考虑气动载荷的动车组铝合金司机室焊接接头应力因子分析

2021-10-31谢素明齐硕程亚军范文杰

大连交通大学学报 2021年5期

谢素明，齐硕，程亚军，范文杰

(1.大连交通大学机车车辆工程学院，辽宁大连 116028；2.中车长春轨道客车股份有限公司工程实验室，吉林长春 130062)*

列车高速会车和穿越隧道时，车体头部和尾部承受的气动压力瞬间发生剧烈变化，这种频繁交变的气动载荷已成为高速动车组车体设计过程中重点关注的外部载荷[1].

当前，在高速列车空气动力学试验和气动载荷下车体疲劳问题方面开展了比较深入地研究.熊小慧[2]等阐述了胶济线CRH2型动车组列车交会空气压力波实车测试情况，总结出CHR2型动车组上的交会压力波幅值近似与同型号等速交会动车组运行速度的平方成正比；卢耀辉等[3]将气动载荷与其他疲劳载荷相组合，基于Goodman疲劳曲线对车体疲劳强度进行评定，指出气动载荷容易导致侧墙疲劳失效；余思均[4]开展了高速列车车体受气动载荷作用的瞬态过程研究，分析了气动载荷的瞬态作用对车体侧墙结构强度的影响.

目前高速动车组制造部门进行车体焊接接头设计时执行EN15085-3:2007标准[5]，要求车体焊接接头即要满足疲劳寿命设计要求，还需确定接头的应力因子和应力状态等级.为此，谢素明等[6]利用DVS1608-2011及BS EN15085-3标准，在BS EN 12663标准提供的加速度疲劳载荷作用下，研究动车组铝合金车体焊接接头的应力因子和应力状态等级.然而，由于DVS 1608-2011标准仅适用于ENAW-6005A和EN AW-6082的挤压型材、板材电弧焊接接头承受载荷循环次数为107的情况[7]，实际上高速动车组车体的气动疲劳载荷的循环次数达不到这样高，所以，当考虑气动疲劳载荷时DVS 1608-2011标准就无法用于动车组车体焊接接头的应力因子分析.

在研究EN1999-1-3:2007[8]和IIW-2008[9]标准的基础上，本文以某高速动车组铝合金车体为分析对象，基于疲劳损伤等效原则，研究气动载荷和加速度疲劳载荷共同作用下的动车组车体司机室焊接接头疲劳寿命，进而根据BS EN15085-3标准计算出焊接接头的应力因子，确定焊接接头的应力状态等级.

1 车体焊接接头应力因子的分析方法

由于国际焊接学会IIW-2008文件提供了较多的铝合金焊接接头的S-N曲线数据，所以铝合金车体设计部门在铝合金结构焊接接头疲劳设计时经常采用该文件的名义应力法的疲劳性能参数.随着铝合金车体研制质量的升级，现已开展将铝合金结构疲劳设计的英国标准BS EN 1999-1-3: 2007用于高速铝合金车体焊接结构的设计工作.

BS EN 1999-1-3: 2007适用于铝合金车体常用的EN AW-6005A和EN AW-6082的铝合金挤压型材、板材以及锻造件母材和电弧焊接结构的疲劳强度评价.其疲劳强度数据曲线由试验数据的均值减去2个标准差表示，应力与寿命次数的关系曲线以对数表达，见图1.选择主应力范围作为名义应力法评估焊接接头疲劳强度的依据.由于车体结构有限元模型中包括了部件几何结构不连续的主要细部结构，所以，从有限元分析结果中提取出焊接接头的主应力可视为修正标称应力.焊接接头的应力选取点位置应距离焊缝一定距离，建议10 mm.

图1 BS EN 1999-1-3中logΔσ-logN曲线

图1中a为疲劳强度曲线；b为参考疲劳强度(2×106次循环Nc对应应力范围Δσc)；c为常幅疲劳极限(5×106次循环ND对应应力范围ΔσD)；d为截止极限(108次循环NL对应应力范围ΔσL)；m1和m2为曲线Δσ-N的反斜率.该曲线的第一个拐点为5×106，第二个拐点为108.曲线的分段关系式为

(1)

(5×106～108)

(2)

式中:γFf为荷载谱和响应分析中考虑到不确定性的分项系数(建议取值1.0)；γMf为材料和施工不确定性的分项系数(建议取值1.0)；对于焊接接头，m2=m1+2.除全熔透双面磨平的对接接头的logΔσ-logN曲线的m1取值为7外，其他焊接接头的m1取值为3.4或4.3.

