1、第28卷,第3期中國(guó)鐵道科學(xué)2007年5月CHINARAILWAYSCIENCE文章編號(hào):100124632(2007)0320074205Vol128No13May,2007車(chē)輛焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估方法研究李曉峰,謝素明,時(shí)慧焯,兆文忠(大連交通大學(xué)車(chē)輛工程CAD/CAE技術(shù)中心,遼寧大連116028)摘要:為在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)車(chē)輛焊接結(jié)構(gòu)的抗疲勞設(shè)計(jì),在研究AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)的疲勞算法原理和焊接接頭疲勞性能參數(shù)的基礎(chǔ)上,給出基于AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行車(chē)輛焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估的方法和技術(shù)路線(xiàn)。依據(jù)AAR標(biāo)準(zhǔn)分析某公司出口的全鋼焊接結(jié)構(gòu)礦石車(chē)車(chē)體的疲勞壽命,結(jié)果表明:該出口礦石車(chē)車(chē)體焊

2、接結(jié)構(gòu)的最短疲勞壽命發(fā)生在中部橫梁腹板與橫梁下蓋板角接焊接區(qū),壽命年限為5914年,滿(mǎn)足25年設(shè)計(jì)壽命的要求;通過(guò)與IIW標(biāo)準(zhǔn)中提供的焊接接頭結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析,提出對(duì)某提速客車(chē)轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架的定位座根部焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行打磨的改進(jìn)方案。數(shù)據(jù)表明:改進(jìn)方案明顯提高了定位座根部焊接接頭的壽命。經(jīng)對(duì)比分析可以看出,基于IIW標(biāo)準(zhǔn)的焊接構(gòu)架疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果與疲勞試驗(yàn)結(jié)果比較接近。關(guān)鍵詞:車(chē)輛焊接結(jié)構(gòu);疲勞壽命;評(píng)估方法中圖分類(lèi)號(hào):U270112文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A當(dāng)前,鐵路提速、重載在滿(mǎn)足社會(huì)需求的同時(shí),也出現(xiàn)了一些值得關(guān)注的問(wèn)題。機(jī)車(chē)車(chē)輛許多構(gòu)件,尤其是焊接轉(zhuǎn)向架1,疲勞斷裂,AAR2(of)/BS3/IIW4(

3、Instituteofweld2ing)標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)輛焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估的實(shí)用方法,使機(jī)車(chē)車(chē)輛焊接結(jié)構(gòu)抗疲勞設(shè)計(jì)在產(chǎn)品的圖紙上就能展開(kāi)。111基于Miners線(xiàn)NTnNT=1/i=1Ni(1)式中:i為某一應(yīng)力級(jí)占總循環(huán)的百分?jǐn)?shù);Ni為在某一應(yīng)力級(jí)時(shí)將導(dǎo)致?lián)p壞的循環(huán)數(shù)。已知對(duì)數(shù)形式的SN曲線(xiàn)斜率k,就可以預(yù)測(cè)承受超過(guò)疲勞極限Se的Si的部件壽命:Ni為Ni=Ne/(Si/Se)1/k若以Smax代替Si,式(2)可寫(xiě)為Ni=Ne/(Smax/Se)1/k疲勞極限Se可由改進(jìn)的Goodman圖曲線(xiàn)方程得到,即Smax=Se時(shí)有Se=1-mR1疲勞壽命評(píng)估的實(shí)用方法北美鐵路協(xié)會(huì)AAR標(biāo)準(zhǔn)在美國(guó)、加拿

4、大等北美國(guó)家廣泛應(yīng)用,該標(biāo)準(zhǔn)提供了許多貨車(chē)車(chē)型的在線(xiàn)實(shí)測(cè)并經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析整理出來(lái)的載荷譜和許多焊接接頭的疲勞設(shè)計(jì)數(shù)據(jù);國(guó)際焊接學(xué)會(huì)IIW標(biāo)準(zhǔn)和英國(guó)的BS標(biāo)準(zhǔn)提供了大量的焊接工藝建議和更為豐富的鋼結(jié)構(gòu)和鋁合金的焊接接頭抗疲勞設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。盡管這些數(shù)據(jù)在應(yīng)用中可能會(huì)遇到困難,但是從支持抗疲勞設(shè)計(jì)方案比較的角度看,它的貢獻(xiàn)是不可代替的。例如,同一個(gè)方案中,計(jì)算疲勞壽命最短的部位一定是最值得關(guān)注的部位;計(jì)算壽命改善的方案一定是值得肯定的方案。收稿日期:2006203216;修訂日期:2007201212(2)(3)式中:Si為某一應(yīng)力級(jí)下部件的應(yīng)力;Ne為對(duì)應(yīng)Se的部件壽命;m為Goodman曲線(xiàn)的斜率;R為

