一種新的焊接構架疲勞分析方法

摘要： 為了在多工況下進行焊接構架多軸應力的疲勞強度評估，在直接法和投影法的基礎上，將二階張量坐標變換的性質應用于構架的多軸應力疲勞評估，提出了張量法.該方法將多軸應力轉換到同一坐標系和同一截面下，根據獲得的最大應力和最小應力進行疲勞評估.以某型轉向架焊接構架為例，建立了該構架的有限元模型，計算結構在多工況下的應力，并用直接法、投影法和張量法計算了焊接構架的疲勞強度. 通過臨界面法和Ncode軟件的計算，驗證3種方法的合理性.結果表明：考慮多軸應力方向的張量法明顯優于另外兩種方法，與Ncode計算結果誤差最小，為4.42%.

關鍵詞： 焊接構架；疲勞分析；主應力準則；多軸應力；張量法

中圖分類號： O346.2文獻標志碼： AA Novel Fatigue Analysis Method of Welded FramesXIAO Shoune，YANG Chao，YANG Guangwu

焊接構架在轉向架中起著極其重要的作用，承受著縱向、橫向和垂向的復合載荷，應力分布復雜，構架的疲勞失效對車輛的運行安全性影響極大[13].疲勞失效評估準則主要有主應力準則、最大剪應力準則、McDiarmid準則、BrownMiller準則和Dang Van準則[4].

疲勞壽命計算方法包括名義應力法、熱點應力法和缺口應力法等[56].名義應力法廣泛應用于鐵路行業，并以主應力準則和Goodman曲線作為焊接構架疲勞強度評定的主要依據[79].目前對多軸應力轉換處理的方法主要有直接法、投影法和等效應力法.文獻[10]中提出一種基于矢量投影的數據處理方法（投影法），詳細闡述了其原理和過程.文獻[11]中提出了一種焊接構架疲勞強度評定的工程方法，這種方法跟投影法基本相同，但在最大主應力的選擇上有區別.文獻[12]將多工況下的最大和最小應力簡化為二維平面應力狀態，用等效平均應力和等效應力幅評估構架的疲勞強度.

上述方法都是為了解決主應力在各個工況下，不同方向，將多軸應力轉換為單軸應力或等效應力，即多軸應力狀態轉換.若以結構某點處的微元六面體為對象，主應力則成對出現，且等值反向，這些方法不能完全合理的解決多軸應力轉換的問題.

本文以張量原理為理論基礎，對某型焊接構架進行疲勞分析，應用應力張量的性質解決了多軸應力狀態轉換問題.1構架的疲勞評估方法1.1直接法根據中國鐵路行業標準TB/T 2368—2005《動力轉向架構架強度試驗方法》，制定構架的疲勞載荷工況，利用有限元軟件計算出焊接構架在各個載荷工況下的靜強度結果.構架的受力情況復雜，應力分布是多軸應力狀態，要計算構架上某位置的應力幅和平均應力，需將多軸應力狀態等效為單軸應力狀態.

直接法就是取各節點（或單元）在所有載荷工況下的主應力值，通過式（1）、（2）計算平均應力和應力幅.

5結束語針對結構在多工況下的多軸應力狀態轉換問題，以張量原理為基礎，提出了張量法.利用直接法、投影法和張量法計算焊接構架的疲勞強度，并對結果進行比較.通過臨界面法和Ncode的結果進行驗證，張量法的計算結果明顯好于另兩種方法，與Ncode計算結果的最大誤差只有4.42%，其結果更合理，符合工程應用的要求.

參考文獻：

[1]米彩盈. 鐵道機車車輛結構強度[M]. 成都：西南交通大學出版社，2007： 144151.

[2]王文靜，劉志明，李強，等. CRH2動車轉向架構架疲勞強度分析[J]. 北京交通大學學報，2009，33（1）： 59.

WANG Wenjing， LIU Zhiming， LI Qiang， et al. Fatigue strength analysis of CRH2 motor bogie frame[J]. Journal of Beijing Jiaotong University， 2009， 33（1）： 59.

[3]翟二光，劉志明，秦國棟，等. 焊接構架疲勞強度的評估方法[J]. 科學技術與工程，2003，3（4）： 334337.

CUI Erguang， LIU Zhiming， QIN Guodong， et al. Fatigue strength evaluation of welded frame[J]. Science Technology and Engineering， 2003， 3（4）： 334337.

[4]尚德廣，王德俊. 多軸疲勞強度[M]. 北京：科學出版社，2007： 93106.

[5]賈倩，程祖國. 基于動應力試驗的轉向架構架疲勞壽命預測[J]. 鐵道機車車輛，2010，30（4）： 6568.

JIA Qian， CHENG Zuguo. A fatigue life prediction of the bogie frame based on dynamic stress test[J]. Railway Locomotive Car， 2010， 30（4）： 6568.

[6]王劍，王悅東，陳秉智. 焊接結構焊縫疲勞壽命的靈敏度分析[J]. 固體力學學報，2010，31（1）： 281284.

WANG Jian， WANG Yuedong， CHEN Bingzhi. Structural stress method based sensitivity analysis of fatigue life evaluation about weld structures[J]. Chinese Journal of Solid Mechanics， 2010， 31（1）： 281284.

[7]田合強，鄔平波，王建斌，等. 焊接構架疲勞強度的有限元分析及評估[J]. 內燃機車，2008，3（1）： 15.

TIAN Heqiang， WU Pingbo， WANG Jianbin， et al. Fatigue strength evaluation of welded frane by FEM model[J]. Diesel Locomotives， 2008， 3（1）： 15.

[8]安琪，李芾，黃運華，等. 基于JIS標準的轉向架焊接構架疲勞強度評估[J]. 機車電傳動，2009（4）： 2629.

AN Qi， LI Fu， HUANG Yunhua， et al. Fatigue strength assessment for bogie welded frame based on JIS standard[J]. Electric Drive for Locomotives， 2009（4）： 2629.

[9]安琪，李芾，傅茂海. 牽引電機振動對構架疲勞強度的影響[J]. 西南交通大學學報，2010，45（2）： 209212.

AN Qi， LI Fu， FU Maohai. Influences of traction motor vibration on bogie frame fatigue strength[J]. Journal of Southwest Jiaotong University， 2010， 45（2）： 209212.

[10]ERRI Specialists Committee. B 12 ERRI B 12/RP 171997 Wagons[S]. Utrecht： [s. n.]， 1997.

[11]米彩盈，李芾. 焊接轉向架構架疲勞強度評定的工程方法[J]. 內燃機車，2002（6）： 1114.

MI Caiying， LI Fu. Engineering method of evaluation fatigue strength for welded bogie frame[J]. Diesel Locomotives， 2002（6）： 1114.

[12]張開林. 基于熱點應力法的轉向架構架疲勞壽命工程評定方法[J]. 機車電傳動，2004（6）： 810.

ZHANG Kailin. Engineering evaluation method of fatigue life for bogie frame based on hot spot stress method[J]. Electric Drive for Locomotives， 2004（6）： 810.

[13]王光欽，丁桂保，劉長虹，等. 彈性力學[M]. 北京：中國鐵道出版社，2004： 8799.

[14]張耀良，朱衛兵. 張量分析及其在連續介質力學中的應用[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2005： 1680.

[15]International Union of Railways. UIC CODE 61542003 Motive power unitsbogies and running gearbogie frame structure strength tests[S]. Erstfassung： [s. n.]， 2003.

（中文編輯：秦瑜英文編輯：蘭俊思）