氣動載荷下高速列車車體焊接結構疲勞壽命預測

高月華，付占起，兆文忠

(大連交通大學 交通運輸工程學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

隨著列車速度的不斷提高，高速鐵路隧道空氣動力學已成為列車空氣動力學的重要組成部分.高速列車在隧道中運行和明線運行相比產生的空氣動力學問題更加復雜.列車穿越隧道時受到的氣動阻力很大程度上取決于隧道內的壓力波.當高速列車進入隧道時，隧道內的空氣壓力在極短時間內發生強烈波動，壓縮波在車頭處形成，并在隧道內以近似聲速的速度傳播.一部分壓縮波在到達隧道出口時又以膨脹波形式反射回來.壓力波在隧道出口和進口之間不斷反射，從而在隧道內部形成了復雜的相互作用.這些壓力波造成了大的壓力瞬變，形成的脈動載荷作用在列車上對車體結構及關鍵焊接部位可能造成疲勞隱患.然而，就氣動載荷作用下對車體焊接結構疲勞壽命預測的研究則很少有文獻提到［1-3］.

我國現有鐵路線上存在眾多的隧道，在鐵道部對現有鐵路線進行多次大提速的背景下，如何應用新的技術手段準確的預測隧道內壓力變化，對改善列車和隧道的設計有很大幫助.本文就此進行了研究，首先對數值計算結果與實驗結果進行對比，通過對比驗證了數值計算的可靠性.并把數值計算的結果通過流固耦合技術加載到某車體焊接結構的有限元模型上，最后對耦合后的有限元模型進行了強度計算和焊縫疲勞壽命預測.

1 數值計算結果與試驗結果對比

建造一個滿足列車和隧道相互作用的實驗設備非常困難和昂貴，所以通過計算機模擬仿真的方法研究隧道內的空氣動力效應非常有價值.為了驗證 SC/Tetra軟件在高速鐵路隧道空氣動力學模擬仿真中的適用性和可靠性，本文進行了數值模擬，并將計算結果與實車試驗結果進行對比.相關對比數據見表1.

表1 實車測試和計算模型相關數據比較

除此之外其他主要計算參數基本相同.其對比的波形圖如圖1～圖4.

圖1 計算模型3車(尾車)中部側裙板測點壓力波形圖

圖2 實車8車中部側裙板測點壓力波形圖

圖3 計算模型中車中部底板測點壓力波形圖

圖4 實車7車中部底板測點壓力波形圖

從計算結果和試驗數據的變化趨勢來看，二者基本一致.計算結果和實測數據之間還存在著偏差.這可能是由于計算模型對列車、隧道和地面進行了簡化;列車和隧道長度與實際不符等原因引起的.總體來看，計算模型是可以接受的，計算結果較為可信［3-4］.

2 焊縫疲勞評估

高速列車通過隧道時所受表面壓力的變化是十分復雜的，模擬仿真計算中表面壓力的加載往往都是近似值，而無法實現實際計算載荷的加載.本文以某車體焊接結構為耦合對象，實現了實際計算載荷與有限元模型的耦合.并對耦合后的該車體焊接結構進行了相應的計算.計算過程中采用了有限元分析及處理軟件HYPERMESH和ANSYS.

2.1 強度計算

首先利用HYPERMESH軟件對某車體焊接結構進行有限元模型的建立.有限元模型建立的過程中主要采用4節點等參薄殼單元和8節點六面體實體單元模擬主體結構，用梁單元模擬螺栓連接結構，用質量元來模擬附加結構的質量及分布位置，同時通過RIGID單元或RBE3單元與相鄰的有限元結構連接.殼單元的尺寸(長度)在大多數的結構部件中的典型長度約為10 mm，而在更多的細化區域則要小一些，有的地方的單元長度約為3～5 mm.下面將該車體焊接結構有限元模型中用到的單元類型在表2中列出.

表2 有限元模型單元使用情況列表

本文對某車體焊接結構在運營專線上穿越其中一座長500 m的隧道后焊縫疲勞壽命進行預測.根據試驗數據，列車通過此隧道所用時間為5 s.在已計算出該結構表面所受壓力的基礎上，把列車從進隧道到出隧道所用的時間分為N等分，把每個等分點時間上的壓力加載到有限元模型上.然后導入到ANSYS軟件中進行N次強度計算，得到N組離散的等分點上的動應力數值.利用插值方法得到5 s內連續的動應力—時間歷程.

氣動載荷計算中輸出數據的時間間隔為0.08 s，在壓力加載的有限元模型上選取部分特殊位置單元進行壓力統計，得出某車體焊接結構通過隧道時的壓力變化波形圖如圖5.

圖5 某車體結構通過隧道所受壓力的波形圖

從波形圖上來看最大壓力時刻為2.16 s.根據壓力波形圖利用結構分析軟件ANSYS進行強度計算，計算的時刻點分別為2.16 s和3.44 s.考慮機械振動載荷后計算工況為:X方向0.4G;Y方向0.3G;Z方向0.3G(G為重力加速度)及所提取的氣動載荷.得出兩時刻的強度計算結果.