5、應(yīng)力比,R=Smin/Smax;Sb為R等于零時(shí)的疲勞極限,計(jì)算中修正的Sb與m均取自于AAR標(biāo)準(zhǔn)。而部件的壽命里程Lf為基金項(xiàng)目:國(guó)家“八六三”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2006AA04Z160);遼寧省教育廳計(jì)劃資助項(xiàng)目(05L052),男,黑龍江齊齊哈爾人,博士研究生。作者簡(jiǎn)介:李曉峰(1972第3期車(chē)輛焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估方法研究75Lf=1/k1/kR-1,1Simax(1-mR)(4)式中:是每英里譜總循環(huán)數(shù)。若以L(fǎng)fj表示部件評(píng)估點(diǎn)在第j種載荷譜作用下的壽命里程,則m種載荷譜下部件評(píng)估點(diǎn)的壽命里程L為m1/L=1/j=11/Lfj(5)圖2BS標(biāo)準(zhǔn)的SN曲線(xiàn)基于AAR標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)輛焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽

6、命評(píng)估時(shí),首先將預(yù)測(cè)對(duì)象離散成有限元模型,然后將從AAR標(biāo)準(zhǔn)中選定的載荷譜中的某一指定值加載到有限元模型上,獲得標(biāo)定的應(yīng)力分布,再根據(jù)載荷譜的變化規(guī)律,獲得預(yù)測(cè)對(duì)象的動(dòng)應(yīng)力譜;按照AAR要求,將評(píng)估點(diǎn)的雙向應(yīng)力等效處理,根據(jù)該點(diǎn)應(yīng)力變化情況,求其循環(huán)特性,并根據(jù)評(píng)估點(diǎn)焊接接頭幾何和加載方向及焊接類(lèi)型,從AAR表中選擇SN曲線(xiàn)和Goodman圖的參數(shù),最后根據(jù)式(3)式(5)計(jì)算待評(píng)估點(diǎn)的壽命。112基于BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)疲勞壽命評(píng)估的方法在BS標(biāo)準(zhǔn)中,損傷比定義為m(i>0)0107=m+2Ni(i0)0107(7)式中:0為評(píng)估點(diǎn)的SN曲線(xiàn)拐點(diǎn)處的應(yīng)力值;m為SN曲線(xiàn)斜率。在IIW標(biāo)準(zhǔn)中

7、,i1)C1=2i(2i1)C2最近20余年的研究表明5,BS以及IIWSN,如圖1和圖21中可以看出,IW標(biāo)準(zhǔn)的SN曲線(xiàn)有2個(gè)拐點(diǎn),標(biāo)準(zhǔn)中各種焊接接頭對(duì)應(yīng)疲勞強(qiáng)度的高低以疲勞等級(jí)(FAT)表示,它對(duì)應(yīng)于循環(huán)200萬(wàn)次的常幅應(yīng)力范圍的值。圖2所示BS標(biāo)準(zhǔn)的SN曲線(xiàn)也是以應(yīng)力范圍和循環(huán)數(shù)表示,且為雙斜率曲線(xiàn),但它沒(méi)有截止線(xiàn)。(8)式中:1和2為評(píng)估點(diǎn)的SN曲線(xiàn)拐點(diǎn)處的應(yīng)力值;C1和C2為常系數(shù)。則壽命總里程Lf為L(zhǎng)f=iNi(9)將式(7)、式(8)代入上式,即可求出2種標(biāo)準(zhǔn)下的疲勞壽命。IIW標(biāo)準(zhǔn)比BS標(biāo)準(zhǔn)更注重焊接接頭細(xì)節(jié),它的焊接接頭分類(lèi)更詳細(xì),前者更多地考慮了其他因素對(duì)壽命的影響,并提供