国际焊接学会IIW-2008文件“焊接接头与部件的疲劳设计”提供了材料屈服强度高达700MPa的铁素体/珠光体或贝氏体结构钢锻造或挤压产品制成的焊接结构和常用于制造焊接结构的铝合金的至少有95%存活率的抗疲劳数据.文件中给出焊接接头双对数坐标系下的应力范围Δσ与达到疲劳的循环次数N双斜率的曲线，第一个曲线拐点对应的循环次数Nc= 107，第二个拐点即为曲线截止循环次数Ncut= 1×109.与BS EN 1999-1-3: 2007相同，将N= 2×106循环次数对应的疲劳强度值记为FAT等级.Δσ-N曲线的两阶段的函数关系式均可写成

N=C/Δσm

(3)

当Δσ>Δσ1时，上式中C为C1，m为m1，值为3；当Δσ2≤Δσ≤Δσ1时，C为C2，m为m2，常幅载荷时值为22；变幅载荷时值为5.Δσ1和Δσ2为Δσ-N曲线的拐点；C1和C2为常系数；m1和m2为Δσ-N曲线斜率.

两标准中焊接接头细部、承载方向、质量要求一致，疲劳强度等级相同或接近的四个典型接头如图2所示，图2(a)中类型I对接接头的承载方向与焊缝平行，连接板对接部位没有圆角半径；类型II对接接头的承载方向与焊缝垂直，焊缝全溶透且双面磨平；类型III搭接接头的承载方向与焊缝垂直，焊缝潜在裂纹初始位置为焊喉；类型IV接头的承载方向与焊缝平行，纵向角焊缝连接板长度大于100 mm且双面焊接.四个接头的logΔσ-logN曲线典型参数数据见表1，其中类型I和II的logΔσ-logN曲线如图3所示.

(a) 类型I (b) 类型II

结合表1和图3可以看出：接头疲劳强度等级相同的接头I和II，以及接头疲劳强度等级相近的接头III和IV，它们的循环次数107对应的应力变化范围IIW中的值要小于BS EN 1999-1-3中的值.

表1 接头疲劳强度等级接近的疲劳参数

(a) 类型I

(b) 类型II图3 接头疲劳强度等级相同的logΔσ-logN曲线

由于轨道车辆铝合金车体加速度疲劳设计载荷来自EN12663，加载次数均为107.所以，采用IIW文件评估客车车体焊接接头疲劳强度偏于保守.

目前高速动车组铝合金车体的疲劳载荷工况可主要归纳为两类：一类是由多个单载荷工况组成的疲劳工况，加载次数为107；另一类是由多个疲劳工况组成且各疲劳载荷的加载次数不同，见表2.

表2 车体两种疲劳载荷工况

两标准的名义应力方法评定焊接接头疲劳强度的过程相同.承受第一类疲劳载荷工况的焊接接头疲劳强度主要步骤如下：

(1)分析每一单工况载荷作用下焊接接头评估点主应力大小和方向，并将所有载荷工况下评估点主应力值最大的确定为最大主应力σmax，其对应的方向余弦(nx、ny、nz)作为基本应力矢量方向；

图4 主应力变化范围的计算过程示意图

(4)

(4)判断评估点的主应力变化范围Δσ与ΔσR的大小.同时，若Δσ小于ΔσR，且大于标准中疲劳曲线的截止应力变化范围时，需利用式(1)～(3)计算损伤；

(5)当Δσ小于ΔσR时，接头疲劳评估结束.否则，需要修改局部结构或者提高焊接接头的疲劳等级，返回(1)重新进行计算，直到满足设计要求.

当焊接接头承受第二类疲劳载荷时，需对单疲劳工况执行上述步骤(1)～(4)，获得接头的每一单疲劳工况的损伤ni/Ni，然后再进行损伤累积

(5)

若D小于1.0时，接头疲劳评估结束.否则，需要修改局部结构或者提高焊接接头的疲劳等级重新计算，直到满足设计要求.

执行EN15085-3:2007标准进行高速动车组车体焊接接头设计时，车体焊接接头首先要满足疲劳寿命设计要求，然后还需确定接头的应力因子和应力状态等级.对于承受第一类疲劳载荷工况的焊接接头的应力因子计算比较简单，Δσ与ΔσR的比值即为接头应力因子；当接头承受第二类疲劳载荷工况时情况相对复杂，需先依据累积损伤D求出等效循环次数Neq

(6)

式中，NT为每一单疲劳工况的加载次数之和.然后利用式(1)～(3)获得等效应力σeq和NT对应的应力变化范围ΔσRT.接头的应力因子为等效应力σeq与ΔσRT的比值.