2.2 焊縫疲勞壽命計算

焊接結構疲勞壽命的預測多年來一直是一個世界范圍的難題.就當前普遍采用的疲勞評估標準而言有:①英國鋼結構疲勞評估標準(BS)②歐洲標準(EN)③國際焊接學會標準(IIW)④日本JIS標準⑤美國AAR標準.這些標準至少有這樣兩個局限:

(1)S-N曲線問題

這些標準提供的S-N曲線是有限的，而工程實際問題中的焊接街頭要么幾何形狀復雜，要么承受的外載荷復雜，或者兩者復雜性同時存在.因此這些標準中有限數量的S-N曲線與工程中千變萬化的要求的沖突不可避免.

(2)應力集中如何準確獲得的問題

當使用這些用名義應力定義的S-N曲線時，由于工程問題的復雜性，用材料力學的計算公式不可能獲得S-N曲線所用的名義應力，此時只能采用有限元法計算，而采用有限元法時，不僅網格劃分的大小對應力計算結果有較大影響，而且取網格上哪一點的應力參與壽命計算，也存在不唯一性.于是，將面臨一個新的問題，即，應力類型﹑網格大小與疲勞評估的置信度問題［5］.

針對上述局限性，美國新奧爾良大學Pingsha Dong博士基于力學基本原理及大量焊接疲勞試驗，發明的一種可以直接計算焊縫疲勞壽命的《網格不敏感的結構應力法及主 S-N曲線法》最新方法.2007年美國ASME將其列為焊接結構焊縫疲勞壽命計算標準，簡稱為 ASME(2007).該方法采用網格不敏感結構應力計算方法(Mesh-insensitive Structural Stress Method)計算出空間任意走向的焊縫應力集中.然后基于他的一條主 S-N曲線(Master S-N)的數學模型，進一步相對準確地計算該焊縫(含焊趾與焊根)的疲勞壽命，很好地解決了名義應力法所遇到的困難.還要指出，結構應力是由外力引起的，反映了與應力集中相關的焊縫上的應力.基于美國ASME(2007)標準，與焊接接頭具體類型無關的預測焊接結構焊縫疲勞壽命的壽命計算公式為:

其中等效結構應力的計算公式為:

式(2)中Δσs為結構應力，反映了應力集中的影響;t反映了板厚度的影響，I(r)反映了載荷模式的影響;m=3.6，式(1)中Cd及h為主S-N曲線試驗常數，由ASME標準提供，N為循環次數［6-7］.

在HYPERMESH中對焊縫進行定義，以其中一條關鍵焊縫為例進行詳細說明.焊縫定義如圖6.

圖6 焊縫定義

表3 焊縫各節點的合成損傷值

采用 FE-WELD軟件對焊縫疲勞進行評估，某車體焊接結構通過500 m隧道的疲勞損傷結果如表3.

2.16 s時刻所提取的表面壓力較大，對焊縫的疲勞損傷值也較大.從表中可以看出節點號為95420的疲勞損傷值最大為5.87E-06.根據各節點的損傷值更能直觀的判斷出焊縫的危險區域.從而可以較準確的預測焊縫的開裂位置.

3 結論

(1)通過數值模擬計算結果與試驗結果的對比，驗證了SC/Tetra軟件在高速鐵路隧道空氣動力學模擬仿真中的適用性和可靠性;

(2)實現了流固耦合.把分布不均的瞬態壓強數據導入到相應的計算模塊中進行分析，使其模擬仿真的結果更加精確，更加接近真實情況;

(3)采用結構分析軟件 ANSYS和焊縫疲勞分析軟件FE-WELD對某車體焊接結構進行了強度計算和焊縫疲勞壽命預測.為高速列車的安全運營提供一定的參考.

［1］溫竹茵，周質炎.高速列車隧道的空氣動力學效應及解決措施［C］.2003上海國際隧道－L程研討會論文集，2003.

［2］關永久.高速列車在隧道內會車過程的氣動特性研究［D］.成都:西南交通大學，2010.

［3］趙強.高速列車隧道運行的氣動特性研究［D］.大連:大連交通大學，2010.

［4］西南交通大學牽引動力國家重點實驗室.CRH3-60C設備艙空氣壓力試驗報告［R］.成都:西南交通大學，2010.

［5］王悅東.基于主S-N曲線的焊接結構疲勞壽命預測［D］.大連:大連交通大學，2011.

［6］王立航，方吉，馬紀軍.鋁合金車體疲勞壽命預測新方法及其應用［J］.大連交通大學學報，2010，31(5):9-11.

［7］HONG TAE KANG ，PINGSHA DONG，HONG J K.Fatigue analysis of spot welds using a mesh-insensitive structural stress approach［J］.International Journal of Fatigue，2007(29):1546-1553.