8、了相當(dāng)豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。IIW標(biāo)準(zhǔn)給出的80種鋼結(jié)構(gòu)和57種鋁合金焊接接頭的數(shù)據(jù)中,主要是基于標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力范圍的SN曲線(xiàn)和少量的且主要用于管形接頭的基于幾何應(yīng)力范圍的SN曲線(xiàn),只有1條基于等效缺口應(yīng)力范圍的SN曲線(xiàn)。基于BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車(chē)輛焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行的壽命評(píng)估過(guò)程同AAR標(biāo)準(zhǔn)的大致相同:指定具體待評(píng)點(diǎn)的位置;如果有動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)編譜而獲得該點(diǎn)的應(yīng)力幅值譜,如果沒(méi)有動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),有載荷譜,那么創(chuàng)建有限元模型,再根據(jù)載荷譜及有限元模型獲得該點(diǎn)的應(yīng)力幅值譜;根據(jù)該點(diǎn)所在焊接接頭類(lèi)型細(xì)節(jié)及承載方向,在BS或圖1IIW標(biāo)準(zhǔn)的SN曲線(xiàn)IIW和BS標(biāo)準(zhǔn)的壽命預(yù)測(cè)算法原理也是基于Miners損傷累積理論

9、。以ni表示載荷譜中應(yīng)力范圍為i的循環(huán)次數(shù),則在下式情況時(shí)出現(xiàn)疲勞破壞。D=Nii=1(6)76中國(guó)鐵道科學(xué)第28卷IIW標(biāo)準(zhǔn)中選擇對(duì)應(yīng)的用于建立SN曲線(xiàn)的疲勞相關(guān)參數(shù);根據(jù)式(7)或式(8)計(jì)算損傷比累計(jì);根據(jù)載荷譜或動(dòng)應(yīng)力譜所對(duì)應(yīng)的里程數(shù),由式(9)求出壽命里程。值得注意的是:IIW標(biāo)準(zhǔn)和BS標(biāo)準(zhǔn)的焊接接頭疲勞數(shù)據(jù)是基于一定條件建立的,當(dāng)實(shí)際問(wèn)題的條件與其不一致時(shí),要進(jìn)行相應(yīng)的修正。2工程實(shí)例211基于AAR標(biāo)準(zhǔn)的貨車(chē)車(chē)體疲勞壽命評(píng)估圖4重車(chē)1600kN拉伸工況最小主應(yīng)力云圖某公司出口的礦石車(chē)車(chē)體為全鋼焊接結(jié)構(gòu)。對(duì)該車(chē)體進(jìn)行疲勞壽命預(yù)測(cè)時(shí),疲勞當(dāng)量應(yīng)力取其空、重車(chē)1600kN拉伸工況的有限

10、元結(jié)果,其1/4車(chē)體的有限元網(wǎng)格模型共劃分了32358個(gè)單元、25270個(gè)結(jié)點(diǎn)。由于沒(méi)有該類(lèi)車(chē)輛的實(shí)測(cè)載荷譜,選用AAR標(biāo)準(zhǔn)中相近的9017t高邊敞車(chē)載荷譜進(jìn)行試算。經(jīng)過(guò)初步計(jì)算比較,車(chē)鉤力是引起疲勞破壞的主要原因,因此,車(chē)用9017t設(shè)計(jì),萬(wàn),設(shè)計(jì)壽命25年,空、重車(chē)?yán)锍瘫葹?1,即空、重車(chē)壽命總里程均為275萬(wàn)km,空重車(chē)年運(yùn)行里程均為11萬(wàn)km。從疲勞計(jì)算結(jié)果分析,最短疲勞壽命發(fā)生在中部橫梁腹板與橫梁下蓋板角接焊接區(qū),壽命年限為5914年,滿(mǎn)足25年設(shè)計(jì)壽命的要求。其他各點(diǎn)疲勞損傷值較小,具有足夠的抗疲勞儲(chǔ)備量。212基于IIW標(biāo)準(zhǔn)的焊接構(gòu)架疲勞壽命評(píng)估某客車(chē)轉(zhuǎn)向架焊接構(gòu)架為H形,采用鋼