2 车体焊接接头应力因子分析

某动车组铝合金车体长度为25 498 mm，宽度为3 360 mm，高度为4 050 mm(距轨面)，车辆定距为17 800 mm，车辆定员质量为44 t.考虑气动载荷的车体疲劳载荷工况属于第二类，参见表2.气动载荷作用于车体侧墙和车顶的外表面，此时NT应为3 200万次.该车体有限元分析模型以任意四节点薄壳单元为主，单元总数为2 467 282，节点总数为2 240 556，模型重10.5t.车体有限元分析模型如图5所示.

图5 车体有限元模型及典型接头示意

整车车体由不同形状的铝合金型材及板材组焊而成，存在大量形式不同和方向各异的焊缝，车体型材典型接头参见图5.基于IIW-2008和BS EN 1999-1-3: 2007标准开展如此众多焊缝的疲劳分析及接头应力状态等级的评定工作，评估周期长.为提高计算效率，应考虑编制程序来实现.

由于车体结构强度分析采用ANSYS软件完成的，同时ANSYS批处理模式执行分析过程不需要显示模型就可以在后台执行APDL编写的分析程序流，所以为便于读取ANSYS的分析结果数据，编制接头疲劳分析及应力因子计算程序的基本思路确定为：利用C#开发可视化程序，以批处理模式启动ANSYS软件，然后读取编写的APDL程序流进行计算[10].其中，C#程序和ANSYS软件之间的通信为重要核心问题.

基于APDL参数化语言编写的程序包括：①根据C#编写的可视化页面上用户的选择确定铝合金车体需要分析的关切焊缝、疲劳载荷工况以及焊缝在不同工况下所对应的疲劳强度等级参数；②利用*GET语句访问ANSYS数据库，从ANSYS计算结果rst文件中提取整体坐标系下所有疲劳计算工况的焊缝节点的第一主应力；③程序包含3层循环，每层循环通过循环语句*DO-*ENDDO编制而成，同时循环过程中穿插着多个条件语句*IF对整个循环体进行完善，外侧循环以焊缝组为循环控制变量，中间层循环以载荷工况编号为循环控制变量，内层循环以焊缝分组内的节点编号为循环控制变量.当完成焊缝组别内的所有节点的计算后，程序将自动结束；④通过创建宏文件语句*CFWRITE将评估的每条焊缝在每个疲劳载荷下的分析结果以txt文件的形式输出保存.

基于C#编写交互界面及ANSYS事件处理程序：交互界面要考虑到使用的易用性，同时还必须提供分析焊接接头必要的参数输入窗口.软件会自动读取车体有限元模型中的焊缝名称以及所加载的疲劳载荷工况供用户选择.交互界面编写完成后，在计算按钮的Click事件中新建进程启动ANSYS.交互界面如图6所示.软件会在后台使用Stream Write和Stream Reader类来读取和写入由APDL脚本输出的txt结果文档，并对其中的数据进行处理，将关心的数据显示在交互界面上[11].关切的应力云图以及位移云图会通过Image. From File方法显示在交互界面上，参见图6.

图6 接头应力因子计算程序的交互界面

在疲劳载荷工况作用下，利用编制的IW-2008标准和BS EN 1999-1-3: 2007标准评估程序，确定了车体司机室疲劳薄弱的四条焊缝分别为：司机室立柱与边梁焊缝(焊缝1)、司机室立板加强板与边梁焊缝(焊缝2)、司机车车窗立柱与边梁焊缝(焊缝3)、司机室立板与边梁焊缝(焊缝4).

由于各疲劳工况的载荷方向和作用位置不同，因此，同一条焊缝在不同疲劳载荷工况下的主应力矢量方向不同(例如焊缝3在不同疲劳载荷下的主应力矢量图如图7所示).

图7 不同载荷下焊缝3的主应力方向

根据疲劳载荷工况下的主应力矢量方向与焊接接头的类型确定出焊缝在每个工况下的FAT等级.表3给出了这四条焊缝在每工况下的FAT等级、主应力大小及损伤.由表3可以看出：这四条焊缝的累积损伤值均是IIW的计算结果大于EN 1999-1-3的计算结果；焊缝1的累积损伤最大，值为0.753.

表3 车体关键焊缝的累积损伤

表4给出了这四条焊缝的应力因子以及应力状态.BS EN15085-3标准规定：接头应力因子大于等于0.9时，应力状态等级为高；应力因子大于等于0.750且小于0.9时，应力状态等级为中.由表4可以看出：四条焊缝IIW的应力因子计算结果均大于EN 1999-1-3的计算结果；使用IIW-2008标准评定的四条焊缝的应力状态等级均为高；而用EN 1999-1-3评定时焊缝1的应力因子为0.94，应力状态等级为高；其他三条焊缝的应力因子均小于0.9，应力状态等级均为中.