构架在第一阶段的疲劳载荷谱见表1。

表1 焊接构架第一阶段疲劳载荷

2 基于结构应力法的虚拟疲劳试验技术

2.1 结构应力法的疲劳寿命评估原理

结构应力法是美国新奥尔良大学董平沙博士基于断裂力学理论及大量焊接接头疲劳试验得出的用于焊缝疲劳寿命评估的新方法，在2007年该方法被写进ASME标准中。董博士将受外力作用下焊缝截面上沿厚度方向上的非线性应力分成两个部分：第一部分是由外力引起且与外力相互平衡的结构应力；第二部分是由焊接导致的非线性自平衡的缺口应力。基于有限元法，利用焊缝上的节点力与外力相平衡的条件求得结构应力。结构应力由两部分组成，一是弯曲应力σb，二是膜应力σm。

董博士根据焊接结构疲劳失效的机理，针对焊接接头本身没有裂纹萌生这一特点引入断裂力学理论求解应力强度因子K值，获得焊缝处裂纹扩展的规律，然后根据Paris寿命积分公式导出计算疲劳寿命的主S-N曲线。

2.2 基于结构应力法的虚拟疲劳试验流程

ASME(2015)标准给出了基于结构应力法对焊接结构进行疲劳强度评估防止其失效的概述与步骤。本文将该标准给定的评估方法用于上述的悬挂式单轨车辆转向架焊接构架中，并总结出了以下几个关键步骤：

(1) 定义构架中要评估的焊缝，根据ASME标准中给定的结构应力法，求解疲劳试验第一阶段4级载荷谱下焊缝上各节点的结构应力。由于结构是线弹性的，疲劳试验第二、三阶段的各工况结构应力可由载荷大小的比列算得。

(2) 计算第k级载荷谱下焊缝上各节点在最大和最小应力工况下的弹性膜应力和弯曲应力(最大应力工况记为m，最小应力工况计为n)。利用这些数据，计算如下参数：

k级载荷谱下弹性膜应力变化范围：

k级载荷谱下弹性弯曲应力变化范围：

k级载荷谱下最大结构应力：

k级载荷谱下最小结构应力：

k级载荷谱下结构应力变化范围：

(3) 计算第k级载荷谱下的等效结构应力变化范围：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中：Rk为应力比，为k级载荷谱下最小结构应力与最大结构应力的比值。

(4) 根据计算得到的等效结构应力变化范围计算循环次数Nk,选用98%可靠度-2σ的主S-N曲线参数，即：

Nk=(ΔSess，k/Cd)-1/h.

(5)

其中：Cd和h为试验常数，分别取值13 875.7和0.319 5。

(5) 计算第k级载荷谱下的疲劳损伤：

(6)

其中：nk为第k级载荷谱下的循环次数。

(6) 计算累积损伤，如果焊缝上各节点数据满足式(7)，则证明该处焊接的设计是合格的。

(7)

3 构架焊缝的疲劳累积损伤研究

将构架的有限元模型导入到有限元计算软件ANSYS中，计算疲劳载荷谱给出的第一阶段8种应力工况。选取主应力幅值较大的节点进行分析，若节点离焊缝较近，由此确定其为构架中需要评估的焊缝。构架部分待评估焊缝位置如图2所示。

图2 构架部分待评估焊缝示意图

将ANSYS计算结果文件RST导入FE-safe verity模块中，对需要评估的焊缝进行定义，焊穿的筋板需要在板厚方向上至少划分三层网格才能定义环形焊线(如电机安装座加强筋板)，利用有限无法求得焊缝上各节点在8个工况下的结构应力。以位于构架悬吊部分加强筋板处焊缝b为例进行分析,首先获得焊缝b在各级载荷谱下各节点沿焊缝方向上的结构应力及结构应力变化范围，然后根据弯曲载荷比I及板厚t等参数计算得到等效结构应力变化范围，该焊缝在每级载荷谱下的等效结构应力变化范围如图3所示。基于上述等效结构应力的计算结果，结合主S-N曲线计算焊缝上各节点的疲劳累积损伤，计算结果如图4所示。

图3 焊缝b在前4级载荷谱图4 焊缝b各节点的下的等效结构应力分布变化范围疲劳累积损伤

用上述的评估方法对焊接构架中其余待评估的焊缝进行累积损伤计算，结果表明构架焊缝损伤总值均小于1.0，其中焊缝累积损伤最大处为焊缝距起始节点190 mm处的位置，累计损伤值为0.713。分析该节点在各级载荷谱下的损伤值，如图5所示。计算结果表明：虽然相邻载荷谱(如1、2级载荷谱)下作用力变化的幅值相同，但对焊缝造成的损伤值是不同的，表明制定疲劳载荷谱时不能仅依据作用力变化幅值而定；根据EN标准针对B-IV类转向架所制定的疲劳载荷工况，曲线上造成的累计损伤值大于在道岔上造成的累计损伤值。