11、板組焊結(jié)構(gòu)。Ncode公司、返連續(xù):對(duì)每一通道數(shù)據(jù)動(dòng)應(yīng)力經(jīng)去掉毛刺、低通濾波、雨流計(jì)數(shù)后進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力編譜。從IIW標(biāo)準(zhǔn)中確定對(duì)應(yīng)于構(gòu)架評(píng)估點(diǎn)部位焊接接頭形式的SN曲線(xiàn)參數(shù)(見(jiàn)表1)。利用式(6)、式(8)和式(9)以及評(píng)估點(diǎn)的應(yīng)力譜,可得到各評(píng)估點(diǎn)往、返的壽命。結(jié)果表明:構(gòu)架疲勞壽命最薄弱部位在定位座根部的焊接部位,具體數(shù)值列于表1。由于1個(gè)定位座的數(shù)據(jù)不完整,因此,取了其余3個(gè)定位座根部的數(shù)據(jù)。根據(jù)空、重車(chē)1600kN拉伸工況的有限元結(jié)果(重車(chē)1600kN拉伸工況車(chē)體最大和最小主應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3和圖4),確定重點(diǎn)疲勞評(píng)估部位為枕梁上蓋板與腹板角接焊接區(qū)、橫梁腹板與下蓋板角接焊接區(qū)、橫梁下蓋板與中

12、梁對(duì)接焊接區(qū)、中部橫梁下蓋板與中梁對(duì)接焊接區(qū)、中部橫梁腹板與橫梁下蓋板角接焊接區(qū)。依據(jù)各評(píng)估部位的焊接接頭幾何和加載方向及焊接類(lèi)型,從AAR表中選擇SN曲線(xiàn)和Goodman圖的疲勞性能參數(shù)。圖5定位座根部焊接結(jié)構(gòu)示意圖圖3重車(chē)1600kN拉伸工況最大主應(yīng)力云圖通過(guò)對(duì)定位座根部焊接結(jié)構(gòu)和IIW標(biāo)準(zhǔn)中提供的焊接接頭結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析,提出對(duì)定位座根部焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行打磨的改進(jìn)方案,參見(jiàn)圖5。由于SN曲線(xiàn)為雙對(duì)數(shù)曲線(xiàn),在相同斜率下,此部位改進(jìn)前后的SN曲線(xiàn)參數(shù)明顯提高,即由3618MPa提高到4614MPa,由2012MPa提高到2515第3期車(chē)輛焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命評(píng)估方法研究77MPa。改進(jìn)后的構(gòu)架提高了定

13、位座根部焊接接頭的定位座根部結(jié)構(gòu)類(lèi)型原來(lái)1壽命。參數(shù)壽命/km7156×106(往)8114×106(返)2176×107(往)2132×107(返)8174×106(往)5197×106(返)1190×107(往)2195×107(返)4198×106(往)4152×106(返)1143×107(往)1154×107(返)表1基于IIW標(biāo)準(zhǔn)的定位座根部相關(guān)參數(shù)和計(jì)算結(jié)果FAT506350635063mC1C21/MPa3618461436184614361846142/MP

14、a20122515201225152012251533333321500×101151001×101121500×101151001×101121500×101151101×101131393×101411078×101531393×101411078×101531393×101411078×1015改進(jìn)原來(lái)2改進(jìn)原來(lái)3改進(jìn)文獻(xiàn)6給出的構(gòu)架定位座根部結(jié)構(gòu)改進(jìn)前、后壽命的疲勞試驗(yàn)結(jié)果分別為478和1235萬(wàn)km,對(duì)比分析可以看出,基于IIW標(biāo)準(zhǔn)的焊接構(gòu)架疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果與疲勞試

15、驗(yàn)結(jié)果比較接近。明顯地提高了它的疲勞壽命。(2)由于影響焊接鋼結(jié)構(gòu)疲勞壽命的因素太多,因此,依靠AAR/BS/IIW標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算得到的疲勞壽命不可能是實(shí)際工作壽命,“,“壽(,AAR/BS/標(biāo)準(zhǔn)不可能提供所有產(chǎn)品的焊接接頭數(shù)據(jù),基3結(jié)語(yǔ)在研究,通過(guò)2個(gè)工程案例的分析,可以得出以下結(jié)論。(1)基于IIW標(biāo)準(zhǔn)和動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果的疲勞壽命分析技術(shù)路線(xiàn)是切實(shí)可行和有一定參考價(jià)值的;并且,在同樣應(yīng)力譜下,焊接接頭細(xì)節(jié)的改進(jìn)參考于安全方面考慮,建議選取相對(duì)不利的接頭。考慮到國(guó)內(nèi)焊接工藝水平的不穩(wěn)定性及材料質(zhì)量的分散性,即使是同樣的焊接接頭,其壽命仍要比國(guó)外的低一些。文獻(xiàn)1秦國(guó)棟,劉志明,崔二光,等.提速轉(zhuǎn)向架焊

16、接構(gòu)架疲勞壽命的實(shí)用分析方法J.中國(guó)鐵道科學(xué),2004,25(1):46251.(QINGuodong,LIUZhiming,CUIErguang,etal.PracticalAnalysisMethodforFatigueLifeofWeldedFrameofSpeed2upBogieJ.ChinaRailwayScience,2004,25(1):46251.inChinese)2美國(guó)鐵路研究協(xié)會(huì).AAR機(jī)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)S.美國(guó):北美鐵路協(xié)會(huì),1999.(AssociationofAmericanRailroad.AARLocomotiveandRollingStockStandardManu

17、alS.AmericaAAR,1999.inChinese)3國(guó)際焊接學(xué)會(huì)(IIW).焊接接頭與部件的疲勞設(shè)計(jì)S.IIS/IIW,1995.(InternationalInstituteofWelding(IIW).StressDeterminationforFatigueAnalysisWeldedComponentsS.IIS/IIW,1995.inChinese)4英國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)(BSI).BS760821993鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)與評(píng)估S.BSI,1993.(BritishStandardInstitute(BSI).BS760821993FatigueDesignandAssessment

18、ofSteelStructuresS.BSI,1993.inChinese)5霍立興.焊接結(jié)構(gòu)的斷裂行為及評(píng)定M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.(HUOLixing.FractureandAssessmentofWeldedStructureM.Beijing:ChinaMachinePress,2000.inChi2nese)78中國(guó)鐵道科學(xué)第28卷6中國(guó)北車(chē)集團(tuán)四方車(chē)輛研究所.焊接轉(zhuǎn)向架疲勞試驗(yàn)報(bào)告R.青島:中國(guó)北車(chē)集團(tuán)四方車(chē)輛研究所,2005.StudyontheAnalysisMethodforFatigueLifePredictionofVehicleWeldedStructure

19、LIXiaofeng,XIESuming,SHIHuizhuo,ZHAOWenzhong(VehicleEngineeringCenterofCAD/CAE,DalianJiaotongUniversity,DalianLiaoning116028,China)Abstract:Toachievefatiguelifepredictionofvehicleweldedstructureduringdesignphase,practicalanal2ysismethodsarepresentedbymeansoffatigueanalysisprincipleandfatigueperforma

20、nceparameterofweldedstructureofAAR/BS/IIWstandard.FatiguelifepredictionresultsofanexportedwagonbyAARstandardshowthattheweldedregionlocatedinmiddleofthewagon,wherewebandbottomoftransversebeamintersected,hastheshortestlife2span(5914years)andsatisfiesthedesignrequirement(25years).BasedonweldedjointsS-N

21、curvesprovidedbyIIWstandardanddynamicstressspectrumtestedonline,fatiguelifepredictionforweldedframeofspeed2upbogieisgiven.Dependingontheanaly2sisresults,animprovedframestructureispresented.Theframeanalysisresultisclosetothetestresult.Keywords:Vehicleweldedstructure;Fatiguelife;met(責(zé)任編輯楊寧清)(上接第67頁(yè))48無(wú)碴軌道用CA砂漿的研制在自主研發(fā)的陽(yáng)離子乳化瀝青水泥砂漿成果的基礎(chǔ)上,參考借鑒國(guó)外板式無(wú)碴軌道CA砂漿的資料,通過(guò)原材料的篩選、乳化設(shè)備和工藝的選擇和研究,采用乳化劑復(fù)配等技術(shù),經(jīng)大量的試驗(yàn),研制出了中-非、慢-外、慢-慢和慢-非4種類(lèi)型的乳化瀝青;在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行放大試驗(yàn),確定了生產(chǎn)工藝并生產(chǎn)出性能穩(wěn)定的乳化瀝青。然后在此基礎(chǔ)上選擇并確定了合適的原材料,研制出相關(guān)的試驗(yàn)設(shè)備,進(jìn)行了